2- ligacoes quimicas

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ASSUNTO 2. Ligao qumica nos slidos - Energias e foras de ligaes- Ligaes interatmicas primrias - Ligao de Van der Waals

LIGAES QUMICAS EM MATERIAIS SLIDOS (Breve Reviso)Por qu estudar?O tipo de ligao interatmica geralmente explica a propriedade do material. Exemplo: o carbono pode existir na forma de grafite que mole, escuro e gorduroso e na forma de diamante que extremamente duro e brilhante. Essa diferena nas propriedades diretamente atribuda ao tipo de ligao qumica que encontrada no grafite e no no diamante.Veja mais informaes no site www.cimm.com.br (material didtico)

LIGAES QUMICAS EM MATERIAIS SLIDOSOs elementos se ligam para formar os slidos para atingir uma configurao mais estvel: oito eltrons na camada mais externa A ligao qumica formada pela interao dos eltrons de valncia atravs de um dos seguintes mecanismos: - Ganho de eltrons - Perda de eltrons - Compartilhamento de eltrons

TIPOS DE LIGAESMetlica Covalente Inica Van der WaalsA eletronegatividade dos tomos o que determina o tipo de ligao

FORAS E ENERGIAS DE LIGAO

FORA E DISTNCIA DE LIGAESA distncia entre 2 tomos determinada pelo balano das foras atrativas e repulsivas Quanto mais prximos os tomos maior a fora atrativa entre eles, mas maior ainda so as foras repulsivas devido a sobreposio das camadas mais internas Quando a soma das foras atrativas e repulsivas zero, os tomos esto na chamada distncia de equilbrio.

FORA DE LIGAES E RIGIDEZA inclinao da curva no ponto de equilbrio d a fora necessria para separar os tomos sem promover a quebra da ligao. Os materiais que apresentam uma inclinao grande so considerados materiais rgidos,. Ao contrrio, materiais que apresentam uma inclinao mais tnue so bastante flexveis. A rigidez e a flexibilidade tambm esto associadas com mdulo de elasticidade (E) que determinado da inclinao da curva tensoxdeformao obtida no ensaio mecnico de resistncia trao.

Inclinao fornece Mdulo EDeformao medida (I)

ENERGIA DE LIGAOAlgumas vezes mais conveniente trabalhar com energia (potencial) do que foras de ligaes. Matematicamente, energia (E) e fora de ligaes (F) esto relacionadas por : E= F.dr A menor energia o ponto de equilbrio

Quanto mais profundo o poo de potencial maior a temperatura de fuso do material Devido as forcas de repulso aumentarem muito mais com a aproximao dos tomos a curva no simtrica. Por isso, a maioria dos materiais tendem a se expandir quando aquecidos

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ENERGIA DE LIGAOQuando energia fornecida a um material, a vibrao trmica faz com que os tomos oscilem prximos ao estado de equilbrio. Devido a assimetria da curva de energia de ligaoxdistncia interatmica, a distncia mdia entre os tomos aumenta com o aumento da temperatura. Ento, quanto mais estreito e mais profundo o mnimo de potencial menor o coeficiente de expanso trmica do material

TIPOS DE LIGAESMetlicaCovalente Inica Van der Waals

Eltrons de valncia

tomo+eltrons das camadas mais internas

Forma-se com tomos de baixa eletronegatividade (apresentam no mximo 3 eltrons de valncia) Ento, os eltrons de valncia so divididos com todos os tomos (no esto ligados a nenhum tomo em particular) e assim eles esto livres para conduzir A ligao metlica no direcional porque os eltrons livres protegem o tomo carregado positivamente das foras repulsivas eletrostticas A ligao metlica geralmente forte (um pouco menos que a inica e covalente)= 20-200 Kcal/mol Ex: Hg e W

TIPOS DE LIGAESCovalente Metlica Inica Van der WaalsOs eltrons de valncia so compartilhados Forma-se com tomos de alta eletronegatividade A ligao covalente direcional e forma ngulos bem definidos (apresenta um certo grau de ligao inica) A ligao covalente forte = 125-300 Kcal/mol Esse tipo de ligao comum em compostos orgnicos, por exemplo em materiais polimricos e diamante.

