eleani maria da costa - dem/pucrs assunto 2. ligação química nos sólidos - energias e forças de...
TRANSCRIPT
Elea
ni M
aria
da
Cost
a - D
EM/P
UCRS
ASSUNTO
2. Ligação química nos sólidos
- Energias e forças de ligações- Ligações interatômicas primárias- Ligação de Van der Waals
LIGAÇÕES QUÍMICAS EM MATERIAIS
SÓLIDOS(Breve Revisão)
Por quê estudar?O tipo de ligação interatômica geralmente explica a
propriedade do material.Exemplo: o carbono pode existir na forma de grafite que é mole, escuro e “gorduroso” e na forma de diamante que é extremamente duro e brilhante. Essa diferença nas propriedades é diretamente atribuída ao tipo de ligação química que é encontrada no grafite e não no diamante.Veja mais informações no site www.cimm.com.br (material didático)
Elea
ni M
aria
da
Cost
a - D
EM/P
UCRS
LIGAÇÕES QUÍMICAS EM MATERIAIS SÓLIDOS Os elementos se ligam para formar os sólidos
para atingir uma configuração mais estável: oito elétrons na camada mais externa
A ligação química é formada pela interação dos elétrons de valência através de um dos seguintes mecanismos:
- Ganho de elétrons- Perda de elétrons- Compartilhamento de elétrons
Elea
ni M
aria
da
Cost
a - D
EM/P
UCRS
TIPOS DE LIGAÇÕES
MetálicaCovalente IônicaVan der Waals
A eletronegatividade dos átomos é o que determina o tipo de ligação
FORÇAS E ENERGIAS DE LIGAÇÃO
Elea
ni M
aria
da
Cost
a - D
EM/P
UCRS
FORÇA E DISTÂNCIA DE LIGAÇÕES
A distância entre 2 átomos é determinada pelo balanço das forças atrativas e repulsivas
Quanto mais próximos os átomos maior a força atrativa entre eles, mas maior ainda são as forças repulsivas devido a sobreposição das camadas mais internas
Quando a soma das forças atrativas e repulsivas é zero, os átomos estão na chamada distância de equilíbrio.
Elea
ni M
aria
da
Cost
a - D
EM/P
UCRS
FORÇA DE LIGAÇÕES E RIGIDEZ A inclinação da curva no ponto de
equilíbrio dá a força necessária para separar os átomos sem promover a quebra da ligação.
Os materiais que apresentam uma inclinação grande são considerados materiais rígidos,. Ao contrário, materiais que apresentam uma inclinação mais tênue são bastante flexíveis.
A rigidez e a flexibilidade também estão associadas com módulo de elasticidade (E) que é determinado da inclinação da curva tensãoxdeformação obtida no ensaio mecânico de resistência à tração.
Deformação medida ()
Inclinação forneceMódulo E
Tens
ão (
)
Elea
ni M
aria
da
Cost
a - D
EM/P
UCRS
ENERGIA DE LIGAÇÃO Algumas vezes é mais conveniente trabalhar com energia
(potencial) do que forças de ligações. Matematicamente, energia (E) e força de ligações (F) estão
relacionadas por : E= F.dr A menor energia é o ponto de equilíbrio
Quanto mais profundo o poço de potencial maior a temperatura de fusão do material
Devido as forcas de repulsão aumentarem muito mais com a aproximação dos átomos a curva não é simétrica. Por isso, a maioria dos materiais tendem a se expandir quando aquecidos
Filme
Elea
ni M
aria
da
Cost
a - D
EM/P
UCRS
ENERGIA DE LIGAÇÃO Quando energia é fornecida a um material, a
vibração térmica faz com que os átomos oscilem próximos ao estado de equilíbrio.
Devido a assimetria da curva de energia de ligaçãoxdistância interatômica, a distância média entre os átomos aumenta com o aumento da temperatura.
Então, quanto mais estreito e mais profundo o mínimo de potencial menor é o coeficiente de expansão térmica do material
Elea
ni M
aria
da
Cost
a - D
EM/P
UCRS
TIPOS DE LIGAÇÕES Metálica
Covalente Iônica Van der Waals
Forma-se com átomos de baixa eletronegatividade (apresentam no máximo 3 elétrons de valência)
Então, os elétrons de valência são divididos com todos os átomos (não estão ligados a nenhum átomo em particular) e assim eles estão livres para conduzir
A ligação metálica não é direcional porque os elétrons livres protegem o átomo carregado positivamente das forças repulsivas eletrostáticas
A ligação metálica é geralmente forte (um pouco menos que a iônica e covalente)= 20-200 Kcal/mol
Ex: Hg e W
Elétrons de valênciaÁtomo+elétrons das camadas mais internas
Elea
ni M
aria
da
Cost
a - D
EM/P
UCRS
TIPOS DE LIGAÇÕES Covalente Metálica Iônica Van der Waals
Os elétrons de valência são compartilhados
Forma-se com átomos de alta eletronegatividade
A ligação covalente é direcional e forma ângulos bem definidos (apresenta um certo grau de ligação iônica)
A ligação covalente é forte = 125-300 Kcal/mol
Esse tipo de ligação é comum em compostos orgânicos, por exemplo em materiais poliméricos e diamante.
