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Ligações Químicase Materiais.

PROFESSORA: Shaiala Aquino

Faculdade de Tecnologia e Ciências – FTCColegiado de Engenharia CivilQuímica Geral

Ligações Químicas

São forças que unem átomos formandos moléculas, agrupamentos de átomos ou sólidos

iônicos.

Os elétrons mais externos do átomo

são os responsáveis pela

ocorrência da ligação química.

Ligações Químicas

As ligações químicas tem forte influência sobre

diversas propriedades dos materiais.

Quebram-se facilmente

vidro

Difícil de quebrar

aço

Conduzem corrente elétrica

metais

Isolantes

Menos estáveis

Mais estáveis

Átomos isolados

Átomos ligados

Ener

gia

Para ficar estáveis!

Ligações Químicas

Por que os átomos se ligam?

Tipos de Ligações Químicas.

Dependendo da energia envolvida na ligação elas podem ser divididas em:

Fortes (Iônicas; Covalentes e Metálicas).

Fracas (Van Der Waals, Dipolo-Dipolo e Ponte de Hidrogênio).

PERDE 1 ELÉTRON

Na Cl+ –Na Cl+ –

CLORETO DE SÓDIO

Ligação Iônica.

Atração eletrostática entre íons de cargas opostas.

Formam-se quando um elemento com baixa energia de ionização cede um elétron a um elemento com elevada afinidade eletrônica.

Formação do Sólido Iônico (NaCl).

rQQ

E ClNa

Energia das Ligações Iônicas.

A estabilidade de um composto iônico depende da interação de todos os íons.Energia de rede: é a energia necessária para dissociar completamente um mol de composto iônico sólido nos seus íons no estado gasoso.

NaCl(s) Na+(g) + Cl -(g) ∆H = +787 kJ/mol

Esta energia não pode ser medida diretamente, mas pode ser obtida a partir de um ciclo de Born-Haber, que mostra todos os passos que contribuem para a energia total da reação de formação do composto iônico.

Formação de Um Composto Iônico Sólido.

Etapa Processo ∆H, Kj/mol

A Na(s) Na(g) +108 (energia absorvida)

B 1/2Cl2(g) Cl(g) +121 (energia absorvida)

C Na(g) Na+(g) + e- +495 (energia absorvida)

D e- + Cl(g) Cl-(g) -348 (energia liberada)

E Na+(g) + Cl-

(g) NaCl(s) -787 (energia liberada)

Total Na(s) + 1/2Cl2(g) NaCl(s) - 411 (energia líquida liberada)

Na(s) + 1/2 Cl2(g) NaCl(s) Htotal = -411 kJ/mol

Na(s) Na(g) 107.3 kJ/mol

1/2 Cl2(g) Cl(g) 122 kJ/mol

Na(g) Na+(g) + e- 495.8 kJ/mol

Cl(g) + e- Cl-(g)-348.6 kJ/mol

Na+(g) + Cl-(g) NaCl(s)H = ?

H1 + H2 + H3 + H4 + H5 = Htotal

H5 = -787 kJ/mol∆Hrede = + 787 kJ/mol

Ciclo de Born - Haber.

PERDE 1 ELÉTRON

+

Ligação Covalente.A ligação covalente ocorre quando os dois átomos

têm a mesma tendência de ganhar e perder elétrons.Compartilhamento de elétrons.

O comprimento e força da ligação química resultam do equilíbrio devido à repulsão entre cargas iguais e atração entre cargas opostas.

Comprimento da Ligação Covalente.

Define-se comprimento da ligação como sendo a distância entre os núcleos de dois átomos ligados numa molécula.

N (Z = 7) 2s 2p 31s2 2

N NN N FÓRMULA ELETRÔNICA

N NN

FÓRMULA ESTRUTURAL PLANA

2 FÓRMULA EMPÍRICA

Ligação Covalente.Quando cada um dos átomos ligantes

contribui com

um elétron para a formação do par.

