A Estrutura dos MateriaisConceitos Gerais

Elementos químicos como materiais

Ouro e prata – uso em joalheria

Alumínio – embalagem para bebidas

Cobre – eletricidade

Carbono – diamante e grafite

..........

Abundancia relativa de elementos

Crosta Terrestre

Mar

Rochas

Corpo humano

Ar

Elementos químicos no mundo

A lista dá uma indicação do riscorelativo para o fornecimento doselementos químicos ou grupos deelementos que precisamos paramanter nossa economia e nossoestilo de vida. A posição de cadaelemento na lista é determinadapor fatores que podem impactarsua oferta, incluindo a abundânciade cada elemento na crostaterrestre, a localização da produçãoe das reservas atuais, e aestabilidade política desses locais.

Elementos químicos no mundo

• Os dados destacam a importância da China namineração mundial, sobretudo nesta área doschamados “minerais tecnológicos.

• O Brasil está presente entre os elementos com sinalvermelho, graças ao nióbio – o país fornece quase atotalidade do nióbio do mundo, um elementoimportante na indústria do aço, eletrônica,supercondutores e até dos experimentos com a fusãonuclear.

• A lista é encabeçada por minerais como as terras raras,grupo da platina, o nióbio e o tungstênio.

• Segundo os organizadores da lista, não há nenhumrisco de esgotamento das reservas de nenhum dosminerais listados, sendo que os maiores riscos aofornecimento são “fatores de risco humanos” –geopolítica e nacionalismo – e acidentes.

http://overbr.com.br/noticias/minerais-tecnologicos-entram-em-sinal-vermelho-de-extincao-brasil-no-meio-deles

Conceitos gerais de química

Tabela periódica – estrutura eletrônica dos átomos

Temperatura de fusão

Energia de ionização EI

Afinidade eletrônica AE

Raio atômico e Raio Iônico

Eletronegatividade

Ligações químicas

Tabela Periodica e temperatura de fusão

Para a temperatura de fusão não existe umatendência de comportamento

Tabela Periódica e temperatura de fusão

Energia de ionização

Energia necessária para remover o elétron mais distante do núcleo de um átomo isolado, no estado gasoso.

Calcular EI – modelo de bohre equação de schrudinger. Z= carga do núcleo e n= número quântico principal

𝑎𝑡𝑚 𝑔 + 𝐸𝐼 → í𝑜𝑛 𝑝𝑜𝑠𝑖𝑡𝑖𝑣𝑜 + 𝑒−

EI=13,6𝑧2

𝑛2

Afinidade eletrônica

Variação da energia (eV) associada ao processo de um átomo isolado no estado gasoso absorver um elétron.

Pode assumir valores positivos ou negativos. Positivos quando libera energia para formação do íon e negativo se absorve energia para a formação do íon

𝑎𝑡𝑚 𝑔 + 𝑒− → í𝑜𝑛 𝑛𝑒𝑔𝑎𝑡𝑖𝑣𝑜

Raio atômico e Raio iônico

Ions positivos tem raio iônico menor que o raio atômico

Ions negativos tem raio iônico maior que o raio atômico

Eletronegatividade

Mede a tendência de interação entre átomos. 𝜒 =𝐼𝐸 + 𝐸𝐴

2

𝜒 =0,31(𝑛+1±𝑐)

𝑟+ 0,5

Tipos de ligação

Usa a eletronegatividade – medir a energia de interação entre átomos A e B

Unidade kJ/mol

Esta relacionado com a energia de dissociação de ligação – Deij

Esta energia corresponde a energia necessária para separar dois átomos ligados.

Quanto maior a diferença de eletronegatifidade entre dois elementos, maior o valor da energia de dissociação da ligação

∆𝐴−𝐵= 96,5(𝜒𝐴 − 𝜒𝐵)2

∆𝐴−𝐵= 𝐷𝐸𝐴−𝐵 − 𝐷𝐸𝐴𝐴 𝐷𝐸𝐵𝐵1/2

Excess bindingenergy

Força de ligação

Ligações primarias

Iônica – elétrons transferidos do átomo mais eletropositivo para o átomo mais eletronegativo. Associado a diferença de eletronegatividade maior que 2,0Exemplo – NaCl, CaF2, MgO

EXERCICIO : Determine a diferença de eletronegatividade para os compostos listados acima.

Ligações primarias

Covalente – elétrons compartilhados entre dois átomos. Associado a diferença de eletronegatividade menor do que 0,4Exemplo – H2 , N2, O2, SiC

O que acontece se a diferença de eletronegatividade está entre 0,4 e 2,0?

EXERCICIO : Determine a diferença de eletronegatividade para os compostos listados acima.EXERCICIO: Calcule o caráter iônico dos compostos listados.

