estrutura e propriedades dos materiais - fem.unicamp.brcaram/2. ligacoes grad.pdf · a resoluÇÃo...
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ÁTOMOS E LIGAÇÕES QUÍMICAS
DIVERSAS PROPRIEDADES DOS MATERIAIS DEPENDEM DO ARRANJO DE SEUS ÁTOMOS E DAS LIGAÇÕES ENTRES OS MESMOS
EXEMPLO
DIAMANTE GRAFITE
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ÁTOMO
OS ÁTOMOS SÃO FORMADOS POR UM PEQUENO NÚCLEO CONSTITUÍDO POR PRÓTONS E NEUTRONS, ENVOLVIDOS POR ELÉTRONS EM MOVIMENTO
ELÉTRONS E PRÓTONS SÃO ELETRICAMENTE ATIVOS:CARGA DO ELÉTRON: -1,6 x 10-19 CCARGA DO PRÓTON: +1,6 x 10-19 C
NEUTRON É ELETRICAMENTE NEUTROMASSAS DO PRÓTON E NEUTRON SÃO APROXIMADAMENTE IGUAIS: 1,67 x 10-27 kgCADA ELEMENTO QUÍMICO É CARACTERIZADO POR UM No
DE PRÓTONS ⇒ “No ATÕMICO”ÁTOMO NEUTRO ⇒ No ELÉTRONS = No PRÓTONS
Z = 1 PARA O HIDROGÊNIOZ = 94 PARA O PLUTÔNIO
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MASSA ATÔMICA
MASSA ATÔMICA (A) DE UM ÁTOMO É A SOMA DAS MASSAS DE SEUS PRÓTONS E NEUTRONSNo DE PRÓTONS É O MESMO PARA UM DETERMINADO ÁTOMONo DE NEUTRONS PODE SER DIFERENTE PARA UM ÁTOMO
ALGUNS ÁTOMOS TEM DOIS OU MAIS VALORES DE A“ISÓTOPOS”
PESO ATÔMICO É A MASSA ATÔMICA MÉDIA DOS ISÓTOPOS DE UM ÁTOMOUNIDADE: 1U.M.A.=1/12 MASSA ATÔMICA DO ISÓTOPO MAIS COMUM DO CARBONO 1 MOL DE UMA SUBSTÂNCIA = 6,023 x 1023 ÁTOMOS
No DE AVOGADRO1 U.M.A./ÁTOMO = 1g/MOLEX.: PESO ATÔMICO DO Fe = 55,85 U.M.A./ÁTOMO OU 55,85 g/MOL
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TEORIA ATÔMICA
550 A.C. – FILÓSOFOS GREGOS PREVIAM QUE A MATÉRIA SERIA FORMADA POR PEQUENAS PARTÍCULAS INDIVISÍVEIS1805 – DALTON (UNIVERSITY OF MANCHESTER):
MATÉRIA É CONSTITÚÍDA POR PEQUENAS PARTÍCULAS (ÁTOMOS)ÁTOMO É INDIVISÍVEL, MASSA E TAMANHO DEPENDEM DO ELEMENTO QUÍMICOCOMPOSTOS PODEM SER FORMADOS POR DIFERENTES ELEMENTOS QUÍMICOS
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TEORIA ATÔMICA
1904 – THOMSON (CIENTISTA INGLÊS)QUAL SERIA NATUREZA RAIOS CATÓDICOS ?RAIOS CATÓDICOS: TUBO SOB VÁCUO, COM TERMINAIS ENERGIZADOS SOB ALTA TENSÃO ELÉTRICA = EMISSÃO DE LUZ
V
+-
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TEORIA ATÔMICA
