Aula 02 - Estrutura atomica ligacoes

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Aula 02 – Estrutura Atômica, Ligações
Ciência dos Materiais
Prof Vinícius Dantas – vinicius.dantas@ufrpe.br – sala 607
Resumo da aulaResumo da aula
• Estrutura Atômica
• Ligação Interatômicas – Conceitos fundamentais,
elétrons nos átomos, forças e energias de ligação,
ligações primárias e secundárias
• Moléculas
• Materiais de importância
Why?Why?
• Uma razão importante para se ter uma compreensão
das ligações interatômicas nos sólidos deve‐se ao
fato de que, em alguns casos, o tipo de ligação nos
permite explicar as propriedades de um material.
Estrutura AtômicaEstrutura Atômica
• Número atomico, Z – numero de protons no nucleo
• Massa atomica, A – massa de protons + massa de
neutros
• Isotopo – mesmo numero de protons, diferente de
neutrons
• Peso atomico – media ponderada dos isotopos
(g/mol, 1 mol = 6,023x1023)
Modelos AtômicosModelos Atômicos
• Modelo atômico de Bohr
– elétrons orbitam ao redor do núcleo atômico em
orbitais discretos e a posição de um elétron
específico é mais ou menos bem definida em
termos do seu orbital
Energia QuantizadaEnergia Quantizada
Mecânica Quântica – Onda/partículaMecânica Quântica – Onda/partícula
Números quânticosNúmeros quânticos
• n – número principal
• l – subcamada
• ml – número de estados de energia
• ms – momento de spin (+1/2; ‐1/2)
• Em primeiro lugar, quanto menor é o
número quântico principal, menor é o
nível energético;
• Em segundo lugar, dentro de cada
camada, a energia de uma subcamada
aumenta com o valor do número
quântico l.
• Finalmente, podem existir
superposições na energia de um estado
em uma camada com os estados em
uma camada adjacente. Isso é
especialmente verdadeiro para os
estados d e f; por exemplo, a energia de
um estado 3d é geralmente maior que a
energia de um estado 4s.
Números quânticosNúmeros quânticos
Configurações eletrônicasConfigurações eletrônicas
• Princípio de exclusão de Pauli estipula que cada
estado eletrônico pode comportar um número
máximo de dois elétrons, os quais devem ter spin
opostos
• Estado fundamental
– Camada valência preenchida
Tabela PeriódicaTabela Periódica
• Mesma coluna mesma valência
EletronegatividadeEletronegatividade
• Eletropositivos ‐ são capazes de ceder seus poucos elétrons de
valência para tornarem‐se íons carregados positivamente
• Eletronegativos ‐ aceitam elétrons prontamente para formar
íons negativamente carregados, ou algumas vezes
compartilham elétrons com outros átomos.
• a eletronegatividade aumenta ao se deslocar da esquerda
para a direita e de baixo para cima na tabela.
Ligação atômica em sólidosLigação atômica em sólidos
• Forças e Energia de ligação
– a pequenas distâncias
de separação, cada
átomo exerce forças
sobre o outro. Essas
forças são de dois tipos,
atrativa (FA) e repulsiva
[eletromagnetica] (FR),
e a magnitude de cada
uma depende da
separação ou distância
interatômica (r)
• Quando FA e FR ficam iguais, não existe força
resultante, e existe um estado de equilíbrio. Os
centros dos dois átomos permanecerão separados
pela distância de equilíbrio r0. Para muitos átomos, r0
é de aproximadamente 0,3 nm. Uma vez nessa
posição, qualquer tentativa de mover os dois átomos
para separá‐los será compensada pela força atrativa,
enquanto uma tentativa de aproximar os átomos
sofrerá a resistência de forças repulsivas crescentes.
Ligação atômica em sólidosLigação atômica em sólidos
• a energia de ligação para esses
dois átomos, E0, corresponde à
energia nesse ponto de
mínimo; ela representa a
energia que seria necessária
para separar esses dois átomos
até uma distância de separação
infinita.
