Estruturas e Propriedades Estruturas e Propriedades dos Materiaisdos Materiais

Prof. Antônio César BozziProf. Antônio César Bozzi

Universidade Federal do Espírito SantoUniversidade Federal do Espírito SantoCentro TecnológicoCentro Tecnológico

Departamento de Engenharia MecânicaDepartamento de Engenharia Mecânica

Ligação AtômicaLigação Atômica Porque estudar a estrutura atômica ? Porque estudar a estrutura atômica ?

As propriedades macroscópicas dos materiais As propriedades macroscópicas dos materiais dependem essencialmente do tipo de ligação dependem essencialmente do tipo de ligação entre os átomos.entre os átomos.

O tipo de ligação depende fundamentalmente O tipo de ligação depende fundamentalmente dos elétrons.dos elétrons.

Os elétrons são influenciados pelos prótons e Os elétrons são influenciados pelos prótons e nêutrons que formam o núcleo atômico. nêutrons que formam o núcleo atômico.

Os prótons e nêutrons caracterizam Os prótons e nêutrons caracterizam quimicamente o elemento e seus isótopos.quimicamente o elemento e seus isótopos.

Estrutura Atômica – Modelo de BohrEstrutura Atômica – Modelo de Bohr

Modelo Atômico de Bohr e Mecânico-Modelo Atômico de Bohr e Mecânico-OndulatórioOndulatório

Orbitais e Níveis de EnergiaOrbitais e Níveis de Energia

Os elétrons são atraídos pelos prótons Os elétrons são atraídos pelos prótons

Os elétrons se distribuem em orbitaisOs elétrons se distribuem em orbitais

Níveis de energia bem definidosNíveis de energia bem definidos

• Os elétrons não podem assumir níveis intermediáriosOs elétrons não podem assumir níveis intermediários

• Para trocar de nível, os elétrons tem que receber a Para trocar de nível, os elétrons tem que receber a energia exata que diferencia dois níveis.energia exata que diferencia dois níveis.

A energia é função da distância dos elétrons ao núcleoA energia é função da distância dos elétrons ao núcleo

• Quanto mais perto do núcleo mais ligado o elétron Quanto mais perto do núcleo mais ligado o elétron

• Quanto mais longe do núcleo menos ligado Quanto mais longe do núcleo menos ligado

Se o elétron recebe energia suficiente, ele é arrancado, Se o elétron recebe energia suficiente, ele é arrancado, se torna um elétron livre e o átomo é ionizadose torna um elétron livre e o átomo é ionizado

Números QuânticosNúmeros QuânticosNúmero quântico principal (camada): distância ou posição do elétron.

n=1,2,3,4,5..(K, L, M, N, O...).

Número quântico secundário (subcamada): forma da subcamada. s,p,d,f...

Número quântico terciário: número de estado energéticos de cada subcamada. s=1, p=3, d=5, f=7...

Número quântico de spin: momento de rotação do elétron (+1/2, -1/2).

Princípio de Princípio de Exclusão de PauliExclusão de Pauli

Configurações EletrônicasConfigurações Eletrônicas

Configuração ou estrutura eletrônica: representa a maneira Configuração ou estrutura eletrônica: representa a maneira segundo a qual o estados energéticos ou elétrons são segundo a qual o estados energéticos ou elétrons são ocupados.ocupados.

Estado ativadoEstado ativado

Estado fundamentalEstado fundamental

Elétrons de valência: são aqueles que ocupam a camada Elétrons de valência: são aqueles que ocupam a camada preenchida mais externa participam das ligações entre preenchida mais externa participam das ligações entre átomos para formar agregados atômicos ou moleculares átomos para formar agregados atômicos ou moleculares nos sólidos.nos sólidos.

Configurações eletrônicas estáveis: átomos com a camada Configurações eletrônicas estáveis: átomos com a camada eletrônica de valência completamente preenchida eletrônica de valência completamente preenchida (normalmente, os estados (normalmente, os estados ss e e pp da camada mais externa da camada mais externa ocupados com oito elétrons).ocupados com oito elétrons).

Tabela PeriódicaTabela Periódica

EletronegatividadeEletronegatividade

Na distância de equilíbrio, a força de atração entre os íons é

compensada pela força de repulsão entre as nuvens eletrônicas

Forças e Energias de LigaçãoForças e Energias de Ligação

Forças e Energias de LigaçãoForças e Energias de Ligação F = dE/daF = dE/da O ponto em que a força de O ponto em que a força de

ligação é zero ligação é zero corresponde ao ponto de corresponde ao ponto de mínima energiamínima energia (configuração estável).(configuração estável).