HIPÓTESES DE THOMSON SOBRE OS RAIOS CATÓDICOS:RAIOS CATÓDICOS SÃO PARTÍCULAS ELETRICAMENTE CARREGADAS;ESSAS PARTÍCULAS SÃO CONSTITUINTES DO ÁTOMO;ESSAS PARTÍCULAS SÃO OS ÚNICOS CONSTITUINTES DO ÁTOMO
ÁTOMO SERIA UMA ESFERA COM MILHARES DE PEQUENOS COMPÚSCULO DISTRIBUÍDOS NO INTERIOR DE UMA NÚVEM COM CARGA POSITIVA: BOLO DE PASSAS.No DE PRÓTONS = No DE ELÉTRONS
+
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MICROSCÓPIO ELETRÔNICO
A RESOLUÇÃO DE UM MICRÓSCOPIO ÓPTICO É LIMITADA PELO COMPRIMENTO DE ONDA DA LUZ VISÍVEL. UM MICROSCÓPIO ELETRÔNICO EMPREGA ELÉTRONS PARA “ILUMINAR” UM OBJETOELÉTRON TÊM COMPRIMENTO DE ONDA MUITO MENOR QUE OS DA LUZ VISÍVEL, O QUE PERMITE ANALISAR ESTRUTURAS MUITO PEQUENASCONSTITUIÇÃO DE UM MICROSCÓPIO ELETRÔNICO:
CANHÃO EMISSOR DE ELÉTRONSLENTES MAGNÉTICASSISTEMA DE VÁCUOSISTEMA QUE CAPTAÇÃO DE ELÉTRONS E EXIBIÇÃO DE IMAGENS
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TEORIA ATÔMICA
1911 – RUTHERFORD (UNIVERSITY OF MANCHESTER):MASSA E CARGA POSITIVA DO ÁTOMO ESTARIAM CONCENTRADOS NO CENTRO DO ÁTOMO (NÚCLEO)ELÉTRONS GIRARIAM EM TORNO DO NÚCLEO, COMO PLANETAS NO SISTEMA SOLARNÚCLEO COM CARGA POSITIVA E POUCOS ELÉTRONS GIRAM EM TORNO DO MESMOCONTRADIÇÃO: ELÉTRONSEM MOVIMENTO DEVERIAMEMITIR ENERGIA, O QUE LEVARIA À CONTRAÇÃODA MATÉRIA
+
-
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MODELO ATÔMICO DE BOHR
MODELO DE BOHR É CONSIDERADO O PRECURSOR DA MECÂNICA QUÂNTICA APLICADA À ESTRUTURA ATÔMICANO MODELO DE BOHR:
ELÉTRONS GIRAM EM TORNO DO NÚCLEO, ESTABELECIDOS EM ÓRBITAS BEM DEFINIDASPOSIÇÃO DE UM DADO ELÉTRON É ESTABELECIDA
NÚCLEO
ÓRBITA
ELÉTRON
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MODELO ATÔMICO DE BOHR
MODELO DE BOHR ⇒ ENERGIA DOS ELÉTRONS É“QUANTIZADA”
CADA ELÉTRON TEM VALOR DEFINIDO DE ENERGIAUM ELÉTRON PODE MUDAR SUA ENERGIA ATRAVÉS DE SALTOS QUÂNTICOS:
NÍVEL ENERGÉTICO MAIOR: ABSORÇÃO DE ENERGIANÍVEL ENERGÉTICO MENOR: EMISSÃO DE ENERGIA
ESTADOS ENERGÉTICOS NÃO VARIAM CONTINUAMENTE: ESTADOS OU NÍVEIS ADJACENTES SÃO SEPARADOS POR VALORES FINITOS DE ENERGIANÍVEIS ESTÃO ASSOCIADOS ÀS ÓRBITAS ELETRÔNICAS:
