Aula 2 - Ligações Químicas e Classificação

(1)

Estrutura Atômica, Ligações Químicas e

Classificação dos Materiais

Prof. Sydney F. Santos

sydney.ferreira@ufabc.edu.br

Universidade Federal do ABC

(2)

`

Site da disciplina:

◦

_{https://sites.google.com/site/matesuaspropturmas}

ydney/home

`

Sala do prof. Sydney:

◦

_{Bloco A, torre 1 (CECS), sala 602.}

`

E-mail:

(3)

Materiais e Suas Propriedades –Ligações Químicas e Classificação dos Materiais

Roteiro da Aula:

◦

_{Estrutura do Átomo}

◦

_{Números Quânticos}

◦

_{Tabela Periódica}

◦

_{Ligações Químicas}

◦

_{Forças e Energias de Ligação}

◦

_{Classificação dos Materiais}

(4)

`

Cada átomo é composto por:

◦ _{Núcleo → prótons e nêutrons.}

◦ _{Elétrons, que circundam o núcleo.}

`

Elétrons e prótons são carregados eletricamente.

◦ _{Elétrons tem carga}

negativa

_{; prótons tem carga}

positiva

_{; nêutrons}

não tem carga.

◦ _{A magnitude da carga do próton e do elétron é 1,602 x 10}-19 _C.

`

As massas são muito pequenas:

◦ _{Prótons e nêutrons possuem massas quase iguais e que valem}

respectivamente 1,673 x 10-27 _{kg e 1,675 x 10}-27 _kg.

◦ _{Elétrons tem massa igual a 9,1095 x 10}-31 _kg.

`

Cada elemento é caracterizado:

◦ _{Pelo seu}

número atômico

→ _{número de prótons dentro do núcleo.}

◦ _{Pela sua}

massa atômica

→ _{soma do número de prótons e do} número de nêutrons dentro do núcleo.

(5)

` Os elétron se movimento em

uma região ao redor do átomo denominada orbital.

` A movimentação do elétron

dentro de um orbital é

conservativa (não há perda de energia).

` As energias dos elétrons são

quantizadas → mudança de orbital é possível, com

absorção (maior energia) ou emissão (menor energia) de energia.

` Estados adjacentes são

separados por energias finitas.

` O modelo de Bohr apresenta

limitações significativas, não servindo para explicar vários fenômenos envolvendo os elétrons.

(6)

Mecânica quântica

Modelo atômico de Bohr _{Energia quantizada} simplista

(7)

` O modelo atômico da mecânica

quântica é mais completo que o de Bohr.

` Nesse modelo, o elétron

apresenta características tanto de onda, quanto de partícula.

` O elétron não é mais tratado

como uma partícula que se movimenta num orbital

discreto.

` A posição do elétron passa a ser

considerada como a

probabilidade deste ser encontrado em uma região próxima do núcleo.

(8)

(a) Modelo do átomo de Bohr: órbitas fixas em redor do núcleo.

(b) Modelo da mecânica

ondulatória: probabilidade de encontrar o elétron em uma determinada região.

Distribuição de probabilidades ou nuvem eletrônica

(9)

`

Cada elétron em um átomo é caracterizado por

quatro parâmetros → os números quânticos.

`

Não existem dois elétrons com os mesmos números

quânticos.

`

Número quântico principal n -> camada

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

`

Número quântico orbital (ou secundário) l

→

subcamadas s, p, d, f,…

l =

0, 1, 2, 3, 4,…, (n -1)

`

Número quântico orbital magnético (ou terceiro) m

_l

m

l

= - l, (- l +1),…, (l - 1), l -> orbitais

`

Número quântico de spin (ou quarto) → m

_s

= -1/2,

(10)

(11)

(12)

` Número Quântico Principal (n)

K (n=1) 1s L (n=2) 2s 2p M (n=3) 3s 3p 3d N (n=4) 4s 4p 4d 4f O (n=5) 5s 5p 5d 5f P (n =6) 6s 6p 6d Q (n=7) 7s

Subníveis em cada camada (número quântico secundário)

Ocupação dos elétrons

(13)

` Número Quântico Orbital ou Secundário (

l

)

Orbital s (número quântico secundário=0)

Orbital p (número quântico secundário=1)

Orbital d (número quântico secundário=2)

(14)

Número quântico orbital magnético (m l ):

0 -1 0 +1 -2 -1 0 +1 +2 -1 -2 0 +1 +2 +3 Subnível s Subnível p Subnível d Subnível f -3

(15)

`

Princípio da Exclusão de Pauli

• Dois elétrons, no

máximo, podem

ocupar um dado

orbital.