Valores típicos para aValores típicos para a00 são são da ordem de 0,3 nm da ordem de 0,3 nm (0,3x10(0,3x10-9-9m).m).

Valores típicos para a Valores típicos para a energia de ligação são energia de ligação são entre 600 e 1500 kJ/mol.entre 600 e 1500 kJ/mol.

A energia de ligação está A energia de ligação está diretamente relacionada diretamente relacionada com o com o ponto de fusão do ponto de fusão do materialmaterial..

Comentários sobre forças e energias Comentários sobre forças e energias de ligaçãode ligação

Força de repulsãoForça de repulsão possui origem quântica. possui origem quântica. Princípio de Exclusão de PauliPrincípio de Exclusão de Pauli: duas partículas : duas partículas não podem ocupar o mesmo estado quântico.não podem ocupar o mesmo estado quântico.

Força de atraçãoForça de atração possui origem eletrostática: possui origem eletrostática: Interação Coulombiana, interações dipolares, Interação Coulombiana, interações dipolares, interações entre elétrons na última camada.interações entre elétrons na última camada.

Energia de ligaçãoEnergia de ligação é a energia associada com a é a energia associada com a formação da ligação partindo da condição inicial formação da ligação partindo da condição inicial que os átomos (íons) estão inicialmente que os átomos (íons) estão inicialmente separados de uma distância infinita e vice-versa.separados de uma distância infinita e vice-versa.

Sempre que uma ligação é formada, o sistema Sempre que uma ligação é formada, o sistema apresenta uma redução de energia.apresenta uma redução de energia.

A energia é mínima na condição interatômica de A energia é mínima na condição interatômica de equilíbrio (poço de potencial).equilíbrio (poço de potencial).

Quanto mais fundo o poço, mais estável é a Quanto mais fundo o poço, mais estável é a ligação, maior é o ponto de fusão/ebulição do ligação, maior é o ponto de fusão/ebulição do material.material.

Módulo de Elasticidade (E)Módulo de Elasticidade (E)

Módulo de Elasticidade X TemperaturaMódulo de Elasticidade X Temperatura

Expansão TérmicaExpansão Térmica

Os átomos estão constantemente vibrando ao Os átomos estão constantemente vibrando ao redor da posição de equilíbrio.redor da posição de equilíbrio.

A distância interatômica de equilíbrio, aA distância interatômica de equilíbrio, a00, só é , só é

bem definida quando a temperatura é 0 K.bem definida quando a temperatura é 0 K. Normalmente o poço de potencial não é Normalmente o poço de potencial não é

simétrico e a distância interatômica média simétrico e a distância interatômica média aumenta gerando a aumenta gerando a EXPANSÃO TÉRMICAEXPANSÃO TÉRMICA. .

O poço de energia potencial e O poço de energia potencial e o espaçamento interatômico o espaçamento interatômico em condições de equilíbrio a em condições de equilíbrio a uma temperatura de 0ºK, auma temperatura de 0ºK, a00, , corresponde ao ponto mínimo corresponde ao ponto mínimo no poço de energia potencial. no poço de energia potencial.

Um incremento na Um incremento na temperatura, aumenta a temperatura, aumenta a energia vibracional fazendo energia vibracional fazendo que a distância interatômica que a distância interatômica média aumente.média aumente.

Expansão TérmicaExpansão Térmica

Expansão TérmicaExpansão Térmica

A expansão térmica se deve à A expansão térmica se deve à curva do poço de energia curva do poço de energia potencial ser potencial ser assimétricaassimétrica, e não , e não às maiores amplitudes às maiores amplitudes vibracionais dos átomos em vibracionais dos átomos em função da elevação da função da elevação da temperatura.temperatura.

Se a curva da energia potencial Se a curva da energia potencial fosse fosse simétricasimétrica não existiria não existiria qualquer variação liquida ou qualquer variação liquida ou global na separação interatômica global na separação interatômica e, consequentemente, não e, consequentemente, não existiria qualquer expansão existiria qualquer expansão térmica.térmica.

Questão para refletir...Questão para refletir...

