MATCONC I - Aula Teórica 1 - Ligação Atomica

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CIÊNCIA DOS MATERIAIS

Aula – Ligações Químicas e Estruturas

Atômicas

Materiais de Construção Civil I USJT

Tecnologia de Concreto e Aço

Definições

Matéria

Tudo que tem massa e ocupa espaço

Constituída por partículas muito pequenas

chamadas moléculas, cuja a ordem de grandeza

é de 1Â (10

-10

_)cm

1 mL de água (H

2

O) contém 33x10

21

móleculas

Definições

Substância

Composta por apenas um tipo de molécula ou

átomos

Substância simples

Constituída por um único tipo de constituinte Ex: Fe2, O2

Substância composta

Constituída por mais de um tipo de constituinte Ex: H20, NaCl

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Definições

Mistura

Composta por duas ou mais substâncias

Homogêna

Apresenta apenas uma fase = Solução Podem ser separados por processos físicos Leite, água do mar, ar

Heterôgenea

Apresenta duas ou mais fases

Definições

Estados da Matéria

Sólido

Mantém volume e forma

Líquido

Mantém volume, mas adquire a forma do recipiente

Gasoso

Não mantém volume nem forma, varia com o recipiente

Definições

Estados da Matéria

Sólido

Mantém volume e forma

Moléculas muito próximas, mantendo posição por atração e coesão

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Definições

Estados da Matéria

Líquido

Mantém volume, mas adquire a forma do recipiente Pode ser obtido a partir de um sólido, a partir da diminuição das forças de atração e coesão

Gasoso

É obtido pela supressão das forças de atração e coesão

Tem a capacidade de fluir - Fluidos

Definições

Estados da Matéria

Líquido

Mantém volume, mas adquire a forma do recipiente Pode ser obtido a partir de um sólido, a partir da diminuição das forças de atração e coesão

Gasoso

É obtido pela supressão das forças de atração e coesão

Tem a capacidade de fluir - Fluidos

Definições

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Estrutura Atômica e Molecular

Átomos

Menor elemento das moléculas

Formado por:

Núcleo

Prótons – carga positiva Nêutrons – eletricamente neutro Maior parte da massa do átomo

Eletrosfera

Camadas de energia em volta do núcleo Elétrons

Carga negativa

Tem cerca de 1/1836 da massa do próton

Estrutura Atômica e Molecular

Átomos

Modelo Planetário

Elétrons orbitando ao redor de um núcleo, que, por sua vez, é composto por prótons e nêutrons.

Estrutura Atômica e Molecular

Átomos

Modelo Planetário

Elétrons orbitando ao redor de um núcleo, que, por sua vez, é composto por prótons e nêutrons. Elétrons são partículas carregadas, sendo sua carga elétrica convencionada negativa e igual a 1,6x10-19_C.

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Estrutura Atômica e Molecular

Átomos

Massa Atômica

A massa atômica de um átomo está concentrada no núcleo

A massa do elétron é apenas 0,005g da massa de um próton ou de um nêutron

A unidade de massa atômica (u.m.a) é definida como sendo 1/12 da massa do carbono 12.

1 g = 6,02x1023_{u.m.a (Número de Avogrado)}

A massa atômica é a massa do número de Avogrado (N) de átomos.

N= 6,02x1023_{/mol é o número de átomos em um g.mol.}

A massa do átomo se dá pela divisão da massa atômica pelo número de Avogrado

Estrutura Atômica e Molecular

Átomos

Número Atômico

Indica o número de elétrons ou de prótons de cada átomo

São os elétrons, particularmente os mais afastados do núcleo, que afetam a maioria das propriedades de interesse da engenharia:

Propriedades químicas

Estabelecem a natureza das ligações interatômicas Características mecânicas e de resistência Condutividade elétrica

Características óticas

Estrutura Atômica e Molecular

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Estrutura Atômica e Molecular

Átomos

Tabela Periódica

Estrutura Atômica e Molecular

Átomos

Tabela Periódica

Estrutura Atômica e Molecular

Átomos

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Estrutura Atômica e Molecular

Estrutura Eletrônica do Átomo

Os elétrons que circundam o núcleo de um átomo

não o fazem dentro de um mesmo nível energético.

Eles respeitam níveis ou grupos quânticos.

Camadas Quânticas

Níveis crescentes de energia K=1; L=2; M=3; N=4, O=5; P=6; Q=7 Número máximo de elétrons = 2n2

Subníveis

São quatro possíveis: s (2); p (6); d (10); f (14)

Estrutura Atômica e Molecular

Estrutura Eletrônica do Átomo

Orbitais – Princípio de exclusão de Pauli

Apenas dois elétrons, no máximo, podem possuir o mesmo número quântico orbital e, mesmo assim, eles não são idênticos, pois possuem comportamentos magnéticos (spins opostos).