QDO O ELÉTRON PASSA DE UMA ÓRBITA DE NÍVEL MAIOR ⇒ ABSORVE ENERGIAQDO O ELÉTRON PASSA DE UMA ÓRBITA DE NÍVEL MENOR ⇒ EMITE ENERGIA
ENERGIA ENVOLVIDA NA EMISSÃO OU ABSORÇÃO É MEDIDA PELO QUANTUM
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NÚMEROS QUÂNTICOS
TEORIA ATÔMICA MODERNA CONSIDERA QUE:MOVIMENTO DO ELÉTRON EM TORNO DO NÚCLEO E SUA ENERGIA SÃO DESCRITOS POR QUATRO NÚMEROS QUÂNTICOS
n = NÚMERO QUÂNTICO PRINCIPAL
l = NÚMERO QUÂNTICO SECUNDÁRIO
ml = NÚMERO QUÂNTICO MAGNÉTICO
ms = NÚMERO QUÂNTICO SPIN
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NÚMERO QUÂNTICO PRINCIPAL - “n”
CORRESPONDE AO PARÂMETRO “n” NA EQUAÇÃO DE BOHR
REPRESENTA OS NÍVEIS PRINCIPAIS DE ENERGIA DE UM ELÉTRON E PODE SER INTERPRETADO COMO CAMADAS NO ESPAÇO, ONDE A PROBABILIDADE DE ENCONTRAR UM ELÉTRON É ALTA
“n” VARIA DE 1 A 7: QUANTO MAIOR “n”, MAIS DISTANTE DO NÚCLEO ESTÁ A CAMADA
· QUANTO MAIOR O VALOR DE “n”, MAIOR SERÁ A ENERGIA DO ELÉTRON
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NÚMERO QUÂNTICO SECUNDÁRIO - “l”
ESTE NÚMERO ESTÁ ASSOCIADO A SUBCAMADAS, DENOMINADAS “s”, “p”, “d” e “f”
TAIS SUBCAMADAS SÃO DENOMINADAS DE ORBITAIS
ORBITAL: VOLUME NO ESPAÇO COM ALTA PROBABILIDADE DE SE ENCONTRAR UM ELÉTRON
QUANDO: l=s, ORBITAL É ESFÉRICO
l=p, ORBITAL TEM FORMA DE UM HALTER
l=d, ORBITAL TEM FORMA DE UM DUPLO HALTER
l=f, ORBITAL TEM FORMA COMPLEXA
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NÚMERO QUÂNTICO MAGNÉTICO - “ml”
ESTE NÚMERO ESTÁ ASSOCIADO AO COMPORTAMENTO
DOS ESTADOS ENERGÉTICOS DE UMA SUBCAMADA, SOB
AÇÃO DE UM CAMPO MAGNÉTICO EXTERNO
“ml” VARIA DE -l A l
O NÚMERO TOTAL DE VALORES DE “ml” É (2l + 1)
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NÚMERO QUÂNTICO SPIN - “mS”
ESTE NÚMERO ESTÁ ASSOCIADO À DIREÇÃO DE
ROTAÇÃO DE UM ELÉTRON EM TORNO DE SEU PRÓPRIO
EIXO· “ml” VARIA DE - l A l
EXISTEM DUAS DIREÇÕES DE ROTAÇÃO:
HORÁRIO: +1/2
ANTI-HORÁRIO: -1/2
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NÚMEROS QUÂNTICOS
+1/2 e -1/2SPINms
VALORES INTEIROS-l,(-l+1),...,0,...,(l-1),l
MAGNÉTICOml
l=0,1,2,3,4,...,n-1l=s,p,d,f,...
