3 - estrutura atômica e ligações nteratômicas

Apresentao do PowerPoint

1CINCIA DOS MATERIAISProf.Dr Jos Maria Ramos dos Santos2ESTRUTURA ATMICA E LIGAES INTERATMICASINTRODUO:

Por que importante estudar?Algumas das importantes propriedades dos materiais slidos dependem dos arranjos geomtricos dos tomos e, tambm, das interaes que existem entre os tomos.

O que vai ser estudado neste captulo?Alguns conceitos fundamentais:

Estrutura atmica;

Configuraes eletrnicas dos tomos;

Tabela peridica;

Os vrios tipos de ligaes interatmicas primrias e secundrias.3ESTRUTURA ATMICA TOMO: a menor partcula que ainda caracteriza um elemento qumico.

Consiste em um ncleo muito pequeno, composto por prtons e nutrons, que circundado por eltrons em movimento.

Eltron: carga eltrica negativa;

Prton: carga eltrica positiva;

Nutron: eletricamente neutro;

Nmero Atmico (Z): igual ao nmero de prtons no interior do tomo; Varia de 1 (Hidrognio - H) e 94 (Plutnio - Pu);

4ESTRUTURA ATMICA

MODELOS ATMICOSModelo atmico de Bohr:

Eltrons orbitam ao redor do ncleo atmico em orbitais distintos, onde a posio de qualquer eltron mais ou menos bem definida em termos de seu orbital;

5ESTRUTURA ATMICA

A energia do eltron quan-tizada, ou seja, aos eltrons permite-se apenas que pos-suam valores de energia es-pecficos;

MODELOS ATMICOSModelo atmico de Bohr:

A energia do eltron pode mudar, mas, para isto ele deve efetuar um salto quntico para um nvel de energia mais elevada (com absoro de energia) ou para um nvel mais baixo (com emisso de energia).

Este modelo representa uma tentativa precoce de descrever os eltrons nos tomos tanto com relao sua posio como da energia.

Ele foi considerado limitado devido a sua incapaci-dade de explicar alguns fenmenos envolvendo os eltrons.

6ESTRUTURA ATMICA MODELOS ATMICOSModelo Mecnico-Ondulatrio:

Um eltron no mais tratado como uma partcula que se move em um orbital distinto;A posio do eltron considerada como sendo a probabilidade de um eltron estar em vrios locais ao redor do ncleo (nuvem eletrnica).

7ESTRUTURA ATMICA

ESTRUTURA ATMICATOMO => Curiosidades:

O dimetro da eletrosfera de um tomo de 10.000 a 100.000 vezes maior que o dimetro de seu ncleo;

Se o ncleo de um tomo fosse do tamanho de umlimocom um raio de 3cm, os eltrons mais afastados estariam cerca de 3kmde distncia.

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ESTRUTURA ATMICA ESTRUTURA ATMICANMEROS QUNTICOS

Os nmeros qunticos descrevem as energias dos eltrons nos tomos e so de enorme relevncia quando se trata de descrever a posio dos eltrons nos tomos.

Existem quatro nmeros qunticos:Nmero quntico principal;

Nmero quntico de momento angular ou azimu-tal;

Nmero quntico magntico;

Nmero quntico despin.

9ESTRUTURA ATMICA NMEROS QUNTICOS

Estes quatro nmeros qunticos, alm de se com-plementarem, nos permitem fazer uma descrio completa dos eltrons nos tomos. Eles podem nos fornecer:onvel principalde energia do eltron; osubnvel de energia;a orientao espacial da nuvem eletrnica e;a orientao do prprio eltron na nuvem.

Cada combinao dos quatro nmeros qunticos nica para um eltron.

10ESTRUTURA ATMICA ESTRUTURA ATMICANMEROS QUNTICOS

NUMERO QUNTICO PRINCIPAL (n):

Indica o nvel de energia do eltron no tomo;

Est relacionado distancia de um eltron a partir do ncleo, ou a sua posio;

Entre os tomos conhecidos em seus estados fundamentais, n varia de 1 a 7;

O nmero mximo de eltrons em cada nvel dado por 2.n2, mas para os tomos conhecidos a distribuio eletrnica ocorre de acordo com a figura:


NUMERO QUNTICO PRINCIPAL (n):

12ESTRUTURA ATMICA

ESTRUTURA ATMICANMEROS QUNTICOS

NUMERO QUNTICO SECUNDRIO OU AZIMU-TAL (l):

Indica a energia do eltron no subnvel;

Entre os tomos conhecidos em seus estados fundamentais, l varia de 0 a 3 e esses subnveis so representados pelas letrass, p, d, f,respectivamente.