Ex: metano (CH4)
Elea
ni M
aria
da
Cost
a - D
EM/P
UCRS
Figura copiada do material do Prof. Sidnei Paciornik do Departamento de Ciência dos Materiais e Metalurgia da PUC-Rio
Elea
ni M
aria
da
Cost
a - D
EM/P
UCRS
TIPOS DE LIGAÇÕES
Iônica Metálica Covalente Van der Waals
Os elétrons de valência são transferidos entre átomos produzindo íons
Forma-se com átomos de diferentes eletronegatividades (um alta e outro baixa)
A ligação iônica não é direcional, a atração é mútua
A ligação é forte= 150-300 Kcal/mol (por isso o PF dos materiais com esse tipo de ligação é geralmente alto)
A ligação predominante nos materiais cerâmicos é iônica
Elea
ni M
aria
da
Cost
a - D
EM/P
UCRS
LIGAÇÃO IÔNICA As forças atrativas eletrostáticas entre os átomos é
não-direcional os átomos num material iônico arranjam-se de forma que todos os íons positivos têm como vizinho mais próximo íons negativos, sendo as forças atrativas igual em todas as direções.
A magnitude da força obedece a Lei de Coulomb
Elea
ni M
aria
da
Cost
a - D
EM/P
UCRS
Figura copiada do material do Prof. Sidnei Paciornik do Departamento de Ciência dos Materiais e Metalurgia da PUC-Rio
Elea
ni M
aria
da
Cost
a - D
EM/P
UCRS
FORÇAS DE ATRAÇÃO E REPUSÃO ENVOLVIDAS EM SÓLIDOS IÔNICOS
FA= -A/r2
FR= B/rn
A, B e n são valores que dependem do sistema iônico em questão
Elea
ni M
aria
da
Cost
a - D
EM/P
UCRS
LEI DE COULOMB Forças atrativas
r é a distância interatômica z1 e z2 são as valências dos 2 tipos de íons e é a carga do elétron (1,602x10-19 C)
0 é a permissividade do vácuo (8,85x10-12 F/m)
FA
Elea
ni M
aria
da
Cost
a - D
EM/P
UCRS
CONSIDERAÇÕES SOBRE LIGAÇÃO IÔNICA E COVALENTE
Muito poucos compostos exibem ligação iônica e covalente puras
A maioria das ligações iônicas tem um certo grau de ligação covalente e vice –versa transferem e compartilham elétrons
O grau do tipo de ligação depende da eletronegadividade dos átomos constituintes.
Quanto maior a diferença nas eletronegatividades mais iônica é a ligação
Quanto menor a diferença nas eletronegatividades mais covalente é a ligação
Elea
ni M
aria
da
Cost
a - D
EM/P
UCRS
CONSIDERAÇÕES SOBRE LIGAÇÃO IÔNICA E COVALENTE
Fração de ligação covalente=
onde E é a diferença nas eletronegatividades dos átomos
Ex: SiO2Eletronegatividade do Si= 1,8Eletronegatividade do O= 3,5Fração de ligação covalente= 0,486= 48,6%
Elea
ni M
aria
da
Cost
a - D
EM/P
UCRS
TIPOS DE LIGAÇÕES
Van der Waals Metálica Covalente Iônica
São ligações secundárias ou físicas
A polarização (formação de dipólos) devido a estrutura da ligação produz forças atrativas e repulsivas entre átomos e moléculas
A ligação de van der Waals não é direcional
A ligação é fraca< 10 Kcal/mol Exemplo desse tipo de ligação
acontece entre átomos de H e em estrut. moleculares e moléc. polares
A ligação é gerada por pequenas assimetria
na distribuição de cargas
Elea
ni M
aria
da
Cost
a - D
EM/P
UCRS
LIGAÇÃO DE VAN DER WAALS EXEMPLO: MOLÉCULA DE ÁGUA
A molécula de água apresenta polarização de carga (formação de dipólos): positiva proxima aos átomos de H e negativa onde os elétrons de valência do oxigênio estão localizados
Isto produz forças de van der Waals entre as moléculas, fazendo com que as mesmas tendam a alinhar-se os pólos negativos com positivos. Como o angulo de ligação 109,5o, as moléculas formam uma estrutura quase hexagonal (veja figura)
O gelo tem estrutura hexagonal devido a este tipo de ligação. Ë menos denso por isso flutua sobre a água.
água
H Ho
Elea
ni M
aria
da
Cost
a - D
EM/P
UCRS
Os átomos de carbono na grafita também são unidos fortemente através de ligações covalentes, mas só dentro de um plano, diferentemente da rede 3D das ligações do diamante. Estes planos de átomos de carbono simplesmente empilham-se uns sobre os outros, sendo as forças de união entre os planos, muito fracas. Os planos de átomos de carbono podem então deslizar facilmente uns sobre os outros, e por isto a grafita é importante lubrificante!
GRAFITADIAMANTE
Ligação fraca
Ligação forte
Elea
ni M
aria
da
Cost
a - D
EM/P
UCRS
NANOTUBOS DE CARBONO
Foi descoberto em 1991 por um japonês
São 100 mil vezes mais finos que um fio de cabelo
A espessura é de apenas um átomo O diâmetro é de cerca de um
nanômetro — a bilionésima parte do metro
Possuem a maior resistência mecânica dentre todos os materiais conhecidos — não quebram nem deformam quando dobrados ou submetidos à alta pressão.
Destacam-se também como dos melhores condutores de calor que existem e, para completar, podem ser capazes de transportar eletricidade
Fonte: B.Piropo