Aula 2 Estrutura e Ligação atômica. Professora: Maria Ismenia Sodero

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Aula 2

Estrutura e Ligação atômica

Professora: Maria Ismenia Sodero

(2)

Assuntos que serão tratados

1. Natureza e estrutura de um átomo;

2. Configuração eletrônica;

3. Tipos de ligações primárias;

4. Tipos de ligações secundárias;

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Estrutura do átomo

ÁTOMO

Unidade básica de um elemento

Diametro : 10

–10

m.

Neutralidade de carga

Núcleo

Diametro : 10

–14

m

Responsável pela

carga positiva

Elétron

Massa : 9.109 x 10

–28

g

Carga : -1.602 x

10 –9

_C

Responsável pelo volume

Próton

Massa : 1.673 x 10

–24

g

Carga : 1.602 x 10

–19

C

Neutron

Massa : 1.675 x 10

–24

g

Carga neutra

Nuvem de elétrons

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Natureza e Estrutura do átomo

As propriedades dos materiais são,

em última análise, determinadas

pelos tipos de átomos presentes,

por suas orientações relativas e

pela natureza das ligações entre

eles.

O tamanho relativo de um átomo e do seu núcleo composto de prótons e nêutrons. Notar que, contrariamente ao desenho, a fronteira do átomo não é bem definida.

Fundamentos da Ciência e Engenharia dos Materiais William F. Smith/Javad Hashemi

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Número atômico e Número de Massa

Número atômico (Z)

=

Número de prótons do núcleo

Específico para cada elemento, responsável por caracterizá-lo  Exemplo :- Hidrogênio = 1, Urânio = 92

Número de massa (A)

= soma de prótons e nêutrons no núcleo de um átomo.

Exemplo :- Carbono tem 6 prótons e 6 nêutrons. A= 12.

Isótopos: todos os átomos possuem o mesmo número de prótons, mas nem todo mesmo elemento tem o mesmo numero de nêutrons. Essas variações, são os isótopos, ou seja, mesmo numero atômico, mas diferentes números de massa). Ex: H (hidrogênio),2_{H (deutério) e}3_{H (trítio)}

Um grama

Mol de C

12 Gramas

De carbono

6.023 x 10

23

Átomos

carbono

𝑍 𝐴

_{𝐶 𝑜𝑢}

6 12

_𝐶

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Estrutura Eletrônica dos átomos

Teoria quântica de Planck

Max Planck:

átomos e as moléculas emitem energia somente em certas quantidades discretas, denominadas

quanta

.

Maxwell:

na radiação eletromagnética a E é liberada e transmitida na forma de onda eletromagnéticas, que se propagam a velocidade da luz;



=

𝑐

_

 = frequência (s-1_{ou Hz)}

= comprimento de onda (10-9_m)

c = velocidade da onda = velocidade da luz = 3,0x108_{m/s no vácuo;}

Planck = átomos que emitem esta radiação o fazem em quantidades discretas (quanta)

A Energia contida em um único quantum de energia é dada pela seguinte equação:

E=𝒉

Onde: h= constante de Planck = 6,63x10-34_J.s

= frequência de radiação (HZ)

𝑬 =

𝒉𝒄

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Teoria de Bohr do átomo de hidrogênio

Baseou-se na teoria quântica de Planck para explicar como os átomos de hidrogênio

excitados absorver ou emitem luz somente em certos comprimentos de onda.

Elétrons se movem ao longo de trajetórias circulares em torno do núcleo com valores

discretos de momento angular (produto da velocidade pelo raio).

A energia do elétron é limitada por um nível de energia que fixa a distância radial do

elétron ao núcleo =

órbita

do elétron

Energia

Emitida

(foton)

Energia

Absorvida

(foton)

Níveis de Energia

∆𝐸 =

ℎ𝑐



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Modelo de Bohr

Considera que os é orbitam ao redor do núcleo atômico em orbitais distintos, onde a posição de um é específico é mais ou menos bem definida em termos do seu orbital;

Bohr introduziu o seu modelo para o átomo de hidrogênio, baseado em 4 postulados:

1- Um elétron se move em uma órbita circular em torno do núcleo sob influencia da atração colombiana do núcleo;

2- O elétron só pode se mover em órbitas que apresentem momentos angulares“quantizados”;

3- O elétron fica em órbitas “estacionárias” e não emite radiação eletromagnética. Portanto, sua energia total E permanece constante;

4- Radiação é emitida se um elétron, que se move inicialmente numa órbita de energia Ei, muda para uma órbita de energia Ef, menor

que E_i.