Compostos covalentes: geralmente gases, líquidos ou sólidos de

baixo ponto de fusão

Compostos iônicos: sólidos de ponto de fusão elevado.

Propriedade NaCl CCl4Aspecto sólido branco líquido incolorTfusão/ °C 801 - 23Tebulição/ °C 1413 76.5solubilidade em H2O elevada bastante baixa

Condutividade elétrica sólido mau mau fundido bom mau

Propriedades de Compostos Covalentes e Iônicos.

Ozônio, O3

Ambos os comprimentos são iguais: 1.278 A

Ressonância: uma única estrutura de Lewis falha em descrever de forma precisa a estrutura eletrônica real

A molécula do ozônio é um híbrido de ressonância das duas estruturas. Ordem de cada ligação: 1,5

°

Estruturas de Ressonância.

Eletronegatividade

Cresce

É a medida da capacidade de um átomo atrair para si os pares de elétrons compartilhados numa ligação.

Ligação MetálicaTeoria do elétron livre de Drude e Lorentz.

Os metais possuem uma baixa eletronegatividade, os mesmos perdem seus

elétrons muito facilmente. Esses elétrons livres formam uma nuvem eletrônica que mantém os íons metálicos sempre unidos formando a chamada ligação metálica.

Características dos Compostos Metálicos.

Alta condutividade elétrica e térmica.

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.

Aço - Fe e C.Aço inoxidável - Fe, C , Cr e Ni.

Amálgama dental - Hg, Ag e SnBronze – Cu e SnLatão – Cu e Zn

Ligas.

Liga é a mistura, de aspecto metálico e homogêneo, de um ou mais metais entre si

ou com outros elementos. Deve ter composição cristalina e comportamento

com metal.

Geralmente as ligas tem propriedades mecânicas e tecnológicas melhores que

as dos metais puros.

Requisitos das Ligas na Construção Civil.

Aparência • sólidos a temperaturas ordinárias • porosidade não aparente • brilho característico, que pode ser aumentado por polimento ou tratamento químico.

Densidade • varia bastante de uma liga para outra. Geralmente vai de 2,56 a 11,45 sendo que a platina atinge 21,30.

Dilatação e Condutividade Térmica A título de comparação, apresentamos os coeficientes de dilatação seguintes: • concreto: 0,01 mm/m/ºC • vidro: 0,08 mm/m/ºC • metais: 0,10 a 0,03 mm/m/ºC

Ligas na Construção Civil.

A liga mais utilizada na construção civil é o aço, pelo seu largo uso como armação nos concretos.

Alumínio, consagra-se definitivamente em segundo lugar entre os metais mais utilizados.

Quanto mais puro o alumínio, maior a resistência à corrosão e menor a resistência mecânica. A liga com 3% de cobre, 1% de manganês e 0,5% de magnésio, gera o duralumínio, material que substitui o aço em muitas situações.

Ligas Ferrosas.

São Divididas em Dois Grupos: Ligas Ferrosas – O Fe é o elemento principal. Ligas Não Ferrosas – Não tem como base o Fe.

Características das Ligas Ferrosas:Aços: Ligas de Fe ao C.

Aços comuns ao C – Concentrações residuais de impurezas além de C e Mn.

Ligas Ferrosas.

Aço Doce: < 0,20 % de C;Características: São maleáveis e dúcteis.Microestrutura: Ferrita e Perlita;Usados para fazer cabos, pregos e correntes.

Aços médio: 0,20% < C < 0,60%;Características: São mais duros que o aço doce.Usados para fazer vigas e trilhos de trens, engrenagens e componentes estruturais de alta resistência.

Aços com alto teor de C: 0,6% < C < 1,5 %;Características: Mais duros e resistentes;Resistente ao desgaste e abrasão;Usados na fabricação de ferramentas.

Ligas Ferrosas.

O Vanádio e o Cromo podem ser adicionados para conceder força e aumentar a resistência à fadiga e à corrosão.

