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Propriedades Gerais dos Metais

• São maleáveis e dúcteis

• São excelentes condutores de eletricidade e calor.

• Apresentam brilho metálico característico.

• Têm altos índices de reflexão.

• Suas estruturas cristalinas são invariavelmente do

tipo cúbico de empacotamento compacto, hexagonal

compacto, ou cúbico de corpo centrado.

• Formam ligas com facilidade.

LIGAÇÃO METÁLICA

Quadro 1: Condutividade Elétrica de Vários Sólidos

Substância Tipo de

Ligação

Condutividade

(ohm. cm-1)

Prata Metálica 6,3 x 105

Cobre Metálica 6,0 x 105

Sódio Metálica 2,4 x 105

Zinco Metálica 1,7 x 105

NaCl Iônica 1,0 x 10-7

Diamante Covalente 1,0 x 10-14

Quartzo Covalente 1,0 x 10-14

Elemento eletropositivo + Elemento eletronegativo → ligação iônica

Elemento eletronegativo + Elemento eletronegativo → ligação

covalente

Elemento eletropositivo + Elemento eletropositivo → ligação

metálica.

Estes tipos de ligações são representações idealizadas.

Por exemplo, o LiCl é considerado um composto

iônico, mas ele é solúvel em álcool, o que sugere

um certo caráter de ligação covalente.

TIPOS DE LIGAÇÕES

TABELA 1 : INTERAÇÕES ENTRE AS ESPÉCIES QUÍMICAS

ESPÉCIE QUÍMICA INTERAÇÃO INTENSIDADE

Átomos Ligação Covalente muito forte

Íons Ligação Iônica muito forte

Íon-Molécula polar Íon-Dipolo forte

Molécula polar-Molécula

polar

Dipolo-Dipolo média

Moléculas Ligação de Hidrogênio média

Todas Forças de Dispersão de

London

fraca

A ligação iônica envolve a transferência completa de um ou mais elétrons de um átomo para outro.

A ligação covalente envolve em geral o compartilhamento de um par de elétrons entre dois átomos.

Na ligação metálica metálica os elétrons de valência são livres para se deslocar através de todo o cristal.

COMPARAÇÃO ENTRE AS LIGAÇÕES

TRANSIÇÃO ENTRE OS PRINCIPAIS TIPOS DE LIGAÇÃO: IÔNICA, COVALENTE E METÁLICA

AS LIGAÇÕES QUÍMICAS SÃO INTERMEDIÁRIAS ENTRE ESSES TRÊS TIPOS E POSSUEM ALGUMAS CARACTERÍSTICAS DE DUAS DELAS, AS VEZES DAS TRÊS LIGAÇÕES.

I2 - ClF – OF2 - NF3 – CCl4 – BF3 – BeF2 – Na2O

Li –Na3Bi–Na3Sb – Na3As – Na3P – Na3N – Na2O– CsF

Lin – Agn – Snn – Asn – Ten – Sn – I2

LIGAÇÃO METÁLICA

LIGAÇÃO METÁLICA

Os metais são formados por íons positivos

empacotados, normalmente segundo um

dos três arranjos

Cúbico de corpo

centrado:

elementos do

grupo 1 e Bário

cccCúbico de face centrada

:Cu e Ca cfc ou acc

Agrupamento compacto

hexagonal: Be e Mg

ach

Modelo de Mar de Elétrons para a Ligação Metálica

• Utilizamos um modelo deslocalizado para os elétrons em um metal.

– Os cátions metálicos estão imersos num mar de elétrons.

– Nenhum elétron é localizado entre dois átomos de metal.

– Assim, os elétrons podem fluir livremente através do metal.

LIGAÇÃO METÁLICA

– Sem quaisquer ligações definidas, os metais são

fáceis de deformar (são maleáveis e dúcteis).

• Problemas com o modelo do mar de elétrons:

– À medida que o número de elétrons aumenta, a

força da ligação deveria aumentar e o ponto de

fusão deveria aumentar.

LIGAÇÃO METÁLICA

LIGAÇÃO METÁLICAILUSTRAÇÃO DO MODELO DO MAR

DE ELÉTRONS

LIGAÇÃO METÁLICA – OUTRA ILUSTRAÇÃO DO MODELO DO MAR DE ELÉTRONS

Na ilustração esquemática do modelo do mar de

elétrons cada esfera é um íon metálico carregado

positivamente.