Ex: metano (CH4)

Figura copiada do material do Prof. Sidnei Paciornik do Departamento de Cincia dos Materiais e Metalurgia da PUC-Rio

TIPOS DE LIGAESInicaMetlica Covalente Van der WaalsOs eltrons de valncia so transferidos entre tomos produzindo ons Forma-se com tomos de diferentes eletronegatividades (um alta e outro baixa) A ligao inica no direcional, a atrao mtua A ligao forte= 150-300 Kcal/mol (por isso o PF dos materiais com esse tipo de ligao geralmente alto) A ligao predominante nos materiais cermicos inica

LIGAO INICAAs foras atrativas eletrostticas entre os tomos no-direcional os tomos num material inico arranjam-se de forma que todos os ons positivos tm como vizinho mais prximo ons negativos, sendo as foras atrativas igual em todas as direes. A magnitude da fora obedece a Lei de Coulomb

Figura copiada do material do Prof. Sidnei Paciornik do Departamento de Cincia dos Materiais e Metalurgia da PUC-Rio

FORAS DE ATRAO E REPUSO ENVOLVIDAS EM SLIDOS INICOS

FA= -A/r2 FR= B/rn A, B e n so valores que dependem do sistema inico em questo

LEI DE COULOMBForas atrativas

FAr a distncia interatmica z1 e z2 so as valncias dos 2 tipos de ons e a carga do eltron (1,602x10-19 C)

I0 a permissividade do vcuo (8,85x10

-12

F/m)

CONSIDERAES SOBRE LIGAO INICA E COVALENTEMuito poucos compostos exibem ligao inica e covalente puras A maioria das ligaes inicas tem um certo grau de ligao covalente e vice versa transferem e compartilham eltrons O grau do tipo de ligao depende da eletronegadividade dos tomos constituintes. Quanto maior a diferena nas eletronegatividades mais inica a ligao Quanto menor a diferena nas eletronegatividades mais covalente a ligao

CONSIDERAES SOBRE LIGAO INICA E COVALENTEFrao de ligao covalente= onde (E a diferena nas eletronegatividades dos tomos Ex: SiO2Eletronegatividade do Si= 1,8 Eletronegatividade do O= 3,5 Frao de ligao covalente= 0,486= 48,6%

TIPOS DE LIGAESVan der WaalsMetlica Covalente InicaSo ligaes secundrias ou fsicas A polarizao (formao de diplos) devido a estrutura da ligao produz foras atrativas e repulsivas entre tomos e molculas A ligao de van der Waals no direcional A ligao fraca< 10 Kcal/mol Exemplo desse tipo de ligao acontece entre tomos de H e

em estrut. moleculares e molc. polares

A ligao gerada por pequenas assimetria na distribuio de cargas

LIGAO DE VAN DER WAALS EXEMPLO: MOLCULA DE GUA g u aH

o

H

A molcula de gua apresenta polarizao de carga (formao de diplos): positiva proxima aos tomos de H e negativa onde os eltrons de valncia do oxignio esto localizados Isto produz foras de van der Waals entre as molculas, fazendo com que as mesmas tendam a alinhar-se os plos negativos com positivos. Como o angulo de ligao 109,5o, as molculas formam uma estrutura quase hexagonal (veja figura) O gelo tem estrutura hexagonal devido a este tipo de ligao. menos denso por isso flutua sobre a gua.

DIAMANTE

GRAFITA Ligao forte Ligao fraca

Os tomos de carbono na grafita tambm so unidos fortemente atravs de ligaes covalentes, mas s dentro de um plano, diferentemente da rede 3D das ligaes do diamante. Estes planos de tomos de carbono simplesmente empilham-se uns sobre os outros, sendo as foras de unio entre os planos, muito fracas. Os planos de tomos de carbono podem ento deslizar facilmente uns sobre os outros, e por isto a grafita importante lubrificante!

NANOTUBOS DE CARBONO

Foi descoberto em 1991 por um japons So 100 mil vezes mais finos que um fio de cabelo A espessura de apenas um tomo O dimetro de cerca de um nanmetro a bilionsima parte do metro Possuem a maior resistncia mecnica dentre todos os materiais conhecidos no quebram nem deformam quando dobrados ou submetidos alta presso. Destacam-se tambm como dos melhores condutores de calor que existem e, para completar, podem ser capazes de transportar eletricidade

Fonte: B.Piropo