Exemplo: Um trilho de trem de aço usado na Suécia em linhas suportando carregamentos pesados de minério contém 0,7 % de C, 1% de Cr e 0,1 % de V.

Uma das mais importantes ligas de Ferro é o aço inoxidável, que contém aproximadamente 0,4 % de C, 18 % de Cr e 1 % de Ni.

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.

Influência da Energia de Ligação em Algumas Propriedades dos Materiais.

Materiais Cerâmicos. Combinações de metais com elementos não metálicos, os cerâmicos são muito duros, porém frágeis. Os principais tipos são os óxidos, nitretos e carbetos, e pertencem a este grupo os argilo-minerais, cimento e vidros.

Podem apresentar ligações covalentes, ligações iônicas ou alguma combinação das duas.

Geralmente são isolantes de calor e eletricidade;

Estáveis à altas temperaturas, resistentes a corrosão e desgaste, não se deformam com facilidade e são menos densas que os metais usados para aplicações de altas temperaturas.

Com relação às propriedades mecânicas as cerâmicas são duras e quebradiças;

Os Materiais Cerâmicos na Tabela Periódica

Os cerâmicos são constituídos de metais (alguns apenas) e a maioria de não-

metais.

Forma-se com átomos de diferentes eletronegatividades (um alta e outro baixa); Os elétrons de valência são “transferidos” entre átomos produzindo íons;A ligação iônica não é direcional, a atração é mútua;A ligação é forte, por isso o PF dos materiais com esse tipo de ligação é geralmente alto.

Como consequência da ligação ser predominantemente iônica a estrutura cristalina das cerâmicas são compostas por íons carregados eletricamente

(CÁTIONS E ÂNIONS)

A Ligação Iônica e as Estruturas Cristalinas das

Cerâmicas.

Percentual de Caráter Iônico das Ligações Interatômicas Para Vários

Materiais Cerâmicos.

Material Percentual de Caráter IônicoCaF2 89

MgO 73NaCl 67Al2O3 63

SiO2 51

SiN4 30

ZnS 18SiC 12

30

A extrema fragilidade e dureza dos cerâmicos vem da natureza das suas ligações atômicas iônicas ou covalentes.

As estruturas cristalinas, quando presentes,são extremamente complexas

Exemplo: O óxido de Silício (SiO2) pode ter três formas cristalinas distintas: quartzo, cristobalite e tridimite

Estruturas Cristalinas das Cerâmicas.

Propriedades Térmicas e Físicas dos Cerâmicos.

Densidade: 2-3 g/cm3;

Embora os materiais cerâmicos sejam em geral isolantes de calor e eletricidade, há uma classe de materiais cerâmicos que são supercondutores;A dilatação térmica é baixa comparada com metais e polímeros.

VIDRO-CERÂMICOSCRISTALINOS AMORFOS (VIDROS)Incluem os cerâmicos à base de Silicatos, Óxidos, Carbonetos e Nitretos

Em geral com a mesma composição dos cristalinos, diferindo no processamento

Formados inicialmente como amorfos e tratados termicamente

O Silício e o Oxigênio formam cerca de 75% da crosta terrestre, sendo materiais de ocorrência comum na natureza e de baixo custo !

Os cerâmicos avançados são baseados em óxidos, carbonetos e nitretos com elevados graus de pureza

Classificação dos Materiais Cerâmicos.

CERÂMICOS CRISTALINOS DE SILICATOS

264925Cimento Portland

130564Porcelana steatite

163261Porcelana eléctrica

----7228Mulita refractária

545-2550-70Tijolo refractário

496Sílica refractária

OutrosCaOMgOK2OAl2O3SiO2

Composição (% em peso)

Os cerâmicos cristalinos à base de Silicatos não são usados como materiais estruturais

(não são considerados cerâmicos avançados)

Caráter Iônico e Covalente de um Cerâmico

Caráter Iônico e Covalente de Alguns Cerâmicos