Nesse modelo o metal é visualizado como uma rede

de cátions metálicos imersos em um mar de

elétrons como ilustrado na figura anterior.

LIGAÇÃO METÁLICA – MODELO DO MAR DE ELÉTRONS

O modelo do mar de elétrons não explica adequada-

mente todas as propriedades.

De acordo com o modelo, a força da ligação entre os

átomos metálicos deveria aumentar à medida que o

número de elétrons de valência aumenta,

aumentando consequentemente o PF à medida que

o número de elétrons de valência aumenta.

LIGAÇÃO METÁLICA – MODELO DO MAR DE ELÉTRONS

DIFICULDADE:

Entretanto, os metais do grupo 6 (Cr, Mo,W), que

estão no centro dos metais de transição, têm os mais

altos PF em seus respectivos períodos.

LIGAÇÃO METÁLICA – MODELO DO MAR DE ELÉTRONS

LIGAÇÃO METÁLICA – MODELODO MAR DE ELÉTRONS

Tabela 2 - Pontos de Fusão de Alguns Metais de Transição

• A ligação deslocalizada requer que os orbitais

atômicos em um átomo interajam com orbitais

atômicos de átomos vizinhos.

• Exemplo: os elétrons da grafita estão deslocalizados

sobre um plano inteiro, as moléculas de benzeno têm

elétrons deslocalizados sobre um anel.

LIGAÇÃO METÁLICA

Modelo do Orbital Molecular Para osMetais

• Lembre-se: o número de orbitais moleculares é igual

ao número de orbitais atômicos.

• Nos metais há um número muito grande de orbitais.

LIGAÇÃO METÁLICA

Modelo do Orbital Molecular Para osMetais

OS ELÉTRONS PI DESLOCALIZADOS

NO ANEL BENZÊNICO

• À medida que o número de orbitais aumenta,

sua diferença de energia diminui e eles

formam uma banda contínua de estados de

energia permitidos.

• O número de elétrons não preenche

completamente a banda de orbitais.

LIGAÇÃO METÁLICA

Modelo do Orbital Molecular Para osMetais

• Conseqüentemente, os elétrons podem ser

promovidos para bandas de energia

desocupadas.

• Uma vez que as diferenças de energia entre os

orbitais são pequenas, a promoção de elétrons

ocorre com um pequeno gasto de energia.

LIGAÇÃO METÁLICA

Modelo do Orbital Molecular Para osMetais

•

Orbitais moleculares ligantes

Orbital molecular ligante

Orbital molecular antiliganteOrbitais atômicos

FORMANDO ORBITAIS MOLECULARES A PARTIR DE ORBITAIS

ATÔMICOS

LIGAÇÃO METÁLICAModelo do Orbital Molecular Para os

Metais

A ilustração anterior mostra que a medida que o

número de orbitais moleculares aumenta diminui a

separação energética entre estes orbitais.

Nos metais a interação de um número muito grande

de orbitais forma uma banda aproximadamente

contínua de orbitais moleculares deslocalizados

por toda a rede metálica.

O número de elétrons disponível não preenche

completamente esses orbitais.

LIGAÇÃO METÁLICA Modelo do Orbital Molecular Para os

Metais

• Ao movermos ao longo da série de metais de

transição, a banda antiligante começa a ficar

preenchida.

• Desta forma, a primeira metade da série de

metais de transição tem apenas interações

ligante-ligante, a segunda metade tem interações

ligante-antiligante.

LIGAÇÃO METÁLICA Modelo do Orbital Molecular Para os

Metais

• Espera-se que o meio da série de metais de

transição tenha os pontos de fusão mais altos.

• O intervalo de energia entre as bandas é

chamado de intervalo de bandas, nível proíbido

ou lacuna de banda.

LIGAÇÃO METÁLICAModelo do Orbital Molecular Para os

Metais

ISOLANTES, CONDUTORES E SEMICONDUTORES INTRÍNSECOS

Tabela 3 :

ISOLANTES, CONDUTORES ESEMICONDUTORES INTRÍNSECOS

Banda de Banda de Banda de

Banda deBanda de Banda de

Grande lacuna

entre as bandas Pequena lacuna

entre as bandas

Ex: SilícioEx: LítioEx: Diamante

A condutividade elétrica de um semicondutor pode ser

modificada adicionando-se pequenas quantidades de

outras substâncias.