Os elétrons circundam o núcleo em níveis discretos. Para um elétron trocar de nível de energia, ele deve ou ganhar ou perder quantidades de energia específicas de energia

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Estrutura eletrônica dos átomos

Comparação entre os modelos atômicos de (a) Bohr e (b) mecânico ondulatório, em termos de distribuição eletrônica

a b

Modelo mecânico ondulatório: considera que os é tendo características tanto de uma onda como de uma partícula. A posição do é é considerada como sendo a probabilidade de umé estar em vários locais ao redor do núcleo– distribuição de probabilidades

Fundamentos da Ciência e Engenharia dos Materiais

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Números Quânticos

Os níveis energéticos de Bohr se separam em subcamadas eletrônicas, e os números quânticos definem o número de estados em cada uma destas subcamadas

(a) Os três estados de energia eletrônicos para o H de Bohr. (b) Estados eletrônicos de energia para as três primeiras camadas do H, segundo o modelo mecânico-ondulatório

a b

Número quântico

principal (n) Designação da camada Subcamadas

Número de estados

Número de elétrons Por subcamada Por camada

Número Quântico Designação

n= principal (camadas) K,L,M,N,O (1,2,3,4,etc) l= subnível (orbitais) s, p, d, f

m_l= magnético 1,3,5,7 (-l a +l) ms= spin ½ -½

Fundamentos da Ciência e Engenharia dos Materiais

William Callister n=1 n=2 s orbital (l=0) p Orbital (l=1) n=1 n=2 n=3

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Energias relativas dos elétrons

Representação esquemática das energias relativas dos elétrons para as várias energias relativas dos elétrons para as várias camadas e subcamadas

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CONFIGURAÇÃO ELETRÔNICA

:

Princípio de Exclusão de Pauli: Cada

estado eletrônico pode comportar no

máximo

dois

elétrons,

os

quais

devem possuir spins opostos.

Os elétrons preenchem os estados

energéticos mais baixos possíveis

nas

camadas

e

subcamadas

eletrônicas,

dois

elétrons

(que

possuem spins opostos) por estado.

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Estado Fundamental

Quando todos os elétrons ocupam as menores energias possíveis de acordo com a

configuração eletrônica.

Representação esquemática dos estados de energia preenchidos e do menor estado de energia não preenchido para um átomo de sódio

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Elétrons de valência

São aqueles que ocupam a camada mais externa. São estes elétrons que participam da ligação entre os átomos para formar agregados atômicos e moleculares.

Alguns átomos possuem o que é denominado configuração eletrônica estável, isto é, os estados na camada eletrônica mais externa, ou de valência, estão completamente preenchidos Esses elementos (Ne, Ar, Kr, He) são os gases inertes, ou gases nobres, que são, virtualmente não reativos.

10

_6p

6

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Examinando a tabela periódica

Configuração eletrônica parcial, no estado fundamental, de todos os elementos na tabela periódica.

Eletronegatividade Elemento eletronegativo capaz de receber elétrons e se tornar carregado negativamente, ou compartilha elétrons.

• Elementos posicionados em ordem crescente de número atômico, em sete fileiras horizontais chamadas de períodos

• Todos os elementos localizados em uma dada coluna ou grupo, possuem estruturas semelhantes dos seus elétrons de valência, assim como propriedades físicas e químicas similares

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Ligação interatômica

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Ligação Primária

Força motriz para formação das ligações

Busca de um estado mais estável

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Ligações interatômicas nos sólidos

A compreensão de muitas das propriedades físicas dos materiais está relacionada às forças interatômicas que unem os átomos uns aos outros.

Consideremos dois átomos que dois átomos isolados interagem conforme se aproxima um do outro a partir de uma distância de separação infinita. À grandes distâncias, as interações são desprezíveis, pois os átomos estão muito distantes para se influenciarem. No entanto, a pequenas distâncias, cada átomo exerce forças sobre o outro.