O nmero mximo de eltrons em cada subnvel dado por 2 (2 .l + 1):

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ESTRUTURA ATMICA ESTRUTURA ATMICANMEROS QUNTICOS

NUMERO QUNTICO MAGNTICO (m):

Determina o nmero de estado energtico para cada subcamada , ou seja, indica a energia do eltron no orbi-tal;

m varia de l a +l.

Para uma subcamada s existe um nico estado energtico, enquanto para as subcamadas p, d e f existem, respectivamente 3, 5 e 7 estados ou orbitais;


NUMERO QUNTICO SPIN (mS):

Indica o momento de rotao dos eltrons;

Deve est orientado para cima ou para baixo com dois valores possveis (+1/2 e -1/2) os quais indicam o sentido de rotao, podendo ser horrio ou anti-horrio, respec-tivamente.

15ESTRUTURA ATMICA ESTRUTURA ATMICA

16 NMEROS QUNTICOS

RESUMO ESTRUTURA ATMICA ESTRUTURA ATMICACONFIGURAES ELETRNICAS

PRINCPIO DE PAULI:

utilizado para se determinar a maneira como os estados ou orbitais so preenchidos com eltrons.

Cada orbital ou estado eletrnico pode comportar um mximo de 2 eltrons com Spins opostos.

Neste sentido, as subcamadas s, p, d e f podem acomodar, cada uma, um total de 2, 6, 10 e 14 eltrons, respectivamente;

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ESTRUTURA ATMICA ESTRUTURA ATMICA18 Diagrama de PAULING:

Descreve como ocorre a distribuio eletrnica dos n-veis e subnveis em ordem crescente de energia.

Um subnvel deve ser com-pletamente preenchido para depois iniciar o seguinte.

ESTRUTURA ATMICA

ESTRUTURA ATMICACONFIGURAO ELETRNICA

A configurao eletrnica ou a estrutura de um tomo representa a maneira segundo o qual estes orbitais so ocupados (Princpio da excluso de Pauli);

Na notao convencional, o nmero de eltrons em cada subcamada indicado por um ndice sobrescrito aps a designao da camada e subcamada;

19ESTRUTURA ATMICA ESTRUTURA ATMICACONFIGURAO ELETRNICAExs: Para o ferro 26Fe, esta a distribuio eletrnica: 1s22s22p63s23p64s23d6 , onde o ndice representa o nmero de eltrons em cada subnvel. importante lembrar que para tomos neutros, o nmero de eltrons igual ao de prtons. Para oon(tomo que recebeu ctions - ou perdeu nions - eltrons)26Fe2+,temos a seguinte distribuio eletrnica:

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ESTRUTURA ATMICA ESTRUTURA ATMICACONFIGURAO ELETRNICA

Eltrons de Valncia: So aqueles que ocupam a camada preenchida mais externa.IMPORTNCIA:

Participam das ligaes entre os tomos para formar os agregados atmicos e moleculares;

Muitas das propriedades fsicas e qumicas dos slidos esto baseadas nesses eltrons de valncia.

EXs:

(26Fe ) 1s22s22p63s23p6 4s2 3d621ESTRUTURA ATMICA ESTRUTURA ATMICACONFIGURAO ELETRNICA

Alguns tomos possuem o que conhecido por configuraes eletrnicas estveis => Os orbitais dentro da camada eletrnica mais externa ou de valncia esto completamente preenchidos.

Normalmente, isto corresponde a ocupao dos orbitais s e p para a camada mais externa por um total de 8 eltrons.10Ne => 1s22s22p618Ar => 1s22s22p63s23p636Kr => 1s22s22p63s23p64s23d10 4s2 4p6

Estes elementos so os gases inertes ou nobres (virtualmente no reativos).

22ESTRUTURA ATMICA ESTRUTURA ATMICATABELA PERIDICA

um agrupamento dos elementos qumicos existentes;

Cada elemento foi classificado na TP de acordo com a sua configurao eletrnica;

Os elementos esto posicionados em ordem crescente de nmero atmico, em 7 fileiras horizontais chamadas PERODOS.

