Átomo
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Ciência dos Materiais - DEMAT - EE - UFRGS CAPÍTULO 2 ESTRUTURA ATÔMICA Prof. C. P. Bergmann - PPGEM - EE – UFRGS – ABRIL 2005 Ciência dos Materiais - DEMAT - EE - UFRGS 2. ESTRUTURA ATÔMICA 2-1 INTRODUÇÃO 2-2 CONCEITOS ELEMENTARES 2-3 A ESTRUTURA DOS ÁTOMOS 2-4 A ESTRUTURA ELETRÔNICA DOS ÁTOMOS 2-5 LIGAÇÕES PRIMÁRIAS FORTES ENTRE ÁTOMOS 2-6 LIGAÇÕES SECUNDÁRIAS 2-7 RESUMO DAS LIGAÇÕES 2-8 COMPRIMENTO, FORÇA E ENERGIA DE LIGAÇÃO 2-9 EXERCÍCIOS Ciência dos Materiais - DEMAT - EE - UFRGS 2-1 INTRODUÇÃO ESTRUTURA PROPRIEDADES CIÊNCIA DOS MATERIAIS ESTRUTURA ATÔMICA ESTRUTURA CRISTALINA MICROESTRUTURA antes de entender fenômenos que determinam propriedades nos materiais a partir da MICROESTRUTURA deve-se primeiramente entender a ESTRUTURA ATÔMICA (e ESTRUTURA CRISTALINA) dos materiais porque estas definem algumas de suas propriedades O que promove as ligações? Quais são tipos de ligações existem? O tipo de ligação interfere em quais propriedades do material? Ciência dos Materiais - DEMAT - EE - UFRGS 2-1 INTRODUÇÃO Ordem de grandeza da estrutura atômica 10-15 a 10-10 m A estrutura eletrônica dos átomos determina a natureza das ligações atômicas e define algumas propriedades dos materiais Propriedades: físicas, ópticas, elétricas e térmicas Ciência dos Materiais - DEMAT - EE - UFRGS 2-2 CONCEITOS ELEMENTARES • Por que os elementos não se decompõem formando novos elementos? • Por que as substâncias se decompõem formando novas substâncias? • Por que o número de elementos é pequeno comparado ao número de substâncias? Surgimento de TEORIAS: Dalton Thompson Rutherford Bohr Princípio da incerteza de Heisenberg Ciência dos Materiais - DEMAT - EE - UFRGS 2-2 CONCEITOS ELEMENTARES • Teoria atômica de Dalton entre 1803-1808: - átomo; - igual em todas as suas propriedades; - átomos de elementos possuem propriedades físicas e químicas diferentes; - substância formada pela combinação de dois ou mais átomos Cada átomo guarda sua identidade química. •Teoria atômica de Thomson 1887: - átomo de Dalton não explicava fenômenos elétricos (raios catódicos = e-); - modelo do “pudim de passas”: uma esfera positiva com e- na superfície; - Eugene Goldstein supôs o próton destruindo a teoria de Thomson. Ciência dos Materiais - DEMAT - EE - UFRGS 2-2 CONCEITOS ELEMENTARES • Teoria atômica de Rutherford 1911: Para saber o conteúdo de um caixote pode-se atirar nele, se a bala passar ele está vazio, ou tem um material pouco consistente. Partículas alfa contra uma fina lâmina de ouro (0,0001 cm - dez mil átomos) a grande maioria das partículas atravessava a lâmina ou parte ricocheteava. Ciência dos Materiais - DEMAT - EE - UFRGS 2-2 CONCEITOS ELEMENTARES • Teoria atômica de Rutherford 1911: - o átomo não é maciço, mais espaços vazios; - região central - núcleo - cargas positivas; - eletrosfera - elétrons (1836 vezes mais leve); - a relação entre partículas que passam e a as que ricocheteiam: tamanho do átomo cerca de 10 mil vezes maior que o tamanho do núcleo. MODELO PLANETÁRIO Ciência dos Materiais - DEMAT - EE - UFRGS 2-2 CONCEITOS ELEMENTARES • Teoria atômica de Bohr 1911: MODELO RUTHERFORD-BOHR Não explicava os espectros atômicos. - os elétrons circundam orbitalmente - cada nível tem um valor determinado de energia (não é possível permanecer entre os níveis); - excitação do elétron: passa de um Nível para o outro; - volta emitindo energia NOVIDADE DA TEORIA: quantização da energia dos elétrons O átomo de Bohr mostrando