2- ligacoes quimicas

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ASSUNTOS
2. Ligações químicas nos
sólidos
- Energias e forças de ligações
- Ligações interatômicas primárias
- Ligação de Van der Waals
LIGAÇÕES QUÍMICAS 
EM MATERIAIS 
SÓLIDOS
(Breve Revisão)
Por quê estudar?
O tipo de ligação interatômica geralmente explica a 
propriedade do material.
Exemplo: o carbono pode existir na forma de grafite que é mole, 
escuro e “gorduroso” e na forma de diamante que é extremamente 
duro e brilhante. Essa diferença nas propriedades é diretamente 
atribuída ao tipo de ligação química que é encontrada no grafite e 
não no diamante.
Veja mais informações no site www.cimm.com.br (material didático)
LIGAÇÕES QUÍMICAS EM 
MATERIAIS SÓLIDOS
 Os elementos se ligam para formar os 
sólidos para atingir uma configuração mais 
estável: em geral oito elétrons na camada 
mais externa
 A ligação química é formada pela interação 
dos elétrons de valência por meio de um dos 
seguintes mecanismos:
- Ganho de elétrons
- Perda de elétrons
- Compartilhamento de elétrons
TIPOS DE LIGAÇÕES
Metálica
Covalente
 Iônica
Van der Waals
A eletronegatividade dos átomos é o que determina o tipo de 
ligação
Qual o tipo de ligação química é 
usualmente presente nos seguintes 
materiais?
Metais
Cerâmicos
Polímeros
Compósitos
Semicondutores
Biomateriais (Mat. Biocompatíveis))
FORÇAS E ENERGIAS DE 
LIGAÇÃO
FORÇA E DISTÂNCIA DE 
LIGAÇÕES
 A distância entre 2 átomos é 
determinada pelo balanço das 
forças atrativas e repulsivas
 Quanto mais próximos os 
átomos maior a força atrativa 
entre eles, mas maior ainda são 
as forças repulsivas devido a 
sobreposição das camadas 
mais internas 
 Quando a soma das forças 
atrativas e repulsivas é zero, os 
átomos estão na chamada 
distância de equilíbrio.
FORÇA DE LIGAÇÕES E RIGIDEZ
A inclinação da 
curva no ponto 
de equilíbrio dá 
a força 
necessária 
para separar 
os átomos sem 
promover a 
quebra da 
ligação. 
FORÇA DE LIGAÇÕES E RIGIDEZ
 Os materiais que apresentam 
uma inclinação grande são 
considerados materiais 
rígidos. 
 Ao contrário, materiais que 
apresentam uma inclinação 
mais tênue são bastante 
flexíveis. 
 A rigidez e a flexibilidade também 
estão associadas com módulo de 
elasticidade (E) que é determinado 
da inclinação da curva 
tensãoxdeformação obtida no 
ensaio mecânico de resistência à 
tração.
Deformação medida ()
Inclinação 
fornece
Módulo E
Figura copiada de Prof Adriano Scheid
ENERGIA DE LIGAÇÃO
 Algumas vezes é mais conveniente trabalhar com energia 
(potencial) do que forças de ligações.
 Matematicamente, energia (E) e força de ligações (F) estão 
relacionadas por : E= F.dr
 A menor energia é o ponto de equilíbrio
Quanto mais profundo o 
poço de potencial maior a 
temperatura de fusão do 
material
Devido as forcas de 
repulsão aumentarem 
muito mais com a 
aproximação dos átomos 
a curva não é simétrica. 
Por isso, a maioria dos 
materiais tendem a se 
expandir quando 
aquecidos
Filme
ENERGIA DE LIGAÇÃO
 Quando energia é fornecida a um material, a 
vibração térmica faz com que os átomos 
oscilem próximos ao estado de equilíbrio.
 Devido a assimetria da curva de energia de 
ligaçãoxdistância interatômica, a distância 
média entre os átomos aumenta com o 
aumento da temperatura.