O arranjo tal que todos os elementos localizados em uma dada coluna ou grupo possuem estruturas semelhantes dos eltrons de valncia, bem como propriedades fsicas e qumicas semelhantes.23ESTRUTURA ATMICA ESTRUTURA ATMICA

24TABELA PERIDICAESTRUTURA ATMICA ESTRUTURA ATMICAEletropositividade: Tendncia de um elemento ceder seus poucos eltrons de valncia para se tornarem ons carregados positivamente;Ex: Os metais (a maioria dos elementos da TP se enquadram sob a classificao de metal.25TABELA PERIDICAESTRUTURA ATMICA

ESTRUTURA ATMICAEletronegatividade: Tendncia de um elemento em aceitar eltrons para formar ons carregados negativamente. Algumas vezes eles compartilham eltrons com outros tomos;Esto situados ao lado direito da TB.26ESTRUTURA ATMICA TABELA PERIDICA

ESTRUTURA ATMICANota: Os tomos apresentam maior tendncia em aceitar eltrons se as suas camadas mais externas estiverem quase totalmente preenchidas e se elas estiverem mais prximas do ncleo.27TABELA PERIDICAESTRUTURA ATMICA ESTRUTURA ATMICALIGAES QUMICASO que ? Unio entre tomos.Como ocorre?Regra do Octeto: A estabilidade de um tomo est no fato de ele possuir 8 eltrons na sua ltima camada (ou 2, em se tratando da camada K).28

Estes elementos so gases na condio ambiente, chamados gases nobres.

Um tomo adquire estabilidade quando tem configurao eletr-nica semelhante dos gases nobres.

LIGAES INTERATMICAS pela unio com outros tomos que ele adquire essa configurao estvel.

Essa unio entre tomos cha-mada de ligao qumica.ESTRUTURA ATMICALIGAES QUMICAS29LIGAES INTERATMICAS

INICACOVALENTEMETLICAESTRUTURA ATMICALIGAO INICA

Formam-se ligaes inicas quando elementos eletropositivos (METAIS) reagem com elementos eletronegativos (AMETAIS).

Ocorre pela transferncia de eltrons.30

LIGAES INTERATMICASESTRUTURA ATMICALIGAO INICA

Ex: NaCl => Cloreto de Sdio.

11Na => 1s2 2s2 2p6 3s1 => Um tomo de Sdio pode assumir a estrutura eletrnica do Nenio pela transferncia do seu nico eltron de valncia para o tomo de Cloro.

17Cl => 1s2 2s2 2p6 3s2 3p5 => Aps esta transferncia o on Cloro adquire uma carga negativa e uma configurao eletrnica idntica do Argnio.

NOTA: No Cloreto de Sdio, todo Sdio e todo Cloro existem como ons.

31LIGAES INTERATMICASESTRUTURA ATMICALIGAO INICA

Ex: NaCl => Cloreto de Sdio.

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LIGAES INTERATMICASESTRUTURA ATMICALIGAO INICA

chamada NO-DIRECIONAL, isto , a magnitude da ligao igual em todas as direes ao redor do on.

Para que materiais inicos sejam estveis, em um arranjo tridimensional todos os ons positivos devem possuir ons carregados negativamente como seus visinhos mais prximos, e vice-versa

a ligao predominante nos materiais cermicos;

Apresentam energias de ligao que geralmente variam na faixa entre 600 e 1500 kJ/mol. So relativamente altas => Temperatura de fuso elevada. Ex: NaCl(P.F. = 801 C e P.E. = 1465 C).

33LIGAES INTERATMICASESTRUTURA ATMICALIGAO INICA

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Os materiais inicos so duros e quebradios e, alm disso, so bons isolantes eltricos e trmicos;

Essas propriedades so uma consequncia direta das com-figuraes eletrnicas e/ou da natureza das ligaes inicas.LIGAES INTERATMICASESTRUTURA ATMICALIGAO INICA

35LIGAES INTERATMICAS

A ligao inica resultado da atrao coulombiana entre as espcies com cargas opostas.A foras de atrao coulombi-ana segue a seguinte equao:

Onde:FC = fora de atrao coulombiana entre 2 ons de cargas opostas;a = distncia de separao entre os centros dos ons;K = K0(Z1.q)(Z2.q)

ESTRUTURA ATMICALIGAO INICA


A fora de atrao coulombiana aumenta drasticamente medi-da que a distncia de separao entre centros de ons adjascentes diminui.

Os comprimentos de ligaes no zero devido a uma fora repulsiva oposta que ocorre pela sobreposio dos campos eltricos com carga negativa, alm dos ncleos carregados positi-vamente.

O ncleo de um on atrai eltrons de outro on.As nuvens de eltrons do on repelem-se quando esto suficien-temente perto.Estas duas foras iro equilibrar-se quando a distncia de equi-lbrio interatmico, a0, for atingida. Quando isto acontecer, uma ligao ser formada.