• Dois elétrons, em um

átomo, não podem ter

o mesmo conjunto de

quatro números

(16)

Energias relativas das camadas

(17)

EXEMPLO

Configuração Eletrônica do Átomo de Sódio

(18)

`

Elétrons de Valência

◦ _{São aqueles que ocupam a}

camada eletrônica mais externa.

`

Configurações

Eletrônicas Estáveis

◦ _{As camadas eletrônicas}

mais externas estão completamente

preenchidas.

(19)

Os elementos químicos são classificados de acordo com a sua configuração eletrônica

(20)

Escala de Eletronegatividade de Pauling

• Eletronegatividade →

“poder que um átomo tem de atrair elétrons para si”

Maior “facilidade” em ceder elétrons = CÁTIONS Maior facilidade em ganhar elétrons = ÂNIONS

(21)

` Envolve a transferência de

elétrons de um átomo para outro. ` A ligação é não-direcional. ` Grande diferença de eletronegatividade entre os elementos: ◦ _{Na = 0,9 ; Cl = 3,0}

` A ligação iônica resulta da

atração eletrostática entre dois íons de cargas opostas.

• Forças de atração coulombianas (variam com o quadrado do inverso da distância interatômica).

Exemplo: Cloreto de sódio →tanto o cátion Na+ _{quanto o ânion Cl}-_ficam

com seus orbitais externos completos.

Ligações Primárias - Ligação Iônica

2

a

K

F

=

−

Constante Separação interatômica

(22)

Ligações Primárias - Ligação Covalente

Representação esquemática da

ligação covalente na molécula de metano ( CH4)

` Envolve o compartilhamento dos

elétrons de valência de átomos adjacentes.

` A ligação resultante é altamente

direcional.

` Menor diferença de

eletronegatividade entre os

elementos do que o observado em ligações iônicas. C = 2,5 H = 2,1 ∆_E = 0,4 Forte caráter covalente O = 3,5 Si = 1,8 ∆_E = 1,7 Caráter iônico-covalente Representação esquemática da ligação covalente na sílica ( SiO2 )

(23)

Ligações Primárias - Ligação Covalente

Modelo do Orbital Molecular → uma ligação é formada pela interpenetração de um orbital semi-cheio do átomo A com um orbital semi-cheio do átomo B.

Exemplos:

(24)

Ligações Primárias - Ligação Covalente

B) Moléculas dos halogênios (X₂) – F, Cl, Br e I Sete elétrons na última camada

(25)

Ligações Primárias - Ligação Covalente

Ligações Sigma (σ) e Pi (π)

→ Interpenetração de dois orbitais atômicos num mesmo eixo – a ligação formada é chamada de ligação sigma.

→ Interpenetração de dois orbitais atômicos em paralelo – a ligação formada é chamada de ligação pi.

(26)

Ligações Primárias - Ligação Covalente

(27)

Materiais e Suas Propriedades –Ligações Químicas e Classificação dos Materiais

Ligações Primárias - Ligação Covalente

Hibridização do carbono

Quantas ligações o C pode realizar?

C₆ - 1s2 _2s2 _2p2

(28)

Ligações Primárias - Ligação Covalente

(29)

Ligações Primárias - Ligação Covalente

(30)

Ligações Primárias - Ligação Covalente

Hibridização do carbono – sp2

C

H

(31)

Ligações Primárias - Ligação Covalente

(32)

Ligações Primárias - Ligação Covalente

(33)

Ligações Primárias - Ligação Covalente

(34)

Ligações Primárias - Ligação Metálica

` Átomos dos metais

possuem de um a três elétrons de valência. ` A ligação resultante é não-direcional. ` Os elétrons de valência passam a se comportar como elétrons “livres” :

◦ _{Apresentam a mesma}

probabilidade de se associar a um grande número de átomos vizinhos.