SECUNDÁRIOl
n=1,2,3,4,...PRINCIPALn
POSSÍVEIS VALORESDESCRIÇÃONÚMERO QUÂNTICO
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ELÉTRONS POR CAMADA
NÚMERO DE ELÉTRONS POR CAMADA:
OS ÁTOMOS SÃO FORMADOS POR CAMADAS COM ALTA
DENSIDADE DE ELÉTRONS
O NÚMERO MÁXIMO DE ELÉTRONS POR CAMADA É FUNÇÃO
DOS QUATRO NÚMEROS QUÂNTICOS OU 2n2
PARA O ELEMENTO FRANCIO (Z=87), O NÚMERO DE CAMADAS
É IGUAL A 7
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ELÉTRONS POR CAMADA
n SUBCAMADAS NÚMERO DE ESTADOS
NÚMERO DE ELÉTRONS
P/ SUBCAMADA POR CAMADA
1 s 0 1 2 2
2 s 0p 1
13
26
8
3 s 0p 1d 2
123
26
1018
4 s 0p 1d 2f 3
1357
26
1014
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DISTRIBUIÇÃO DE ELÉTRONS
CONFIGURAÇÃO ELETRÔNICA EM UM ÁTOMO DESCREVE O ARRANJO DOS ELÉTRONS NOS ORBITAISCONFIGURAÇÃO ELETRÔNICA É DADA PELA NOTAÇÃO:NÚMERO QUÂNTICO PRINCIPAL; ORBITAL s; p; d; fÍNDICE INDICANDO O NÚMERO DE ELÉTRONS POR ORBITAL1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 3d10 4p6 5s2 4d10 5p6 6s2 4f14 5d10 6p6 7s2 5f14 6d10 7p6
1s
2s 2p
3s 3p 3d
4s 4p 4d 4f
5s 5p 5d 5f
6s 6p 6d 6f
7s 7p 7d 7f
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LIGAÇÕES QUÍMICAS
POR QUE OS ÁTOMOS FORMAM LIGAÇÕES ?
ÁTOMOS LIGADOS SÃO TERMODINAMICAMENTE MAIS ESTÁVEIS
ÁTOMOS LIGADOS EXIBEM DIMINUIÇÃO DA ENERGIA POTENCIAL
FORMAÇÃO DE LIGAÇÕES DEPENDE DA REATIVIDADE QUÍMICA DOS ÁTOMOS ENVOLVIDOS ⇒ CONSTITUIÇÃO DA ÚLTIMA CAMADA
ELÉTRONS MAIS EXTERNOS SÃO OS QUE PARTICIPAM DAS LIGAÇÕES
ÁTOMOS SE LIGAM
POR PERDA DE ELÉTRONS: ELETROPOSITIVOS
POR GANHO DE ELÉTRONS: ELETRONEGATIVOS
POR COMPARTILHAMENTO DE ELÉTRONS
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LIGAÇÕES QUÍMICAS
LIGAÇÕES PRIMÁRIASIÔNICA; METÁLICA E COVALENTE
LIGAÇÕES SECUNDÁRIAS: OCORRE A PARTIR DE FORÇAS ELETROSTÁTICAS OU DE VAN DER WALLS
EFEITO DE DISPERSÃO; DIPOLO-DIPOLO E PONTES DE HIDROGÊNIO
ELEMENTO ELETROPOSITIVO+
ELEMENTO ELETRONEGATIVO
LIGAÇÃO IÔNICA
ELEMENTO ELETROPOSITIVO+
ELEMENTO ELETROPOSITIVOLIGAÇÃO METÁLICA
ELEMENTO ELETRONEGATIVO
+ELEMENTO
ELETRONEGATIVO
LIGAÇÃO COVALENTE
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LIGAÇÕES IÔNICAS
ELEMENTOS ELETROPOSITIVOS (METÁLICOS)+
ELEMENTOS ELETRONEGATIVOS (NÃO-METÁLICOS)1 ÁTOMO PERDE ELÉTRONS1 ÁTOMO GANHA ELÉTRONSFORÇAS DE LIGAÇÃO ESTÃO ASSOCIADAS A FORÇAS DE ATRAÇÃO COULUMBIANAS ENTRE CÁTION E ÂNIONEXEMPLO NaClCONFIGURAÇÃO DO Na : 1s2 2s2 2p6 3s1