Ligação atômica em sólidosLigação atômica em sólidos
• A magnitude dessa energia de ligação e a forma da curva da
energia em função da separação interatômica variam de
material para material, e ambas dependem do tipo da ligação
atômica. Além disso, várias propriedades dos materiais
dependem de E0, da forma da curva e do tipo da ligação.
• Os materiais com grandes energias de ligação em geral
também apresentam temperaturas de fusão elevadas;
• o quanto um material se expande sob aquecimento ou se
contrai sob resfriamento. Um “vale” profundo e estreito, que
ocorre tipicamente para os materiais com energias de ligação
elevadas, está normalmente relacionado a um baixo
coeficiente de expansão térmica e a alterações dimensionais
relativamente pequenas em resposta a mudanças na
temperatura.
Ligação atômica em sólidosLigação atômica em sólidos
Ligações primáriasLigações primárias
• Três tipos diferentes de ligações
primárias ou ligações químicas são
encontrados nos sólidos – iônica,
covalente e metálica. Para cada tipo, a
ligação envolve necessariamente os
elétrons de valência
Ligação IônicaLigação Iônica
• Talvez a ligação iônica seja a mais fácil de ser descrita e
visualizada. Os átomos de um elemento metálico perdem
seus elétrons de valência com facilidade para os átomos
não metálicos. Nesse processo, todos os átomos
adquirem configurações estáveis ou de gás inerte e, além
disso, uma carga elétrica; isto é, eles tornam‐se íons
NaClNaCl
• Um átomo de sódio pode
assumir a estrutura
eletrônica do neônio (e
uma carga resultante
positiva unitária) pela
transferência do seu único
elétron de valência 3spara
um átomo de cloro. Após
essa transferência, o íon
cloro adquire uma carga
resultante negativa e uma
configuração eletrônica
idêntica àquela do argônio
• As forças de ligação atrativas são de Coulomb; isto é,
os íons positivos e negativos, em virtude de suas
cargas elétricas resultantes, atraem‐se uns aos
outros. Para dois átomos isolados, a energia atrativa
EA é uma função da distância interatômica
Ligação IônicaLigação Iônica
• A ligação iônica é denominada não direcional, isto é,
a magnitude da ligação é igual em todas as direções
ao redor do íon. Como consequência disso, para que
os materiais iônicos sejam estáveis, em um arranjo
tridimensional, todos os íons positivos devem ter
como seus vizinhos mais próximos íons carregados
negativamente, e vice‐versa.
Ligação IônicaLigação Iônica
Ligação IônicaLigação Iônica
Ligação covalenteLigação covalente
• Na ligação covalente as configurações
eletrônicas estáveis são adquiridas pelo
compartilhamento de elétrons entre átomos
adjacentes. Dois átomos ligados
covalentemente contribuirão cada um com
pelo menos um elétron para a ligação, e os
elétrons compartilhados podem ser
considerados como pertencentes a ambos os
átomos
• A ligação covalente é direcional;
isto é, ela ocorre entre átomos
específicos e pode existir somente
na direção entre um átomo e o
outro que participa do
compartilhamento dos elétrons.
• Exemplo: H2, Cl2, F2, CH4, H2O,
HNO3, HF, diamante (carbono),
silício e germânio, arseneto de
gálio (GaAs), antimoneto de índio
(InSb) e carbeto de silício (SiC).
Ligação covalenteLigação covalente
• O número de ligações covalentes possível para
um átomo particular é determinado pelo
número de elétrons de valência. Para N′
elétrons de valência, um átomo pode ligar‐se
de maneira covalente com, no máximo, 8 – N′
outros átomos
• Cl – N’=7
• C – N’=4
Ligação covalenteLigação covalente
• As ligações covalentes
podem ser muito
fortes, como no
diamante, que é
muito duro e tem uma
temperatura de fusão
muito elevada,
>3550°C (6400°F), ou
podem ser muito
fracas, como no
bismuto, que funde a
aproximadamente
270°C (518°F).