O spin está relacionado com o movimento rotacional do elétron em torno do seu eixo

Estrutura Atômica e Molecular

Estrutura Eletrônica do Átomo

Camada de Valência

A valência de um átomo está relacionada com a habilidade do átomo para entrar em combinação química com outros elementos, sendo frequentemente determinada pelo número de elétrons na camada mais externa, em especial nos subníveis “s p”.

Em geral, os átomos tendem a buscar um arranjo altamente estável de 8 elétrons na última camada ou na camada de valência.

Em busca deste arranjo estável na última camada, os átomos terão tendência de perder, ganhar ou compartilhar elétrons.

Esta tendência influenciará no tipo de ligação entre ocorrerá os átomos na formação das moléculas ou compostos.

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Estrutura Atômica e Molecular

Moléculas

Composto de partículas de 2 ou mais átomos quimicamente ligados um ao outro

Os átomos permanecem unidos por forças denominadas ligações químicas

Maioria das substâncias é composta por diferentes elementos formando um composto químico estável

As propriedades químicas dos átomos são função da última camada de elétrons

O tipo de ligação química entre os elementos é determinado pelos elétrons do nível de valência, que definem a afinidade química dos elementos

Estrutura Atômica e Molecular

Ligações Atômicas

Ligações primárias (fortes) Iônicas

Covalente Metálica

Ligações secundárias (forças de van dee Walls) Moléculas polares

Dipolos induzidos Pontes de hidrogênio

Estrutura Atômica e Molecular

Ligações Atômicas

Ligações Iônicas

Ligação química através de transferência de elétrons entre átomos eletropositivos (metais) e eletronegativos (não-metais). Ligação forte e não direcional.

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Estrutura Atômica e Molecular

Ligações Atômicas

Ligações Iônicas

Os átomos têm que permanecer próximos de modo a manter a relação de troca de elétrons, segundo uma distância ótima. O número de íons que se acomodam depende de:

fatores geométricos (raio atômicos e empacotamento neutralidade elétrica (camada de valência)

Estrutura Atômica e Molecular

Ligações Atômicas

Ligações Iônicas

F total= F atractiva+ F repulsiva

Estrutura Atômica e Molecular

Ligações Atômicas

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Estrutura Atômica e Molecular

Ligações Atômicas

Ligações Iônicas

Os materiais iônicos, quando submetidos a esforços mecânicos que ultrapassam sua capacidade resistente, normalmente se comportam de maneira frágil, isto é, apresentam-se pouco dúcteis, com baixas deformações até a ruptura.

Os materiais iônicos possuem, em geral, baixa condutividade elétrica.

Estrutura Atômica e Molecular

Ligações Atômicas

Ligações Covalentes

Ligação química através do compartilhamento de elétrons entre 2 átomos com orbitais semi-preenchidas.

O compartilhamento ocorre por sobreposição das orbitais, que confere à ligação um caráter direcional.

1 par de elétrons compartilhado

Estrutura Atômica e Molecular

Ligações Atômicas

Ligações Covalentes

Os materiais formados por ligações covalentes são, em geral, pouco dúcteis e têm baixa condutividade elétrica.

Exemplos: materiais cerâmicos , semicondutores e polímeros. Materiais cerâmicos

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Estrutura Atômica e Molecular

Ligações Atômicas

Ligações Metálicas

Ligação química considerada como uma atração entre íons positivos e elétrons livres

Este efeito origina uma estrutura formada por um cerne iônico (carga positiva) e elétrons livres (carga negativa).

A mobilidade dos elétrons confere à ligação um caráter não direcional.

Ligações Atômicas

Ligações Metálicas

Os elétrons livres dão aos metais sua elevada condutibilidade elétrica e térmica

Nuvens de elétrons absorve a energia luminosa, tornando os metais opacos

Estrutura Atômica e Molecular

Elevada Ductilidade Boa condutividade térmica e eléctrica

Ligações Secundárias - Forças de Van der

Waals

Juntam moléculas ou grupos de átomos por meio de atrações eletrostáticas relativamente fracas

Princípio similar ao da ligação iônica, ou seja, se dá pela atração de cargas opostas, mas sem ocorrer transferência de elétrons.