Essas forças são do tipo atrativa (F_A) e repulsiva (F_R) e a magnitude depende da separação ou da distância interatômicas (r)

Forças de atração e de repulsão geradas durante a ligação iônica. Observar que a força resultante é zero, uma vez formada a ligação.

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Ligação Iônica

Ciência dos Materiais James F. Shackelford

Exemplo

: Considerar a ligação iônica entre o metal

Li (eletronegatividade de 1,0) e o não metal F

(eletronegatividade de 4,0)

(Segundo C.R. Barrett, W.D. Nix and A.S. Tetelman, “The Principles of Engineering Materials”, Prentice-Hall, 1973, p. 27.)

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Força iônica

Z1,Z2 = são os números de elétrons removidos ou anexados a cada átomos e = carga do eletrônica (1,6x10-19 _C)

a = distância Interiônica

ε₀= permissividade - constante dielétrica = (8.85 x 10-12_c2_/Nm2₎

(n e b são constantes)

  



Z

_a

 

Z

_a

e



Z

e

Fatração

₂ 0 2 2 1 2 0 2 1

4

4 











a

n

nb

Fr





_₁



Z

_a

e



_a

n

nb

Fresult

₂ ₁ 0 2 2 1

4











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Energia de Ligação

E n e rg ia d e p o te n cia l (E) Fo rça (F )

𝐸 =

∞ 𝑎

𝐹𝑑𝑎

𝐸 =

∞ 𝑎

𝐹

_𝑎

𝑑𝑎 +

∞ 𝑎

𝐹

_𝑅

𝑑𝑎

𝐸 =

1 4𝜋𝜀

₀

2

𝑎

2

−

𝑏𝑛

𝑎

𝑛+1

𝑑𝑎

A separação atômica infinita é usada como referência, pois E∞ = 0

Onde:

Z1,Z2 = são os números de elétrons removidos ou anexados a cada átomos

e = carga do eletrônica, a = distância Interiônica

ε₀= permissividade - constante dielétrica = (8.85 x 10-12_c2_/Nm2₎

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Propriedades - Energia de ligação

Módulo de Elasticidade

Ligação forte

Ligação fraca

Força

Distância

Curva força-distância interatômicas de dois materiais mostrando a relação entre ligação atômica e módulo de elasticidade. Uma inclinação df/da mais abrupta corresponde a um módulo mais elevado

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Propriedades - Energia de ligação

Coeficiente linear de expansão térmica

Material com ligações atômicas fortes (b) material com ligações fracas. Com a mesma quantidade de energia, o espaçamento interatômico médio sofre menor alteração no material com maior energia de Os materiais com curvas abruptas e com profunda depressão apresentam coeficiente linear de expansão térmica baixo.

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Ligação Iônica e propriedades dos materiais

Devido à intensas forças eletrostáticas que mantêm os íons unidos, os

sólidos iônicos:

• Altas temperatura de fusão;

• Duros e quebradiços;

• Rígidos;

• Resistentes;

• Não conduzem bem a eletricidade (a não ser quando dissolvidos em água)

Figura 2.19 Mecanismo de fratura de sólidos iônicos. O golpe do martelo fará com que

íons semelhantes se emparelhem, gerando forças de repulsão intensas que podem levar à

fratura do material. Fundamentos da Ciência e _{Engenharia dos Materiais}

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Ligação Covalente

São tipicamente observadas entre átomos com pequenas diferenças nas suas eletronegatividades e, entre não metais, cujos átomos se ligam pelo compartilhamento de elétrons.

A ligaçãocovalente é direcional; isto é, ela ocorre entre átomos específicos e pode existir apenas na direção entre um átomo e o outro que participa do compartilhamento dos elétrons.

Ligação Covalente

A ligação covalente pode ser muito forte como no diamante (Tf > 3550o_{C), ou muito fraca, como no} bismuto (Tf ~ 270o_C);

As energias de ligação e as temperaturas de fusão de uns poucos materiais ligados covalentemente estão apresentados na tabela.

Os materiais poliméricos são típicos desse tipo de ligação, sendo a estrutura molecular básica desses materiais frequentemente composta por uma longa cadeia de átomos de carbono

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Estrutura do diamante

Exibe 4 ligações covalentes tetraédricas sp

3

_{, dispostos simetricamente em}

direção aos vértices de um tetraedro regular.

