Ligação química nos sólidos - Energias e forças de ligações
- Ligações interatômicas primárias
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.
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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
Metálica
Covalente
Iônica
Van der Waals
A eletronegatividade dos átomos é o que
determina o tipo de ligação
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.
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.
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.
A menor energia é o ponto de equilíbrio
Quanto mais profundo o poço de potencial maior a temperatura de fusion 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
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
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 valência
Átomo+elétrons das camadas mais internas
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)
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
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
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
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!
GRAFITA DIAMANTE
Ligação fraca
Ligação forte
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