os elétrons em orbitas circulares ao redor do núcleo. Os orbitais apresentam energia quantizada. Ocorre transmissão de energia do átomo quando um elétron pula de um orbital mais afastado do núcleo, para um mais próximo. Ciência dos Materiais - DEMAT - EE - UFRGS 2-2 CONCEITOS ELEMENTARES • Modelo mecânico-ondulatório (a) Níveis de energia do hidrogênio. (b) Comparação entre (a) Bohr e (b)modelo mecânico ondulatório (quântico) em função da distribuição de e -. Ciência dos Materiais - DEMAT - EE - UFRGS 2-2 CONCEITOS ELEMENTARES • Princípio da Incerteza de Heisenberg 1927: - medir a temperatura de uma piscina, de um copo de água, de uma gotícula de água; - a luz interage com o elétron, logo não é possível ter certeza de sua posição; - contrapôs as órbitas circulares de Bohr; - o elétron é bem mais caracterizado pela sua energia do que por sua posição, velocidade ou trajetória. Fenômenos químicos: eletrosfera - núcleo inalterado Fenômenos nuclear ou radioativo: núcleo Ciência dos Materiais - DEMAT - EE - UFRGS 2-2 CONCEITOS ELEMENTARES ÁTOMOS NÚCLEOS PRÓTON NEUTRON ELETROSFERA ELÉTRON CONCEITUAR: UNIDADE DE MASSA ATÔMICA (u.m.a.) NÚMERO ATÔMICO (Z) MASSA ATÔMICA NÚMERO DE AVOGADRO (NA) ISÓTOPOS ISÓBAROS ISÓTONOS Ciência dos Materiais - DEMAT - EE - UFRGS 2-2 CONCEITOS ELEMENTARES Unidade de massa atômica (u.m.a.): definida como 12 avos da massa do carbono 12. Há 6,02 x 1023 u.m.a. por grama 1 u.m.a./átomo (ou molécula) = 1g/mol Número atômico (Z): é o no de prótons no núcleo. Massa atômica (A): soma das massas dos prótons e neutrons do núcleo de um átomo. Número de Avogadro (NA): no de átomos ou moléculas de um g.mol, e corresponde a 6,02 x 1023 mol-1. Isótopos: nos atômicos iguais e diferentes massas. Isóbaros: nos de massa iguais e diferentes nos atômicos. Isótonos: nos de neutrons iguais. Ciência dos Materiais - DEMAT - EE - UFRGS 2-3 ESTRUTURA ATÔMICA Átomo - núcleo neutrons prótons - eletrosfera elétrons mantida pela atração eletrostática carga massa e- -1,60 x 10-19C 9,11 x 10-28g próton +1,60 x 10-19C 1,67 x 10-24g neutron - 1,67 x 10-24g Ciência dos Materiais - DEMAT - EE - UFRGS 2-3 ESTRUTURA ATÔMICA Elétrons (e-): - componente do átomo com carga negativa de 1,6 x 10-19C; - apresentam-se em órbitas; - podem ser e- de valência, se na última camada; - podem gerar cátions ou ânions. Os e- mais afastados do núcleo determinam: - propriedades químicas; - natureza das ligações interatômicas; - controlam tamanho do átomo, condutividade elétrica; - influencia nas características óticas. Ciência dos Materiais - DEMAT - EE - UFRGS 2-4 ESTRUTURA ELETRÔNICA DOS ÁTOMOS 2.4.1 Números quânticos Ciência dos Materiais - DEMAT - EE - UFRGS 2-4 ESTRUTURA ELETRÔNICA DOS ÁTOMOS 2.4.1 Números quânticos NÚMERO QUÂNTICO PRINCIPAL (n): representa os níveis principais de energia para o elétron, pode ser imaginado como uma camada no espaço onde a probabilidade de encontrar um elétron com valor particular de n é muito alta. NÚMERO QUÂNTICO SECUNDÁRIO (l): especifica subníveis de energia dentro de um nível de energia, também especifica uma subcamada onde a probabilidade de se encontrar o elétron é bastante elevada. l=0 1 2 3 l=s p d f Características direcionais dos orbitasi s, p e d Ciência dos Materiais - DEMAT - EE - UFRGS 2-4 ESTRUTURA ELETRÔNICA DOS ÁTOMOS 2.4.1 Números quânticos NÚMERO QUÂNTICO MAGNÉTICO (ml): GENERICAMENTE especifica a orientação espacial de um orbital atômico e tem pouco efeito na energia do elétron. Depende do valor de l. ml = 2l + 1 NÚMERO