◦ _{Formam uma “nuvem}

eletrônica” .

Modelo Simplificado

(35)

Ligações Secundárias ou de Van der Waals

` Ocorrem atrações entre

dipolos gerados pela assimetria de cargas.

` O mecanismo dessas

ligações é similar ao das ligações iônicas, porém não existem elétrons

transferidos.

` As ligações dipolares podem

ser entre:

◦ _{dipolos permanentes.} ◦ _{dipolos permanentes e}

induzidos.

◦ _{dipolos induzidos flutuantes.} _{Ligações de Van de Waals no PVC} (entre duas moléculas distintas)

(36)

Ligações Secundárias ou de Van der Waals

Dipolos Induzidos Flutuantes

Dipolo Molecular Permanente

(37)

Ligações Secundárias ou de Van der Waals

` É um caso especial de

ligação entre moléculas polares.

` É o tipo de ligação

secundária mais forte.

` Ocorre entre moléculas em

que o H está ligado

covalentemente ao flúor (como no HF), ao oxigênio (como na água) ou ao

nitrogênio (por exemplo, NH₃).

Ligação de hidrogênio na molécula da água Ligação de hidrogênio no HF

(38)

(39)

Forças e Energias de Ligação

` Quando dois átomos se aproximam, eles exercem uma força um

no outro:

(Caso Unidimensional)

R A N

F

=

+

onde: F_A ≡ força de atração F_R ≡ força de repulsão F_N ≡ força resultante

• A energia potencial (E_N) será dada por:

∫

∞ ∞

+

=

r r R A N N

F

dr

F

dr

F

dr

E

(40)

Forças e Energias de Ligação

d_Equilíbrio (d_E) ← Força (atração) Força (repulsão) → 0 Distância interatômica Repulsão (D < D_E)

Força de repulsão x distância interatômica

(41)

Forças e Energias de Ligação

d_Equilíbrio (d_E) ← Força (atração) Força (repulsão) → 0 Distância _{interatômica}

Força de atração x distância interatômica Atração

(D > D_E)

(42)

Forças e Energias de Ligação

d_Equilíbrio (d_E) ← Força (atração) Força (atração) → 0 Distância _{interatômica} Repulsão (D < D_E) ?

Força de atração x distância interatômica Atração

(D > D_E)

(43)

Forças e Energias de Ligação

d_Equilíbrio (d_E) ← Força (atração) Força (atração) → 0 Distância _{interatômica} Repulsão (D < D_E) ?

Força de atração x distância interatômica

Força interatômica resultante

Atração (D > D_E)

d_E

(44)

Forças e Energias de Ligação

Forças de atração e de repulsão em função da distância interatômica (r)

para dois átomos isolados

Energia Potencial em função da distância interatômica (r) para dois

(45)

Forças e Energias de Ligação

A distância de ligação entre dois átomos é a distância correspondente ao ponto de mínima energia (soma dos dois raios atômicos). (a) Para metais puros, todos os átomos têm o mesmo raio atômico. (b) Para sólidos iônicos, os raios atômicos são diferentes, uma vez que íons adjacentes nunca são idênticos.

(46)

Forças e Energias de Ligação

A energia de uma ligação química é a sua energia de dissociação (D)

Ligação Forte Ligação Fraca

(47)

Forças e Energias de Ligação

• Propriedades Mecânicas

– Em escala atômica, a DEFORMAÇÃO ELÁSTICA é manifestada como uma pequena alteração na distância interatômica e na energia da ligação.

– A profundidade do poço de potencial é uma medida da energia de ligação; quanto maior for sua profundidade, maior será a energia de ligação e, portanto, também maior será a resistência à deformação elástica ( RIGIDEZ ).

– O MÓDULO DE ELASTICIDADE é uma medida da rigidez de um material.

(48)

Forças e Energias de Ligação

• O módulo de elasticidade pode ser associado à derivada da curva F(r) no ponto r = r₀; quanto maior for o valor da derivada, maior será o módulo de elasticidade.