Como seria o formato da curva de Como seria o formato da curva de energia potencial X distância energia potencial X distância interatômica de um interatômica de um elemento/substância com coeficiente elemento/substância com coeficiente de expansão térmica linear (de expansão térmica linear () ) negativo???negativo???

Expansão térmica linear em função da temperatura

Expansão TérmicaExpansão Térmica

A temperatura de fusão e o coeficiente de expansão térmica linear () são função da força de ligação e magnitude das vibrações térmicas

Coeficiente de Expansão Térmica Coeficiente de Expansão Térmica X X

Temperatura de FusãoTemperatura de Fusão

Classificação das LigaçõesClassificação das Ligações Ligações Primárias ou FortesLigações Primárias ou Fortes

Iônica Iônica

CovalenteCovalente

MetálicaMetálica

Ligações Secundárias ou FracasLigações Secundárias ou Fracas

van der Waalsvan der Waals

• Dipolo permanenteDipolo permanente

• Dipolo induzidoDipolo induzido

Ligação IônicaLigação Iônica

Formada entre dois átomos que se Formada entre dois átomos que se ionizamionizam

O sódio tem apenas um elétron na O sódio tem apenas um elétron na última camada. Este elétron é última camada. Este elétron é fracamente ligado porque os outros fracamente ligado porque os outros 10 elétrons 10 elétrons blindam blindam a atração do a atração do núcleo.núcleo.

O cloro tem 7 elétrons na última O cloro tem 7 elétrons na última camada. Se adquirir mais um camada. Se adquirir mais um elétron forma uma configuração elétron forma uma configuração mais estável.mais estável.

O sódio perde um elétron e se O sódio perde um elétron e se ioniza, ficando com carga positiva ioniza, ficando com carga positiva (cátion).(cátion).

O cloro ganha o elétron e também O cloro ganha o elétron e também se ioniza, ficando se ioniza, ficando nnegativo (âegativo (ânnion).ion).

Os íons se ligam devido à Os íons se ligam devido à atração atração coulombianacoulombiana entre cargas opostas.entre cargas opostas.

Note a diferença entre o raio Note a diferença entre o raio atômico e o raio iônico.atômico e o raio iônico.

Raio Atômico e IônicoRaio Atômico e Iônico

Raio atômicoRaio atômico é o raio de um átomo na condição neutra, é o raio de um átomo na condição neutra, normalmente medido entre primeiros vizinhos de um normalmente medido entre primeiros vizinhos de um material puro deste tipo de átomo.material puro deste tipo de átomo.

Raio iônicoRaio iônico é o raio do átomo após sua ionização, é o raio do átomo após sua ionização, depende do tipo de ionizaçãodepende do tipo de ionização

Raio covalenteRaio covalente é o raio que um átomo teria na condição é o raio que um átomo teria na condição de ligação covalente.de ligação covalente.

Direcionalidade e CoordenaçãoDirecionalidade e Coordenação

A ligação iônica é não A ligação iônica é não direcional direcional A força de ligação é A força de ligação é

igual em todas as igual em todas as direções.direções.

Para formar um material Para formar um material 3D é necessário que 3D é necessário que cada íon de um tipo cada íon de um tipo esteja cercado de íons esteja cercado de íons do outro tipodo outro tipo

Número de Coordenação Número de Coordenação (NC): Número de vizinhos (NC): Número de vizinhos mais próximos de um dado mais próximos de um dado átomoátomo

Força de atração na ligação iônica:

Calcule a força de atração em uma Calcule a força de atração em uma molécula de Namolécula de Na22O O

Ligação CovalenteLigação Covalente Gerada pelo compartilhamento de elétrons de valência Gerada pelo compartilhamento de elétrons de valência

entre os átomos.entre os átomos. Elétrons de valência são os elétrons dos orbitais mais Elétrons de valência são os elétrons dos orbitais mais

externos. externos. Ex: Molécula de ClEx: Molécula de Cl22 Um elétron de cada átomo é compartilhado com o Um elétron de cada átomo é compartilhado com o

outro, gerando uma camada completa para ambos.outro, gerando uma camada completa para ambos.

A ligação covalente é direcional e forma ângulos A ligação covalente é direcional e forma ângulos bem definidos.bem definidos.