 Então, quanto mais estreito e mais profundo 
o mínimo de potencial menor é o coeficiente 
de expansão térmica do material
TIPOS DE LIGAÇÕES
 Metálica
 Covalente
 Iônica
 Van der Waals
 Forma-se com átomos de baixa 
eletronegatividade
(apresentam no máximo 3 
elétrons de valência)
 Então, os elétrons de valência 
são divididos com todos os 
átomos (não estão ligados a 
nenhum átomo em particular) e 
assim eles estão livres para 
conduzir
 A ligação metálica não é 
direcional porque os elétrons 
livres protegem o átomo 
carregado positivamente das 
forças repulsivas eletrostáticas
 A ligação metálica é geralmente 
forte (um pouco menos que a 
iônica e covalente)= 20-200 
Kcal/mol
 Ex: Hg e W
Elétrons de valência
Átomo+elétrons das camadas mais internas
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EFEITO DA TEMPERATURA E DA ESTRUTURA DO 
MATERIAL NA CONDUTIVIDADE
ESTRUTURA PERFEITA A 
BAIXA TEMPERATURA
MOVIMENTO DOS ELÉTRONS A MAIS
ALTA TEMPERATURA
MOVIMENTO DOS ELÉTRONS
EM UMA ESTRUTURA COM IMPUREZAS
A agitação térmica e a presença de impurezas reduzem o livre percurso 
médio dos elétrons, a mobilidade dos mesmos e como consequência a 
condutividade.
Material sobre ligação metálica
https://youtu.be/ZFnEdCpEU6E
TIPOS DE LIGAÇÕES
 Covalente
 Metálica
 Iônica
 Van der Waals
 Os elétrons de valência são 
compartilhados
 Forma-se com átomos de 
alta eletronegatividade
 A ligação covalente é 
direcional e forma ângulos 
bem definidos (apresenta 
um certo grau de ligação 
iônica)
 A ligação covalente é forte = 
125-300 Kcal/mol
 Esse tipo de ligação é 
comum em compostos 
orgânicos, por exemplo em 
materiais poliméricos e 
diamante.Ex: metano (CH4)
Figura copiada do material do Prof. Sidnei Paciornik do
Departamento de Ciência dos Materiais e Metalurgia da PUC-Rio
Ligação covalente
Cl2
HCl
TIPOS DE LIGAÇÕES
 Iônica
 Metálica
 Covalente
 Van der Waals
 Os elétrons de valência são 
transferidos entre átomos 
produzindo íons
 Forma-se com átomos de 
diferentes 
eletronegatividades (um 
alta e outro baixa) 
 A ligação iônica não é 
direcional, a atração é 
mútua
 A ligação é forte= 150-300 
Kcal/mol (por isso o PF dos 
materiais com esse tipo de 
ligação é geralmente alto)
 A ligação predominante nos 
materiais cerâmicos é iônica
CARACTERÍSTICAS DOS 
COMPOSTOS IÔNICOS: 
são sólidos (cristalinos) à temperatura 
ambiente
são duros e quebradiços
conduzem corrente elétrica quando: 
fundidos ou em solução
possuem alto ponto de fusão e de 
ebulição
LIGAÇÃO IÔNICA
 As forças atrativas eletrostáticas entre os átomos é 
não-direcional os átomos num material 
iônico arranjam-se de forma que todos os íons 
positivos têm como vizinho mais próximo íons 
negativos, sendo as forças atrativas igual em todas 
as direções. 
 A magnitude da força obedece a Lei de Coulomb
Figura copiada do material do Prof. Sidnei Paciornik do
Departamento de Ciência dos Materiais e Metalurgia da PUC-Rio
A ligação iônica mantém os íons fortemente unidos numa 
estrutura 3D
FORÇAS DE ATRAÇÃO E REPUSÃO 
ENVOLVIDAS EM SÓLIDOS IÔNICOS
FA= -A/r
2
FR= B/r
n
A, B e n são valores que 
dependem do sistema iônico em 
questão
r é a distância interatômica
LEI DE COULOMB
 Forças atrativas
 r é a distância interatômica
 z1 e z2 são as valências dos 2 tipos de íons
 e é a carga do elétron (1,602x10-19 C)
 0 é a permissividade do vácuo (8,85x10-12 F/m)
FA
CONSIDERAÇÕES SOBRE 
LIGAÇÃO IÔNICA E COVALENTE
 Muito poucos compostos exibem ligação iônica e 
covalente puras
 A maioria das ligações iônicas tem um certo grau de 
ligação covalente e vice –versa transferem e 
compartilham elétrons
 O grau do tipo de ligação depende da 
eletronegadividade dos átomos constituintes.