QUÂNTICO DO SPIN DO ELÉTRON (ms): especifica as duas condições permitidas para um elétron girar em torno de seu próprio eixo. As direções são no sentido horário e anti-horário. VALORES PERMITIDOS + 1/2 e -1/2 Ciência dos Materiais - DEMAT - EE - UFRGS 2-4 ESTRUTURA ELETRÔNICA DOS ÁTOMOS 2.4.1 Números quânticos Exemplo da distribuição eletrônica do átomo de sódio, de número atômico 11, observa-se os elétrons nas camadas quânticas K, L e M. Ciência dos Materiais - DEMAT - EE - UFRGS 2-4 ESTRUTURA ELETRÔNICA DOS ÁTOMOS 2.4.1 Números quânticos Aumento da energia Representação da energia relativa dos elétrons de cada camada e subcamada Elétrons • tem estado de energia discreto • tendem a ocupar o menor estado de energia Figura adaptada de Callister 2.5 Ciência dos Materiais - DEMAT - EE - UFRGS 2-4 ESTRUTURA ELETRÔNICA DOS ÁTOMOS 2.4.1 Números quânticos Ciência dos Materiais - DEMAT - EE - UFRGS 2-4 ESTRUTURA ELETRÔNICA DOS ÁTOMOS 2.4.2 Configuração eletrônica dos elementos Descreve o modo com o qual os elétrons estão arranjados nos orbitais do átomo. A configuração é escrita por meio de uma notação convencional: lista o n° quântico principal, seguido pela letra do orbital, e o índice sobrescrito acima da letra do orbital. Exemplo de configuração eletrônica: 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 3d10 4p6 5s2 Sr DIAGRAMA DE LINUS PAULING Ciência dos Materiais - DEMAT - EE - UFRGS 2-4 ESTRUTURA ELETRÔNICA DOS ÁTOMOS 2.4.3 Linus Pauling Distribuição eletrônica de átomos neutros Nível de energia 1s2 Subnível Número máximo de elétrons Princípio de exclusão de Linus Pauling: apenas 2 e- podem ter os mesmos nos quânticos orbitais e estes não são idênticos pois tem spins contrários Ciência dos Materiais - DEMAT - EE - UFRGS 2-4 ESTRUTURA ELETRÔNICA DOS ÁTOMOS 2.4.4 Características dos elementos Muitos elementos apresentam uma configuração eletrônica não estável. Electron configuration 1s1 1s2 (stable) 1s22s1 1s22s2 1s22s22p1 1s22s22p2 ... 1s22s22p6 (stable) 1s22s22p63s1 1s22s22p63s2 1s22s22p63s23p1 ... 1s22s22p63s23p6 (stable) ... 1s22s22p63s23p63d10 4s246 (stable) Por quê? Valência da última camada geralmente não está completa Adaptado da Tabela 2.2, Callister Ciência dos Materiais - DEMAT - EE - UFRGS 2-4 ESTRUTURA ELETRÔNICA DOS ÁTOMOS 2.4.5 Valência • A camada de valência é a camada mais afastada do núcleo. • Está relacionada com a capacidade de um átomo em se combinar quimicamente com outros elementos Exemplo: Mg: 1s2 2s2 2p6 3s2 Valência 2 Al: 1s2 2s2 2p6 3s2 3p1 Valência 3 Ge: 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 3d10 4s2 4p2 Valência 4 • Depende também da natureza da reação química. Exemplo: P Ciência dos Materiais - DEMAT - EE - UFRGS 2.4 ESTRUTURA ELETRÔNICA DOS ÁTOMOS 2.4.6 Tabela Periódica Ciência dos Materiais - DEMAT - EE - UFRGS 2.4 ESTRUTURA ELETRÔNICA DOS ÁTOMOS 2.4.6 Tabela Periódica Colunas: valência similar Elementos eletropositivos: Doam elétrons para Elementos eletronegativos: Adquirem elétrons para Adaptado da Figura 2.6, Callister. Ciência dos Materiais - DEMAT - EE - UFRGS 2.4 ESTRUTURA ELETRÔNICA DOS ÁTOMOS 2.4.7 Eletronegatividade Valores de eletronegatividade dos elementos, segundo a Tabela Periódica dos elementos. Menor eletronegatividade Intervalo de 0.7 a 4.0 Valores maiores: tendência a adquirir elétrons Maior eletronegatividade Ciência dos Materiais - DEMAT - EE - UFRGS 2-4 ESTRUTURA ELETRÔNICA DOS ÁTOMOS 2.4.8 Propriedades aperiódicas e periódicos Aperiódicas: massa atômica Periódicas: raio