Tem uma grande faixa de energias de ligação Tem uma grande faixa de energias de ligação (pontos de fusão)(pontos de fusão) Energias da ordem de centenas de kJ/molEnergias da ordem de centenas de kJ/mol Ex: Carbono na estrutura do diamante 3550°CEx: Carbono na estrutura do diamante 3550°C Ex: Bismuto 270°CEx: Bismuto 270°C

Ligação CovalenteLigação Covalente

HH2OO

PolímerosPolímeros

Etileno e Polietileno Etileno e Polietileno Na molécula de etileno Na molécula de etileno

(C(C22HH22), os carbonos ), os carbonos compartilham dois pares compartilham dois pares de elétrons.de elétrons.

A ligação covalente dupla A ligação covalente dupla pode se romper em duas pode se romper em duas simples permitindo a simples permitindo a ligação com outros ligação com outros “meros” para formar uma “meros” para formar uma longa mólecula de longa mólecula de polietileno.polietileno.

Ligação MetálicaLigação Metálica

Nos metais, existe uma grande quantidade de elétrons Nos metais, existe uma grande quantidade de elétrons quase livres, os elétrons de condução, que não estão quase livres, os elétrons de condução, que não estão presos a nenhum átomo em particular.presos a nenhum átomo em particular.

Estes elétrons são compartilhados pelos átomos, Estes elétrons são compartilhados pelos átomos, formando uma nuvem eletrônica, responsável pela alta formando uma nuvem eletrônica, responsável pela alta condutividade elétrica e térmica destes materiais.condutividade elétrica e térmica destes materiais.

A ligação metálica é não direcional, semelhante à A ligação metálica é não direcional, semelhante à ligação iônica.ligação iônica.

Na ligação metálica há compartilhamento de elétrons, Na ligação metálica há compartilhamento de elétrons, semelhante à ligação covalente, mas o semelhante à ligação covalente, mas o compartilhamento envolve todos os átomos.compartilhamento envolve todos os átomos.

As energias de ligação também são da ordem de As energias de ligação também são da ordem de centenas de kJ/mol. centenas de kJ/mol.

Ligação MetálicaLigação Metálica

Ligações SecundáriasLigações Secundárias

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

A ligação é gerada por pequenas assimetrias na A ligação é gerada por pequenas assimetrias na distribuição de cargas do átomos, que criam distribuição de cargas do átomos, que criam dipolosdipolos. . Um dipolo é um par de cargas opostas que Um dipolo é um par de cargas opostas que

mantém uma distância entre si.mantém uma distância entre si. Dipolo permanenteDipolo permanente Dipolo induzidoDipolo induzido

Dipolos Permanentes e InduzidosDipolos Permanentes e Induzidos

Dipolo Permanente Dipolo Permanente Gerado pela estrutura Gerado pela estrutura

da molécula.da molécula. Energias de ligação Energias de ligação

próximo de 20kJ/molpróximo de 20kJ/mol Ex: Pontes de Ex: Pontes de

Hidrogênio em HHidrogênio em H22O.O.

Dipolo Induzido Dipolo Induzido A separação de cargas é A separação de cargas é

pequena.pequena. Energias de ligação são Energias de ligação são

muito pequenas (1kJ/mol)muito pequenas (1kJ/mol)

Resumo: Tipos de LigaçõesResumo: Tipos de Ligações

Energias de ligação e temperaturas de fusão Energias de ligação e temperaturas de fusão para substâncias com vários tipos de para substâncias com vários tipos de

ligaçõesligações

Exercício:Exercício: Faça um gráfico da energia de ligação em função da Faça um gráfico da energia de ligação em função da

temperatura de fusão para os metais listados na Tabela abaixo. temperatura de fusão para os metais listados na Tabela abaixo. Utilizando o gráfico, faça uma estimativa da energia de ligação Utilizando o gráfico, faça uma estimativa da energia de ligação do cobre o qual possui uma temperatura de fusão de 1084 ºC.do cobre o qual possui uma temperatura de fusão de 1084 ºC.

ExemploExemplo

Calcule a força de atração entre Na+ e Cl- Calcule a força de atração entre Na+ e Cl- em uma molécula de NaClem uma molécula de NaCl

As ligações covalente e iônica geralmente não são “puras” As ligações covalente e iônica geralmente não são “puras” mas sim uma mistura com proporções que dependem, mas sim uma mistura com proporções que dependem, essencialmente, da diferença de eletronegatividade dos essencialmente, da diferença de eletronegatividade dos

átomos envolvidosátomos envolvidos..