Esse processo é denominado dopagem.

Consideremos o que acontece quando o Si é dopado

com elementos do grupo 15 como P, As, Sb ou Bi.

Os átomos de P substitui o Si em posições aleatórias

na estrutura.

Entretanto o P possui 5 elétrons de valência por átomo,

enquanto o Si possui 4 elétrons de valência.

SEMICONDUTORES EXTRÍNSECOS

Em um semicondutor do tipo “n” (por exemplo Si

dopado com As) um nível doador está próximo da

banda de condução em termos de energia.

Em um semicondutor do tipo “p” ( por exemplo Si

dopado com Ga) a condutividade elétrica é devida a

um nível receptor ser populado termicamente o que

deixa vazios (buracos positivos) na banda inferior

SEMICONDUTORES EXTRÍNSECOS

Semicondutores Extrínsecos

Os semicondutores extrínsecos contêm dopantes; um

dopante é uma impureza introduzida em um

semicondutor em quantidades mínimas para reforçar

a sua condutividade elétrica.

SEMICONDUTORES EXTRÍNSECOS

Semicondutores Íntrínsecos:

Se um material se comporta como um semicondutor

sem a adição de dopantes, ele é um semicondutor

intrínseco.

NÍVEL DE FERMI

O nível de energia do orbital mais alto ocupado em um

metal no zero absoluto é chamado nível de Fermi

SEMICONDUTORES INTRÍNSECOS

SEMICONDUTORES INTRÍNSECOS E EXTRÍNSECOS

BANDA DE

CONDUÇÃO

BANDA DE

VALÊNCIA

Nível doador

Nível receptor

Silício puro

Silício

dopado com

Fósforo .

Semicondutor

do tipo “n”

Silício

dopado com

Gálio.

Semicondutor

do tipo “p”

BANDA DE

CONDUÇÃO

INTRÍNSECO EXTRÍNSECO EXTRÍNSECO

No silício puro (semicondutor intrínseco) os elétrons

da banda de valência apenas preenchem a banda de

energia permitida de mais baixa energia.

No Si dopado com P (semicondutor extrínseco) o

excesso de elétrons ocupa os orbitais de mais baixa

energia na banda de condução. Esses elétrons são

capazes de conduzir corrente elétrica.

SEMICONDUTORES INTRÍNSECOS E EXTRÍNSECOS

No Si dopado com Ga ( semicondutor extrínseco) não

existem elétrons em número suficiente para ocupar

completamente a banda de valência. A presença de

orbitais vazio nessa banda permite a passagem de

corrente.

SEMICONDUTORES EXTRÍNSECOS

Se o Si é dopado com um elemento do grupo 13 como

o Ga, In e Tl , a banda de valência está preenchida

de maneira incompleta porque o Ga, In e Tl tem 3

elétrons na camada de valência.

Nesse caso os elétrons podem mover-se dos orbitais

moleculares ocupados para aqueles que estão vazios

na banda de valência.

SEMICONDUTORES EXTRÍNSECOS

O Si dopado com Ga, In ou Tl é chamado

semicondutor do tipo “p” porque esta dopagem cria

sítios vagos de elétrons que podem ser tratados

como buracos positivos no sistema.

SEMICONDUTORES EXTRÍNSECOS

Uma liga é uma mistura íntima ou, em certos casos,

um composto de dois ou mais metais, ou metais e

não metais.

A liga melhora propriedades físicas como a resistência

corrosão ao calor, a dureza, a maleabilidade e

dutilidade do material.

LIGAS

• Os metais puros e as ligas têm propriedades físicas diferentes.

• Na joalheria, usa-se uma liga de ouro e cobre (a liga é bastante dura; o ouro puro é muito macio).

• Ligas de Solução são misturas homogêneas.

• Ligas Heterogêneas: os componentes não estão dispersos uniformemente (por exemplo, aço de perlita tem duas fases: Fe quase puro e cementita, Fe3C).

LIGAS

QUADRO 2 - ALGUMAS LIGAS COMUNS

• .