Ligação covalenteLigação covalente
• É possível a existência de ligações interatômicas que
são parcialmente iônicas e parcialmente covalentes,
e, de fato, poucos compostos exibem ligações
exclusivamente iônicas ou covalentes
• Quanto maior for a separação quanto maior for a
diferença entre as eletronegatividades,mais iônica
será a ligação. De maneira inversa, quanto menor for
a diferença entre as suas eletronegatividades, maior
será o grau de covalência
Ligação metálicaLigação metálica
• Os materiais metálicos têm um, dois, ou no máximo
três elétrons de valência. Com esse modelo, esses
elétrons de valência não se encontram ligados a
qualquer átomo particular no sólido e são mais ou
menos livres para se movimentar através de todo o
metal
• De natureza
não‐direcional
• A ligação pode ser
fraca ou forte; as
energias variam
entre 68 kJ/mol (0,7
eV/átomo) para o
mercúrio e 849
kJ/mol (8,8
eV/átomo) para o
tungstênio. Suas
respectivas
temperaturas de
fusão são de –39 e
3410°C (–38 e 617°F
Ligação metálicaLigação metálica
????????
• Offer an explanation as to why covalently
bonded materials are generally less
dense than ionically or metallically
bonded ones.
LIGAÇÕES SECUNDÁRIAS OU LIGAÇÕES 
DE VAN DER WAALS
LIGAÇÕES SECUNDÁRIAS OU LIGAÇÕES 
DE VAN DER WAALS
• As ligações secundárias, de van der Waals, ou físicas
são ligações fracas quando comparadas às ligações
primárias ou químicas; As ligações secundárias
existem entre virtualmente todos os átomos ou
moléculas, mas sua presença pode ficar obscurecida
se qualquer um dos três tipos de ligação primária
estiver presente. A ligação secundária fica evidente
no caso dos gases inertes, que apresentam
estruturas eletrônicas estáveis, e ainda entre as
moléculas em estruturas moleculares ligadas de
forma covalente.
• As forças de ligação secundárias
surgem a partir de dipolos atômicos
ou moleculares. Essencialmente,
um dipolo elétrico existe sempre
que há alguma separação entre as
frações positiva e negativa de um
átomo ou molécula. A ligação
resulta da atração de Coulomb
entre a extremidade positiva de um
dipolo e a região negativa de um
dipolo adjacente
LIGAÇÕES SECUNDÁRIAS OU 
LIGAÇÕES DE VAN DER WAALS
LIGAÇÕES SECUNDÁRIAS OU 
LIGAÇÕES DE VAN DER WAALS
Ligações Flutuantes de Dipolo InduzidoLigações Flutuantes de Dipolo Induzido
• Vibrações atômicas causam distorção momentânea
da molécula
• A liquefação, solidificação dos gases inertes, H2 e o
Cl2, ocorrem devido a esse tipo de ligação.
• temperaturas de fusão e de ebulição são
extremamente baixas
• essas ligações são as mais fracas
Ligações entre Moléculas Polares e 
Dipolos Induzidos
Ligações entre Moléculas Polares e 
Dipolos Induzidos
• As moléculas polares também podem induzir
dipolos em moléculas apolares adjacentes, e
uma ligação irá se formar como resultado das
forças atrativas entre as duas moléculas. Além
disso, a magnitude dessa ligação será maior
do que aquela que existe para os dipolos
induzidos flutuantes
Ligações de Dipolo PermanentesLigações de Dipolo Permanentes
• O tipo mais forte de ligação secundária, a
ligação de hidrogênio, é um caso especial de
ligação entre moléculas polares
• Essencialmente, o próton forma uma ponte
entre dois átomos negativamente carregados.
A magnitude da ligação de hidrogênio é
geralmente maior do que aquela dos outros
tipos de ligações secundárias
Materiais de importância ‐ ÁguaMateriais de importância ‐ Água
• Ao congelar (isto é, ao transformar‐se de um líquido
em um sólido durante o resfriamento), a maioria das
substâncias apresenta um aumento de densidade
(ou, de maneira correspondente, uma diminuição no
volume). Uma exceção é a água, que exibe
comportamento anômalo e familiar de expansão ao
se congelar – com uma expansão de volume de
aproximadamente 9%
ConclusãoConclusão