Neste caso, a atração depende das distribuições assimétricas de cargas positiva e negativa (Dipolo) dentro de cada átomo ou de uma unidade molecular sendo ligada. Tipos

Moléculas Polares Dipolos induzidos Ponte de Hidrogênio

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Ligações Secundárias - Forças de Van der

Waals

Móleculas Polares

Móleculas que apresenta um desbalanceamento elétrico, ou seja, o centro de carga positiva não é coincidente com o centro de carga negativa.

Exemplo: HF

Estrutura Atômica e Molecular

Ligações Secundárias - Forças de Van der

Waals

Dipolos Induzidos

Ocorrem com móleculas inicialmente simétricas que, por alguma razão, sofrem uma polarização momentânea.

Esta alteração é decorrente do movimento ao acaso dos elétrons e da vibração atômica.

A atração entre dipolos é fraca, porém não desprezível.

Estrutura Atômica e Molecular

Ligações Secundárias - Forças de Van der

Waals

Ponte de Hidrogênio

É um caso particular de atação por moléculas polares, em que a carga positiva do núcleo do átomo de hidrogênio de uma mólecula é atraída pelos elétrons de valência de átomos de moléculas adjacentes.

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Espaço interatômico

É a distância de equilíbrio entre os átomos, sendo determinada por um balanço entre forças de atração e repulsão.

Metal sólido: é igual ao diâmetro do átomo Materiais ligados ionicamente: soma de dois diferentes raios iônicos

Raio Iônico Raio Atômico

Os átomos com distâncias inferiores à distância de equilíbrio sofrem efeitos repulsivos dos seus núcleos Os átomos separados com distãncias superiores à distãncia de equilíbrio vão perdendo a força que os mantém unidos.

Estrutura Atômica e Molecular

Energia de ligação

É a energia mínima requerida para criar ou para quebrar a ligação

Algumas das propriedades dos materiais são afetadas pela relação força-distância ou energia-distância

Módulo de elasticidade Coeficiente de Variação Térmica

Estrutura Atômica e Molecular

Ligação Energia de Ligação (kJ/mol)

Iônica 625 – 1550

Covalente 520 – 1250

Metálica 100 – 800

Forças de Van der Waals < 40

Ligações Atômicas características dos

principais materiais

Estrutura Atômica e Molecular

Material

Estrutura Propriedades Ligação Cristalinidade Estabilidade Condutibi_lidade Mecânica

Cerâmico _covalenteIônica, _cristalinaAmorfa, Alta Média Média

Metálico Metálica Cristalina Média Alta Alta

Polimérico Covalente

van der Waals

Amorfa,

semicristalina Baixa Baixa Baixa

[V an V la ck ,1 97 3]

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Ligações Atômicas características dos

principais materiais

Estrutura Atômica e Molecular

[V an V la ck , 19 73 ] (d) van der Waals (a) metálica (b) iônica (c) covalente

+ + + + + + + + + – – – _– – – _– – – – + – + – + – + – – – – – – – – –+– – – – – – – –+ – + – +

Ligações Atômicas características dos

principais materiais

Estrutura Atômica e Molecular

Os arranjos atômicos que propiciam a

formação dos materiais, podem ser de três

tipos:

Estrutura Molecular

Estrutura Cristalina

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Estrutura Molecular

Molécula: número limitado de átomo fortemente

ligados entre si, mas de forma que as forças de

atração entre uma molécula e as demais sejam

respectivamente fracas (força de Van der Waals).

Pode ser genericamente caracterizada por um

agrupamento de átomos.

Forças de atração intramoleculares muito fortes

Ligações intermoleculares são do tipo forças de van

de waals.

Exemplos:

H20; O2; N2; HNO3; Polímeros

Estrutura Atômica e Molecular

Estrutura Molecular

Pontos de fusão e de ebulição de

um composto molecular são

baixos quando comparados com

outros materiais

Os sólidos moleculares são moles,

porque as moléculas podem

escorregar uma em relação às

outras com aplicações de

pequenas tensões

As moléculas permanecem

intactas, quer na forma líquida,

quer na forma gasosa.

Estrutura Atômica e Molecular

Estrutura Cristalina

Caracterizada quando existe uma

organização na disposição espacial dos

átomos que constituem determinado

arranjo atômico.

Regularidade estrutural, com a repetição,

nas três dimensões, de uma unidade

básica – Célula unitária

Subdivisão do reticulado cristalino, na qual são mantidas as características gerais de todo o reticulado.

Conhecendo a célula unitária, pode-se descrever a estrutura do cristal que caracteriza o material.

