Profa. Adélia

Aula 5: Propriedades e Ligação Química

Relacionar o tipo de ligação química com as propriedades dos materiais

Um entendimento de muitas propriedades físicas dos materiais é previsto através do conhecimento das forças interatômicas que ligam os átomos entre si.

As l igações ent re á tomos será i lus t rada considerando a interação entre dois átomos isolados `a medida que eles são colocados em estreita proximidade um do outro a partir de uma distância infinita de separação entre os mesmos.

Forças de Ligação e Energias

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Em grandes distâncias as interações são desprezíveis, mas `a medida que os á tomos se aprox imam mutuamente, cada átomo exerce força sobre o outro.

FN = FA + FB

Energia de Ligação (Eo) é a energia mínima potencial necessária para separar dois átomos

Tipos de Ligação e Materiais

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•  O tipo de ligação (metálica, iônica e covalente) influencia

na classificação e propriedades dos materiais (metais,

cerâmicos e polímeros).

•  As propriedades macroscópicas dos materiais

dependem essencialmente do tipo de ligação entre os

átomos.

•  O tipo de ligação depende fundamentalmente dos

elétrons da camada de valência.

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Ligação Iônica

• Exemplo clássico: NaCl.

ELE1060 – Introdução a Nanotecnologia – 2010/01 PUC-Rio

Ligações Iônicas

Ocorre entre elementos metálicos que tendem a perder elétrons (cátions) e não-metálicos que tendem a ganhar elétrons (ânions).

Ligações Iônicas

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•  No processo todos os á t o m o s a d q u i r e m configurações estáveis ou de um gás inerte.

•  São l igações não-direcionais.

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Ligação Iônica

•  As forças de ligação são de Coulomb, isto é, forças atrativas de cargas opostas.

EA = -A r

•  A energia de atração e de repulsão são funções da distância interatômica, que dependem das constantes A, B e n (n≈8)

ER = B rn

•  A ligação predominantemente nos materiais cerâmicos é a iônica.

A energia de ligação são relativamente elevadas, na faixa de 600 a 1500 kJ/mol.

Propriedades de Compostos Iônicos

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•  Apresentam elevados pontos de fusão e ebulição;

•  São duros e frágeis

•  São isolantes eletricamente e termicamente

•  São eletrólitos em meio de alta constante dielétrica

Características de Materiais Iônicos

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•  Possuem pontos de fusão e ebulição elevados; •  São sólidos devido à disposição do seu arranjo cristalino. •  São compostos duros, ou seja, que impõem resistência,

mas podem ser maleáveis e dúcteis. •  Conduzem eletricidade quando dissolvidos em água. Existe

a presença de íons, ou seja, cargas negativas e positivas que permitem a passagem de corrente elétrica.

Ligação Covalente

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•  Configuração estável devido ao compartilhamento de elétrons entre átomos;

•  Cada átomo contribue com pelo menos um elétron para formar uma ligação;

•  Os elétrons pertencem a ambos os átomos

Molécula do Metano

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Características das Ligações Covalente

•  A ligação covalente é direcional, isto é, entre dois átomos só pode existir apenas uma direção no compartilhamento eletrônico.

•  Nos materiais existe uma tendência a reduzir a expansão térmica e a densidade em relação aos materiais iônicos com massa atômica semelhante.

Propriedades dos Compostos Covalentes

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•  Podem ser polares (os átomos apresentam diferença de eletronegatividade) ou apolares (sem diferença de eletronegatividade);

•  Apresentam pontos de fusão e ebulição infereiores aos compostos iônicos;

•  Não conduzem corrente elétrica; •  Apresentam solubilidade variada •  Apresentam baixa tenacidade, sendo sólidos

quebradiços.

Compostos formados por ligações covalentes

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•  Muitas moléculas elementares não-metálicas

•  (H2, Cl2, O2, N2)

•  Muitas moléculas contendo diferentes átomos

•  (H2O, NH3, CH4, HCN, CH2O)

•  Encontrado em sólidos elementares C (diamante, grafite), sílicio, germânio

•  Compostos não-metálicos como GaAs, InSb, SiC

�  Formada por íons positivos e elétrons livres de valência que formam uma “nuvem eletrônica” que circula livremente entre os íons positivos;

�  Encontrada em metais e suas ligas

�  Materiais metálicos têm 1, 2 ou 3 elétrons de valência, que se encontram livres para se movimentarem ao longo do metal

Ligação Metálica

Propriedades associadas as ligações metálicas

�  Alta condutividade elétrica e térmica: os elétrons podem se mover na presença de uma f.e.m. ou de um gradiente de temperatura.

�  Permitem grande deformação plástica pois as ligações são móveis ou seja não são rígidas como as iônicas e as covalentes

�  Possuem o brilho metálico, como os elétrons são muito móveis trocam de nível energético com facilidade emitindo fótons

�  São sempre opacos: pela mesma razão acima mas nesse caso absorvendo a luz incidente

Ligações Secundárias

•  É possível obter ligação sem troca ou compartilhamento de elétrons nas ligações secundárias ou de van der Waals

•  A ligação é gerada por pequenas assimetrias na distribuição de cargas dos átomos que criam dipolos

•  Um dipolo é um par de cargas opostas que mantém uma distância entre si;

•  Dipolo permanente •  Dipolo induzido

•  São ligações fracas. As energias de ligação são da ordem de 10kJ/mol

Representação esquemática de uma molécula polar

�  Dipolos elétricos ocorrem quando os centros das cargas positivas não coincidem com o centro das cargas negativas em uma molécula

Permanente Induzido

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Tipos de Dipolos 60

S. P

acio

rnik

– D

CM

M P

UC

-Rio

Dipolos Permanentes e Induzidos • Dipolo Permanente

Gerado pela estrutura da molécula.

Energias de ligação 20kJ/mol Ex: Pontes de Hidrogênio em

H2O

• Dipolo Induzido A separação de cargas é pequena Energias de ligação são muito

pequenas ( 1kJ/mol)

O

H H

Átomos isolados de Ar

(os centros das cargas positivas e negativas

coincidem)

+ +

Átomos deformados pela presença do outro

+ - + -

Magnitude do dipolo Os átomos se ligam pela atração entre os dipolos induzidos

60 S.

Pac

iorn

ik –

DC

MM

PU

C-R

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Dipolos Permanentes e Induzidos • Dipolo Permanente

Gerado pela estrutura da molécula.

Energias de ligação 20kJ/mol Ex: Pontes de Hidrogênio em

H2O

• Dipolo Induzido A separação de cargas é pequena Energias de ligação são muito

pequenas ( 1kJ/mol)

O

H H

Átomos isolados de Ar

(os centros das cargas positivas e negativas

coincidem)

+ +

Átomos deformados pela presença do outro

+ - + -

Magnitude do dipolo Os átomos se ligam pela atração entre os dipolos induzidos

Atração por pontes de hidrogênio entre moléculas de água

Expansão da água no estado sólido

Ligações químicas em relação aos tipos de materiais

Influência da energia da ligação em algumas propriedades dos materiais

�  Quanto maior a energia envolvida na ligação química há uma tendência de:

�  Maior ser o ponto de fusão do composto �  Maior a resistência mecânica �  Maior a dureza �  Maior o módulo de elasticidade �  Maior a estabilidade química �  Menor a dilatação térmica

Energia de Ligação e Pontos de Fusão para materiais iônicos