CONFIGURAÇÃO DO Cl : 1s2 2s2 2p6 3s2 3p5
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LIGAÇÃO COVALENTE
ELEMENTOS ELETRONEGATIVOS (NÃO-METÁLICOS)+
ELEMENTOS ELETRONEGATIVOS (NÃO-METÁLICOS)LIGAÇÃO ENTRE ÁTOMOS COM PEQUENA DIFERENÇA DE ELETRONEGATIVIDADEPRÉ-REQUISITO PARA FORMAÇÃO DAS LIGAÇÕES: EXISTÊNCIA DE PELO MENOS 1 ORBITAL PARCIALMENTE PREENCHIDOLIGAÇÃO COVALENTE ENTRE ÁTOMOS DE HIDROGÊNIOCASO MAIS SIMPLES: DOIS ÁTOMOS H CEDEM SEUS ELÉTRONS 1s1 PARA FORMAR LIGAÇÃO COVALENTE
H • + H • → H : HLIGAÇÃO COVALENTE NA MOLÉCULA DE H2 MOSTRANDO DISTRIBUIÇÃO DE ELÉTRON
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LIGAÇÕES COVALENTES
LIGAÇÕES COVALENTE DO CARBONOCARBONO NO ESTADO FUNDAMENTAL:
1s2 2s2 2p2
INDICAÇÃO QUE SÃO POSSÍVEIS DUAS LIGAÇÕES COVALENTES ⇒ DOIS ORBITAIS 2p INCOMPLETOSQUATRO LIGAÇÕES COVALENTES SÃO POSSÍVEISHIBRIDAÇÃO: 1 ORBITAL 2s É PROMOVIDO PARA ORBITAL 2p ⇒FORMAÇÃO DE QUATRO ORBITAIS HÍBRIDOS sp3
ORBITAIS HÍBRIDOS sp3 SÃO ARRANJADOS DE FORMA SIMÉTRICA, NOS VÉRTICES DE UM TETRAEDRO REGULAR
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LIGAÇÕES METÁLICAS
LIGAÇÕES METÁLICASELEMENTOS ELETROPOSITIVOS (METÁLICOS)
+ELEMENTOS ELETROPOSITIVOS (METÁLICOS)OCORREM EM METAIS SÓLIDOS, ARRANJO ATÔMICO É BASTANTE COMPACTO, ELÉTRONS DE VALÊNCIA SÃO ATRAIDOS POR NÚCLEOS VIZINHOS ⇒ FORMAÇÃO DE NUVENS ELETRÔNICAS
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LIGAÇÕES FRACAS
PONTES DE HIDROGÊNIONÚCLEO DE H (PRÓTON) É ATRAÍDO POR ELÉTRONS NÃO COMPARTILHADOS DE OUTRA MOLÉCULA
H
H
O
+
+
-
H
H
O
+
+
-H
H
O
+
+
-
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LIGAÇÕES FRACAS
DIPOLO PERMANENTEMOLÉCULAS ASSIMÉTRICAS: PAR ELETRÔNICO DESLOCA-SE DEVIDO À ASIMETRIA, FORMANDO DIPOLO ELÉTRICO
Cl
Antes daReação
Após aReação
H
+ -
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LIGAÇÕES FRACAS
EFEITO DE DISPERSÃOMOLÉCULAS SIMÉTRICAS – MOVIMENTO AO ACASO DOS ELÉTRONS CAUSA POLARIZAÇÃO MOMENTÂNEA
(a)-
-
- -
-
-
-
-
--
-
-
- -
-
-
-
-
--
-
--
--
-
-
--
-
--
--
-
-
--
- + - +
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DISTÂNCIAS INTERATÔMICAS
EXISTEM TRÊS TIPOS DE LIGAÇÕES FORTESAS FORÇAS NESSAS LIGAÇÕES ATRAEM DOIS OU MAIS ÁTOMOSQUAL É O LIMITE DESSA ATRAÇÃO ? FORÇA DE REPULSÃOOS ÁTOMOS TÊM UMA DISTÂNCIA DE SEPARAÇÃO ONDE A FORÇA DE REPULSÃO É IGUAL À FORÇA DE ATRAÇÃO.