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Estrutura Cristalina

Estrutura Atômica e Molecular

Os átomos são representados como

esferas rígidas

Sistemas Cristalinos

Sete sistemas cristalinos

Cúbico Tetragonal Ortorrômbico Romboédrico Hexagonal Monoclínico Triclínico

Estrutura Atômica e Molecular

Sistemas

Cristalinos

Dos 7 sistemas cristalinos podemos identificar 14 tipos diferentes de células unitárias, conhecidas com redes de Bravais. Cada uma destas células

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Alotropia (ou polimorfismo)

Diferentes formas cristalinas que um sólido cristalino

pode assumir, mantendo a mesma composição química.

Alguns materiais, metais e não-metais, podem ter mais

de uma estrutura cristalina, dependendo da temperatura

e pressão, com a mesma composiçào química. Esse

fenômeno é conhecido como polimorfismo.

Geralmente as transformações polimórficas são

acompanhadas de mudanças na densidade e mudanças

de outras propriedades físicas.

Grafita x Diamante SiC

Ferro (ccc) e (cfc)

Estrutura Atômica e Molecular

Estrutura não cristalina –

Amorfa

Os átomos não possuem um arranjo atômico regular e sistemático ao longo de distâncias atômicas relativamente grandes São chamados de amorfos ou líquidos super resfriados, visto que suas estruturas atômicas lembram as de uma líquido Resfriamento rápido favorece a formação de um sólido não cristalino (pouco tempo disponível para o processo de ordenação) Os vidros inorgânicos são amorfos. São considerados líquidos super resfriados.

Sílica ativa, cimento, escória de alto forno, cinza volante e cinza de casca de arroz.

Estrutura Atômica e Molecular

Estrutura não cristalina –

Amorfa

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Fases dos Materiais

Os materiais podem ser ser:

Homogêneos – Unifásicos Polifásicos

As fases podem ser:

Fases Amorfas Fases Cristalinas

Fases Cristalinas

Fases impuras: soluções sólidas em metais Solução Sólido Substitucional

Solução Sólida Intersticial

Estrutura Atômica e Molecular

Fases dos Materiais

Solução Sólida Substitucional

Ocorre quando um átomo do soluto tem dimensões e estruturas eletrônicas semelhantes ao átomo solvente.

Desta forma, ocorre substituição de alguns átomos da matriz do solvente por átomos semelhantes do soluto

Bronze

Estanho na matriz de cobre Latão

Átomos de Zinco substituindo parte de átomos de Cobre

Estrutura Atômica e Molecular

Fases dos Materiais

Solução Sólida Intersticial

Ocorre quando a dissolução se dá pela inserção de novos átomos do soluto em interstícios entre átomos do solvente.

Os átomos a serem inseridos devem ter dimensões iguais ou inferiores aos interstícios entre os átomos do solvente.

Aço de construção

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Fases dos Materiais

Solução Sólida em Compostos

As dimensões atômicas ou iônicas devem ser simlares, assim como as cargas de valência do íon substituído em relação ao novo íon devem ser idênticas

Química do cimento

Etringita e monossulfato: substituição de parte do alumínio por ferro (daí a sigla AF) Copolímeros

Estrutura Atômica e Molecular

Imperfeições Estruturais

Todos os materiais contêm imperfeições nos seus arranjos atômicos

Interferência no comportamento global

Imperfeições Cristalinas

Defeitos Pontuais

Vazio Átomo intersticial Átomo substitucional pequeno Átomo substitucional grande Defeito de Frenkel

Íon se desloca de sua posição normal para ocupar um interstício Defeito de Schottky

Vazio gerado pela ausência de um par de íons de cargas elétricas opostas

Estrutura Atômica e Molecular

Imperfeições Estruturais

Defeitos de Linhas

Tem forte relação com as deformações plásticas em sólido cristalinos Explica o escorregamento (de cristais) nos metais – escoamento e ductilidade do material metálico

Discordância em cunha ou em aresta Discordância helicoidal ou em espiral

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Imperfeições Estruturais

Defeitos de superfícies

Superfície do material

A parte externa superficial representa uma região do material onde o reticulado cristalino termina abruptamente. Superfície exterior mais reativa do que a parte interna Fenômenos de adsorção e de tensão superficial Forma esférica da gota de água sobre a superfície de um material: a forma esférica reduz a área externa – de contato – por unidade de volume, o que, reduz a energia superficial.

Contorno do grão

Interfere no comportamento quanto à deformação plástica do material: alteração dos movimentos de discordâncias Metal com granulação grosseira (maior tamanho de grão) se apresenta mais quebradiço (menos dúctil) e com maior facilidade de propagação de fissuras no interior dos grãos em função dos planos de clivagem.