Materiais Cerâmicos – Ligações QuímicaIônica x Covalente

forças de atração UA+- É função da distancia entre antomosA = constante a ser definidam = constante que varia de 1 para ions e 6 para moléculasValor negativo por convenção

Energia de repulsão – é função da distância entre átomosb = constante a ser definidan =expoente de repulsão depende da configuração eletrônica do átomoValor positivo por convenção

ENERGIA DE LIGAÇÃO

FORÇA DE LIGAÇÃO

Usado para achar a distancia interatômica de equilíbrio

Usado para achar a máxima força de interação

ENERGIA e FORÇA

Ligações IONICAS

Energia para formar os ions + energia para manter os dois ions juntos

No equilíbrio

Força de atração entre dois ions

Energia de repulsão eo = permissividade = 8,854 x 10-12 C2/Nm2

e = carga do elétron = 1,6 x 10-19 C Z = numero de cargas positivas e negativasr = distancia entre ions

Ligações IONICAS - NaCl

Para o NaCl

∆𝐸𝑖𝑜𝑛𝑠 = 𝐼𝐸𝑁𝑎 + 𝐸𝐴𝑐𝑙 = 498 − 354 = 144 𝑘𝐽/𝑚𝑜𝑙

𝐹𝐴 =1𝑒 + 1𝑒

4𝜋𝜀0𝑟2

𝑈𝐴,0 = − ∞

𝑟0

𝐹𝐴 𝑑𝑟 =𝑒2

4𝜋𝜀0𝑟0

𝑈𝑅,0 =𝑒2

4𝜋𝜀0𝑛𝑟0

𝑈0 =−𝑒2

4𝜋𝜀0𝑟0+

𝑒2

4𝜋𝜀0𝑛𝑟0+ ∆𝐸𝑖𝑜𝑛𝑠 𝑈0 = 1 −

1

𝑛

−𝑒2

4𝜋𝜀0𝑟0+ ∆𝐸𝑖𝑜𝑛𝑠

n = 8eo = 8,854 x 10-12 C2/Nm2

e = 1,6 x 10-19 C r = 2,36 x10-10

𝑈0 = −371 𝑘𝐽/𝑚𝑜𝑙

Ligações IONICAS – NaCl - solido

𝑈0 = 1 −1

𝑛

−𝑒2

4𝜋𝜀0𝑟0+ ∆𝐸𝑖𝑜𝑛𝑠

𝑈𝐿 = 𝛼𝑀 −1

𝑛

−𝑒2

4𝜋𝜀0𝑟0+ ∆𝐸𝑖𝑜𝑛𝑠

Inclui o conceito da constante de Madelung – depende da estrutura cristalina

Para NaCl – 1,75

𝑈𝐿 = 𝛼1,75 −1

𝑛

−𝑒2

4𝜋𝜀0𝑟0+ ∆𝐸𝑖𝑜𝑛𝑠=-811 kJ/mol

Em geral, a energia aumenta, tornando-se mais negativas diminuindo a distancia interatômicas . Influi diretamente no ponto de fusão

Ligações IONICAS – NaCl - solido

Ligações Covalentes

Teoria de orbitais moleculares – sobreposição de orbitais

Materiais Cerâmicos – Ligações QuímicaForça de ligação

Materiais Cerâmicos – Bandas de energia

Diferença níveis de energia – átomos isolados e conjunto de átomos The effect of distance on the

formation of energybands is illustrated in Figure4.21. The closer the atomsare together the moremarked is the shift inavailable energy states. Thehigher energy states broadenfirst. Broadening of the lowerenergy states, which arecloser to the nucleus, is lessmarked.

Materiais Cerâmicos – Bandas de energia

• In materials science we usually define the highest filled electron energy band when the material is in its groundstate as the valence band.

• The lowest energy band containing unoccupied states when the material is in its ground state is the conductionband. At absolute zero the electrons occupy the lowest available energy states;

• The energy of the highest occupied state is the Fermi energy, EF.• This energy level separates the occupied from the unoccupied electron levels only when the eléctron confi

guration is in its ground state (i.e., at 0 K).• A solid behaves as an insulator if the allowed energy bands are either filled or empty, for then no electrons can

move in an electric field.• Metals always have a partially filled valence band; the Fermi energy is in the middle of the band and this makes

the metals electrical conductors.• In semiconductors and insulators we always have completely filled or completely empty electron bands; the Fermi

energy lies between the bands, and consequently they are not good electrical conductors at ambienttemperatures.

• Classically, the valence and conduction bands in ceramics are well separated, so they are insulators. In perfectinsulators the gap between bands is so large that thermal excitation is insufficient to change the electron energystates, and at all temperatures the conduction band contains essentially zero electrons and the next lower band

of energy is completely full, with no vacant states.

Materiais Cerâmicos – Bandas de energia

Materiais Cerâmicos – Estruturas Cristalinas

Estruturas – arranjo atômico

Calculo do Fator de empacotamento

Calculo da densidade

N – numero de átomos

A – massa atômica do átomo

Vc- volume da celula unitária

Na – Numero de avogrado

EXERCICIO : Qual o fator de empacotamento de estruturas CS, CCC, CFC e HCEXERCICIO: Qual o tamanho dos vazios para CS, CCC, CFC

Atividade para próxima aula

Nos livros de ciência e engenharia de materiais é apresentada uma tabela de numero de coordenaçãoProvar de onde vem os números de relação de raios identificados nestas tabelas