• O material a apresenta maior rigidez do que o material b. r₀

r₀

Módulo de

Elasticidade

r0= ponto onde forças de atração e repulsão

(49)

Forças e Energias de Ligação

Um “poço” profundo e estreito (elevadas energias de ligação) está relacionado a um baixo coeficiente de expansão térmica.

Coeficiente de

Expansão Térmica

Materiais que apresentam grandes energias de ligação (ou seja, poços de potencial profundos) também apresentam temperaturas de fusão e de ebulição elevadas.

Pontos de fusão e de ebulição

(50)

Cerâmicos →

← Metálicos

← Poliméricos

• Os materiais podem ser

classificados de diversas

formas.

• Uma classificação muito

utilizada, é baseada na

composição:

– Metálicos

– Cerâmicos

– Poliméricos

– Compósitos

(51)

(a)

` Composição: combinação de

elementos metálicos.

` Grande número de elétrons livres. ` Muitas propriedades estão

relacionadas a esses elétrons livres.

` Propriedades gerais :

◦ _{Resistência mecânica de moderada a alta.} ◦ _{Moderada plasticidade.}

◦ _{Alta tenacidade.} ◦ _Opacos.

◦ _{Bons condutores elétricos e térmicos.}

(a) Micrografia óptica de um latão policristalino; (b) micrografia óptica (luz refletida) de um aço

hipoeutetóide, mostrando perlita grossa

(52)

` Composição : combinação de

elementos metálicos e não-metálicos (óxidos, carbetos e nitretos).

` Tipos de ligações

◦ _{Caráter misto, iônico-covalente}

` Tipos de materiais :

◦ _{Cerâmicas tradicionais.}

◦ _{Cerâmicas de alto desempenho.}

◦ _{Vidros e vitrocerâmicas.}

◦ _Cimentos

` Propriedades gerais :

◦ _{Isolantes térmicos e elétricos.}

◦ _{Refratários.}

◦ _{Inércia química.}

◦ _{Corpos duros e frágeis.}

Micrografia eletrônica de varredura de uma amostra de porcelana calcinada

(53)

Micrografia óptica de transmissão (usando luz polarizada cruzada) mostrando a estrutura

esferulítica de um polietileno.

•Composição : compostos orgânicos

– Carbono, hidrogênio, oxigênio e outros elementos, tais como nitrogênio, enxofre e cloro.

•Compostos de massas moleculares muito grandes (macromoléculas). •Tipos de materiais : – Termoplásticos. – Termorrígidos. – Elastômeros. •Propriedades gerais : – Baixa densidade. – Flexibilidade e facilidade de conformação. – Tenacidade.

– Geralmente pouco resistentes a altas temperaturas.

(54)

` Constituídos por mais de um tipo

de material:

◦ _Matriz

◦ _Reforço

` Projetados para apresentar as

melhores características de cada um dos materiais envolvidos.

` Exemplos:

◦ _{Produtos fabricados em “fibras de}

vidro” (“fiberglass”) → são constituídos por fibras de um material cerâmico (vidro)

reforçando uma matriz de material polimérico.

Duas micrografias eletrônicas de varredurasde: (a) superfície de fratura de um compósito de matriz polimérica com reforço de fibras de carbono;

(b) fibras de carbono trançadas, usadas em compósitos de matriz polimérica.

(b) (a)

(55)

Metais Cerâmicas Polímeros

Semi-condutores Compósitos ou conjugados • Ligação metálica • Ligação iônica ou covalente • Cristalinos ou amorfos (vidros) • Óxidos e não-óxidos • Ligação covalente e secundária • Orgânicos ou inorgânicos • Alto peso molecular • Ligação covalente • Comportamento intermediário de condução eletrônica • União de mais de um material • Au, Ag, Pb, Fe, aço (Fe + C), duralumínio (Al + Cu), Na, Hg • SiO₂, Al₂O₃, MgO, NaCl, vidro de janela,

diamante, tijolo, cascalho • Polietileno, polipropileno, borracha, fibras naturais, silicone, teflon • Si e Ge (naturais), polianilina (sintéticos) • Concreto, poliéster + fibra de vidro, lápis, casca

de ovo, MDF, circuito impresso

(56)

Tetraedro que representa a contribuição relativa dos diferentes tipos de ligação para categorias de Materiais de Engenharia