Fora vs. distncia interatmica para um par de ons com cargas opostas.

37LIGAES INTERATMICASESTRUTURA ATMICA38 Tudo tende a uma situao de estabilidade maior (Lei univer-sal);

A estabilidade de um corpo aumenta com a diminuio da quantidade de energia desse corpo;

Exs: 2 carros (um 20km/h e outro a 180km/h). O 2 tem maior velocidade => maior energia => maior instabilidade.LIGAES INTERATMICAS

FORA INICA PARA UM PAR DE ONS Z1, Z2 = Nmero de eltrons retirados ou adicionados durante a formao de ons. e = Carga do eltron, a0 = Distncia de separao interatmica 0 = Permeabilidade (8.85 x 10-12C2/Nm2)

(n e b so constantes)

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Fora Interatmica - ExemploCalcular a fora de atrao entre os os Na+ e Cl-. Dados: Z1 = +1 para Na+; Z2 = -1 para Cl- e = 1.60 x 10-19 C 0 = 8.85 x 10-12 C2/Nm2 a0 = A soma dos raios dos ons Na+ (0,095nm) e Cl- (0,181nm): a0 = 0.095 nm + 0.181 nm a0 = 2.76 x 10-10 m

Na+Cl-a0

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ESTRUTURA ATMICALIGAO COVALENTE

Ocorre por compartilhamento de eltron entre tomos adjacentes;

Dois tomos ligados covalentemente iro cada um contribuir com pelo menos 1 eltron para a ligao e os eltrons compartilhados podem ser considerados como pertencentes a ambos os tomos;

Exs:

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LIGAES INTERATMICASESTRUTURA ATMICALIGAO COVALENTE

Ex: Metano (CH4)O tomo de Carbono possui 4 eltrons de valncia enquanto que cada 1 dos 4 tomos de Hidrognio possui apenas 1 eltron em sua camada mais externa.

O Hidrognio pode adquirir uma configurao eletrnica de Hlio (2 eltrons de valncia) quando um tomo de carbono compartilhar um eltron com ele.

O tomo de Carbono possui, aps o compartilhamento, 4 pares de eltrons, ou seja, 8 eltrons de valncia, possuindo a estrutura do Nenio.

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LIGAES INTERATMICASESTRUTURA ATMICALIGAO COVALENTE

A ligao covalente DIRECIONAL, isto , ela ocorre entre tomos especficos e pode existir somente na direo entre um tomo e o outro que participa do compartilhamento de eltrons;

Podem ser muito fortes, como no DIAMANTE que muito duro e possui uma temperatura de fuso muito alta (>3550C), ou elas podem ser muito fracas, como ocorre com o bismuto (Tf=270C);

Ligaes tpicas dos materiais POLIMRICOS (apresentam uma longa cadeia de tomos de carbono como estrutura molecular);

43LIGAES INTERATMICASESTRUTURA ATMICALIGAO METLICALigao encontrada nos metais e sua ligas;Ocorre entre: METAL +METAL;Os materiais metlicos possuem 1, 2 ou, no mximo 3 eltrons de valncia;Estes eltrons de valncia no se encontram ligados a qualquer tomo em particular no slido e encontram-se mais ou menos livres para se movimentar ao longo de todo metal;Eles podem ser considerados como pertencendo ao metal como um todo, ou como se estivessem formando um mar de eltrons ou uma nuvem de eltrons;Os eltrons restantes (os que no so de valncia), juntamente com os ncleos atmicos, formam o que chamamos de ncleos inicos.


ESTRUTURA ATMICALIGAO METLICA

Os eltrons livres protegem os ncleos inicos carregados positivamente das foras eletrostticas mutuamente repulsivas que eles iriam exercer uns sobre os outros. => Apresenta carter NO-DIRECIONAL.

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LIGAES INTERATMICASESTRUTURA ATMICALIGAO METLICA

Exs:Ao constitudo por Fe (ferro) e C (carbono).



Exs:Ao inoxidvel constitudo por Fe (ferro), C (carbono), Cr (cromo) e Ni (nquel).



Exs:Ouro 18k constitudo por 75% de Au (ouro) e 25% de Ag (prata) e/ou Cobre. J o ouro 24K constitudo 100% de ouro.



Exs:Bronze constitudo por Cu (cobre) e Sn (estanho).



Exs:Lato constitudo por Cu (cobre) e Zn (zinco).


3 - estrutura atômica e ligações nteratômicas

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