NN
S
S
g
( )( )2ao4
e2Ze1ZAF
επ−=
a 1+nnb- = RF
a 1+nnb - 2ao4
e)Z2e)(Z1
(- = FT πε
Z: VALÊNCIA
εO=8,85X10-12C2/Nm2
a=DISTÂNCIA INTERATÔMICA
e=1,6x10-19C
LIGAÇÃO IÔNICA DO NaCl, n ASSUME VALORES ENTRE 7 E 9.
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FORÇAS INTERATÔMICAS
FR
FA
FT
Distância entreátomos ou íons, a
ao
ao=rcátion + rânion
F RF A
DISTÂNCIA INTERATÔMICA É RESULTADO DA INTERAÇÃO ENTRE
FORÇAS DE REPULSÃO E DE ATRAÇÃO
a 1+nnb - 2ao4
e)Z2e)(Z1
(- = FT πε
VARIAÇÃO DE FT COM A DISTÂNCIA LEVA À
ENERGIA DE LIGAÇÃO ENTRE ÁTOMOS OU
ÍONS. ESSA FORÇA ESTÁ ASSOCIADA À
TENSÃO NECESSÁRIA PARA SEPARAR DOIS
ÁTOMOS OU ÍONS.
MÓDULO DE ELASTICIDADE É OBTIDO PELA
DERIVAÇÃO DE FT EM RELAÇÃO À DISTÂNCIA,
EM POSIÇÕES PRÓXIMAS AO PONTO DE
EQUILÍBRIO.
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ENERGIA DE LIGAÇÃO
EnergiaRepulsão
Distância entreátomos ou íons, a
ao
ao=rcátion + rânion
Ener
gia
EnergiaRepulsão
EnergiaTotal
da1nanb - 2ao4
e)2e)(Z1(Z-
a =TE
+πε∫∞
ENERGIA (ET) ASSOCIADA À LIGAÇÃO IÔNICA É A SOMA DAS
ENERGIAS ENVOLVIDAS COM A ATRAÇÃO E REPULSÃO DOS ÍONS.
ENERGIA DE LIGAÇÃO É DADA POR "FORÇA X DISTÂNCIA“:
anb +
ao4)e2
2Z1(Z+ = TE
πε
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MATERIAIS SÓLIDOS
Em função da natureza das ligações atômicas, os materiais sólidos exibem três tipos de arranjos atômicos:
Estrutura CristalinaSólidos Metálicos - Ex.: Au, Pb, Cu.Sólidos Iônicos - Ex.: NaCl, MgOSólidos Covalentes - Ex.: Diamante, Si
Estrutura AmorfaMateriais Cerâmicos - Ex.: vidroMateriais Poliméricos - Ex.: cadeias complexas Materiais Metálicos Solidificados Rapidamente - Ex.: ligas complexas
Estrutura MolecularMateriais Poliméricos - Ex.: polietileno, borracha natural
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ARRANJOS E LIGAÇÕES
ARRANJOS ATÔMICOS EM MATERIAIS DEPENDEM DE FORÇAS INTERATÔMICAS E DA DIRECIONALIDADE DAS LIGAÇÕES
LIGAÇÃO PODE SER:FORTE OU FRACA / DIRECIONAL OU NÃO
CONSEQÜÊNCIA DE VARIAÇÕES DE ENERGIA E DA LOCALIZAÇÃO DOS ELÉTRONS NO ESPAÇO
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Empacotamento Atômico
Dois Tipos de Ligações: Direcionais e Não-direcionais
Direcionais: Covalentes e Dipolo-Dipolo Arranjo deve satisfazer os ângulos dasligações direcionais
Não-direcionais: Metálica, Iônica Van der WallsArranjo depende de aspectos geométricos e da garantia de neutralidade elétrica
Metais: maior empacotamento possívelCompostos Iônicos: neutralidade elétrica e relação entre tamanhos
N.C. r/R
3 ≥ 0,155
4 ≥ 0,225
6 ≥ 0,414
8 ≥ 0,732
12 1,0