Esta estrutura é responsável pela elevada dureza do diamante e por sua

enorme força de ligação, (711KJ/mol) e alta temperatura de fusão (3550

o

_C).

Ângulos entre os orbitais simétricos sp3

hibridizados em um átomo de carbono Ligações covalentes tetraédricas sp

3 _{em diamantes} chamadas estrutura cúbica do diamante. Cada região sombreada representa um par compartilhado de elétrons.

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Diamante perde sua posição de

material mais duro do mundo

Q-carbono: denominado pelos cientistas como “terceira fase sólida do carbono”, não pode ser encontrado na natureza, exceto talvez no núcleo de alguns planetas, local em que há temperaturas e pressões elevadas.

Apresenta resistência e dureza superiores às do diamante, além de ser muito mais acessível do ponto de vista econômico. Este custo inferior é resultado de um processamento à temperatura ambiente e pressão atmosférica, muito diferente do que ocorre para obtenção do diamante sintético. Para obter o Q-carbono, é necessário cobrir com carbono amorfo um determinado substrato, que pode ser de safira, vidro ou polímeros termoplásticos e então incidir sobre este filme de carbono um pulso de laser de aproximadamente 200 ns de duração, fazendo com que a temperatura do filme alcance cerca de 3727°C. Em seguida, resfria-se o filme amorfo rapidamente, resultando em um filme de Q-carbono de 20 a 500 nm de espessura.

apresenta ainda caráter ferromagnético, ou seja, é facilmente magnetizável. Assim, o material pode ser atraído por ímãs ou mesmo ser uma possível matéria-prima para produzi-los. Outras características interessantes do Q-carbono são exibir um brilho intenso sob corrente elétrica e uma baixa função trabalho, tornando-o promissor para o desenvolvimento de novas tecnologias na área da eletrônica.

Atualmente, os cientistas conseguiram obter apenas filmes do material, o que ainda limita suas aplicações.

http://engenheirodemateriais.com.br/2016/02/12/diamante-perde-sua-posicao-de-material-mais-duro-do-mundo/

Grafite e diamante – as duas outras fases sólidas do carbono.

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Caráter Iônico

Ligação Mista

É possível a existência de ligações interatômicas que são parcialmente

iônica e parcialmente covalentes.

Onde:

%CI - % de caráter iônico de uma ligação entre dois elementos A e B;

X

_A

e X

_B

são as eletronegatividades dos respectivos elementos.



1



.

100

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Ligação Metálica

Fundamentos da Ciência e Engenharia dos Materiais William F. Smith/Javad Hashemi Elétrons de valência na forma de nuvens de carga eletrônica

Elétrons Cernes de íon positivo

Durante a solidificação de uma metal, os seus átomos se arranjam em um denso empacotamento, de maneira organizada e repetitiva, a fim de diminuir a energia e chegar a um estado mais estável na forma de um sólido, assim criando ligações metálicas.

Nesse arranjo, todos os átomos contribuem com seus elétrons de valência para a formação de um “mar de elétron” ou “nuvem de carga eletrônica”, que movem livremente no mar de elétrons e não

pertencem a nenhum átomo especifico–elétrons livres.

Ligações metálicas são tridimensionais e não direcionais, como as ligações iônicas, mas como não há ânions envolvidos, não há restrição de neutralidade.

Em contraste com as ligações covalentes direcionais, não há compartilhamento de pares de elétrons localizados, sendo portanto, mais fracas.

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Ligação Metálica

Propriedades dos materiais:

• Ponto de fusão moderado;

• Metais puros são maleáveis;

• Excelentes condutores de eletricidade;

• Excelentes condutores de calor;

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Ligações de Secundárias ou Ligações de Van der Walls

(a) Um dipolo elétrico. O momento dipolar é qd. (b) O momento dipolar elétrico em uma molécula de ligações covalentes.

Distribuição da carga eletrônica em um átomo de gás nobre. (a) Uma distribuição simétrica idealizada da carga eletrônica na qual os centros de carga positiva e negativa são superpostos no centro. (b) A distribuição real assimétrica dos elétrons gerando um dipolo temporário.

DIPOLO FLUTUANTE

DIPOLO PERMANENTE

(a) Natureza dipolar permanente da molécula de água. (b) Pontes de hidrogênio entre moléculas de água causadas pela atração dipolar permanente.

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