ELEMENTO

PRIMÁRIO

NOME DA LIGA COMPOSIÇÃO EM

MASSA

BISMUTO METAL DE

MADEIRA

50% Bi, 25% Pb,

12,5% Sn, 12,5% Cd

COBRE LATÃO AMARELO 67% Cu, 33% Zn

FERRO AÇO INOXIDÁVEL 80,6 Fe, 0,4%C,

18% Cr, 1% Ni

CHUMBO SOLDA DE

CHUMBO

67% Pb, 33% Sn

PRATA PRATA ESTERLINA 92,5% Ag, 7,5% Cu

Existem dois tipos de ligas de solução :

– Liga substitucional (os átomos do soluto tomam

as posições do solvente);

– Liga intersticial (o soluto ocupa sítios

intersticiais na rede metálica).

• Nas ligas substitucionais:

– os átomos devem ter raios atômicos

semelhantes, e características de ligação

química.

– Um exemplo é a prata esterlina.

LIGAS DE SOLUÇÃO

• Nas ligas intersticiais:

– um elemento deve ter um raio

significativamente menor do que o outro (para

que caiba no sítio intersticial), por exemplo,

um não-metal.

– A liga é bem mais forte do que o metal puro

(ligação fortalecida entre não-metal e metal).

– Exemplo: aço (contém até 3% de carbono).

LIGAS DE SOLUÇÃO

• NA LIGA HETEROGÊNEA OS

COMPONENTES NÃO ESTÃO DISPERSOS

UNIFORMEMENTE.

• EM GERAL, AS PROPRIEDADES DAS LIGAS

HETEROGÊNEAS DEPENDEM NÃO APENAS

DA COMPOSIÇÃO SÃO TAMBÉM

DEPENDENTES DA MANEIRA PELA QUAL O

SÓLIDO É FORMADO A PARTIR DA

MISTURA FUNDIDA.

LIGAS HETEROGÊNEAS

– O RESFRIAMENTO RÁPIDO LEVA A

PROPRIEDADES DISTINTAS DAQUELAS

QUE SÃO OBTIDAS PELO

RESFRIAMENTO LENTO.

LIGAS HETEROGÊNEAS

LIGA SUBSTITUCIONAL A ESQUERDA E INTERSTICIAL A DIREITA

LIGA SUBSTITUCIONAL LIGA INTERSTICIAL

OS COMPOSTOS INTERMETÁLICOS SÃO

LIGAS HOMOGÊNEAS QUE TÊM

PROPRIEDADES E COMPOSIÇÕES

DEFINIDAS.

– Ex: CuAl2, MgZn2, Cu3Au, NaTl, Na5Zn21.

– OUTROS EXEMPLOS : Ni3Al → PRINCIPAL

COMPONENTE DO MOTOR DE

AERONAVES A JATO DEVIDO A SUA

RESISTÊNCIA E BAIXA DENSIDADE.

– Cr3Pt → REVESTIMENTO DE LÂMINA DE NAVALHA

COMPOSTOS INTERMETÁLICOS

TABELA 4 : TIPOS DE SÓLIDOS CRISTALINOS

TIPO DE SÓLIDO FORMA DAS

PARTÍCULAS

UNITÁRIAS

FORÇA ENTRE AS

PARTÍCULAS

EXEMPLOS

MOLECULAR ÁTOMOS E

MOLÉCULAS

FORÇAS DE

DISPERSÃO DE

LONDON,

FORÇAS DIPOLO-

DIPOLO,

LIGAÇÕES DE

HIDROGÊNIO

ARGÔNIO,

METANO,

SACAROSE,

GELO SECO, H2O

COVALENTE

ÁTOMOS

LIGADOS EM

UMA REDE DE

LIGAÇÕES

COVALENTES

LIGAÇÕES

COVALENTES

DIAMANTE,

QUARTZO, SiO2

SiC, Al2O3

IÔNICO

ÍONS POSITIVOS

E NEGATIVOS

LIGAÇÕES

IÔNICAS

CLORETO DE

SÓDIO, NITRATO

DE CÁLCIO

METÁLICO ÁTOMOS LIGAÇÕES

METÁLICAS

TODOS OS ELEMEN-

TOS METÁLICOS

Ex: Na, Ag, Fe, W