 Quanto maior a diferença nas eletronegatividades 
mais iônica é a ligação
 Quanto menor a diferença nas eletronegatividades 
mais covalente é a ligação
CONSIDERAÇÕES SOBRE 
LIGAÇÃO IÔNICA E COVALENTE
 Fração de 
ligação covalente=
onde E é a diferença nas 
eletronegatividades dos 
átomos
Ex: SiO2
Eletronegatividade do Si= 1,8
Eletronegatividade do O= 3,5
Fração de ligação covalente= 0,486= 48,6%
Qual o tipo de ligação é usualmente 
presente nos seguintes materiais?
Qual o tipo de ligação esperada para os 
seguintes compostos: 
 Bronze (liga de Cu e Sn)
 Si 
 CO2
 Liga de Alumínio
 Nylon
 MgCl2
 GaSb
 Al2O3
 TiN
 TiO2
 InSb
ETi= 1,5 eV EO= 3,5 eV
EIn= 1,7 eV ESb= 1,9 eV 
EAl=1,5 eV ECl=3,0 eV 
EN= 3,0 eV EMg= 1,2 eV 
EGa= 1,6 eV
TIPOS DE LIGAÇÕES
(SECUNDÁRIAS)
Van der Waals
 Metálica
 Covalente
 Iônica
 São ligações secundárias ou 
físicas A polarização (formação de 
dipólos) devido a estrutura da 
ligação produz forças atrativas 
e repulsivas entre átomos e 
moléculas 
 A ligação de van der Waals não 
é direcional
 A ligação é fraca< 10 Kcal/mol
 Exemplo desse tipo de ligação 
acontece entre átomos de H e 
em estrut. moleculares e 
moléc. polares
A ligação é gerada por pequenas assimetria
na distribuição de cargas
Johannes Diderik van der 
Waals
foi um físico holandês que 
formulou equações 
descrevendo os estados líquido 
e gasoso, trabalho fundamental 
para a medição do zero 
absoluto.
Fonte: 
https://pt.wikipedia.org/wiki/Johannes_Diderik_van_
der_Waals
LIGAÇÃO DE VAN DER WAALS 
EXEMPLO: MOLÉCULA DE ÁGUA
 A molécula de água apresenta 
polarização de carga (formação 
de dipólos): positiva proxima 
aos átomos de H e negativa 
onde os elétrons de valência do 
oxigênio estão localizados
 Isto produz forças de van der 
Waals entre as moléculas, 
fazendo com que as mesmas 
tendam a alinhar-se os pólos 
negativos com positivos. 
Como o angulo de ligação 
109,5o, as moléculas formam 
uma estrutura quase hexagonal 
(veja figura)
 O gelo tem estrutura hexagonal 
devido a este tipo de ligação. Ë 
menos denso por isso flutua 
sobre a água.
á
g
u
a
H H
o
gelo
Pata de uma lagartixa, enquanto anda sobre uma 
parede de vidro: forças de van der Waals
Em 2002, uma equipe multidisciplinar de biólogos e engenheiros de quatro universidades do estado 
americano da Califórnia publicou na revista Proceedings of the National Academy of Sciences um 
estudo que confirma a força de Van der Waals como a responsável pela capacidade 
das lagartixas em escalar praticamente qualquer superfície através da interação de tais forças entre 
a superfície e as patas do animal
https://pt.wikipedia.org/wiki/Lagartixa
https://pt.wikipedia.org/wiki/2002
https://pt.wikipedia.org/wiki/Bi%C3%B3logo
https://pt.wikipedia.org/wiki/Engenheiro
https://pt.wikipedia.org/wiki/Universidade
https://pt.wikipedia.org/wiki/Estados_dos_Estados_Unidos
https://pt.wikipedia.org/wiki/Calif%C3%B3rnia
https://pt.wikipedia.org/wiki/Proceedings_of_the_National_Academy_of_Sciences
https://pt.wikipedia.org/wiki/Gekkonidae
https://pt.wikipedia.org/wiki/Superf%C3%ADcie
https://pt.wikipedia.org/wiki/Pata
Os átomos de carbono na grafita também são unidos fortemente através 
de ligações covalentes, mas só dentro de um plano, diferentemente da 
rede 3D das ligações do diamante. Estes planos de átomos de carbono 
simplesmente empilham-se uns sobre os outros, sendo as forças de 
união entre os planos, muito fracas. Os planos de átomos de carbono 
podem então deslizar facilmente uns sobre os outros, e por isto a grafita 
é importante lubrificante! 
GRAFITADIAMANTE
Ligação fraca
Ligação forte