atômico potencial de ionização eletroafinidade densidade PF e PE Relação do PF e PE com o número atômico Ciência dos Materiais - DEMAT - EE - UFRGS 2-4 ESTRUTURA ELETRÔNICA DOS ÁTOMOS 2.4.8 Propriedades aperiódicas e periódicos Aperiódicas: massa atômica Periódicas: raio atômico potencial de ionização eletroafinidade densidade PF e PE Relação do potencial de ionização com o número atômico Ciência dos Materiais - DEMAT - EE - UFRGS 2-5 LIGAÇÕES PRIMÁRIAS FORTES ENTRE ÁTOMOS 2.5.1 Introdução Importância • • O tipo de ligação interatômica geralmente explica a propriedade do material. Por 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 enorme disparidade nas propriedades começa pelo tipo de ligação química do carbono em cada um dos casos. Ciência dos Materiais - DEMAT - EE - UFRGS 2-5 LIGAÇÕES PRIMÁRIAS FORTES ENTRE ÁTOMOS 2.5.1 Introdução Para um elemento adquirir a configuração estável de 8e- na última camada ele pode: (1) receber e- extras (2) ceder e(3) compartilhar e- formando íons + ou associação entre átomos Iônicas Ligações Primárias Covalentes Metálicas Ciência dos Materiais - DEMAT - EE - UFRGS 2-5 LIGAÇÕES PRIMÁRIAS FORTES ENTRE ÁTOMOS 2.5.2 Ligações iônicas • Iônica Os elétrons de valência são transferidos entre átomos produzindo íons Forma-se com átomos de diferentes eletronegatividades (alta e 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) Ciência dos Materiais - DEMAT - EE - UFRGS 2-5 LIGAÇÕES PRIMÁRIAS FORTES ENTRE ÁTOMOS 2.5.2 Ligações iônicas • Forças atrativas eletrostáticas entre os átomos: não-direcional átomos no material iônico: todos os íons positivos têm como vizinho mais próximo íons negativos forças atrativas iguais em todas as direções • A magnitude da força obedece a Lei de Coulomb Forças atrativas • • • • r é a distância interatômica z1 e z2 são as valências dos 2 tipos de íons e é a carga do elétron (1,602x10-19 C) 0 é a permissividade do vácuo (8,85x10-12 F/m) Ciência dos Materiais - DEMAT - EE - UFRGS 2-5 LIGAÇÕES PRIMÁRIAS FORTES ENTRE ÁTOMOS 2.5.2 Ligações iônicas Em resumo: •Atração mútua de cargas + e •Envolve o tamanho de íons •Elementos menos eletronegativos: cedem e•Elementos mais eletronegativos: recebem e- cátions ânions Ciência dos Materiais - DEMAT - EE - UFRGS 2-5 LIGAÇÕES PRIMÁRIAS FORTES ENTRE ÁTOMOS 2.5.2 Ligações iônicas Ciência dos Materiais - DEMAT - EE - UFRGS 2-5 LIGAÇÕES PRIMÁRIAS FORTES ENTRE ÁTOMOS 2.5.2 Ligações iônicas Propriedades de compostos iônicos • Os íons em um sólido iônico são ordenados na rede, formando uma forte atração elétrica entre eles • Sais e óxidos metálicos são tipicamente compostos iônicos. • A forte ligação é responsável por: - Elevada dureza (se frágil) - Elevado pontos de fusão e ebulição - Cristalinos sólidos a Tambiente - Podem ser solúveis em água • Os sólidos cristalinos não conduzem eletricidade, pois os íons não estão livres para mover-se e transportar corrente elétrica. • Compostos iônicos fundidos ou dissolvidos em água serão condutores de eletricidade, pois como partículas iônicas estão livres. Ciência dos Materiais - DEMAT - EE - UFRGS 2-5 LIGAÇÕES PRIMÁRIAS FORTES ENTRE ÁTOMOS 2.5.2 Ligações covalentes • Covalente Tipo de simetria em ligações covalentes Os elétrons de valência são compartilhados Forma-se com átomos de alta eletronegatividade A ligação covalente é direcional A ligação covalente é forte (um pouco menos que a iônica)= 125-300 Kcal/mol Esse tipo de ligação é comum em compostos orgânicos, por exemplo em materiais poliméricos e diamante. Ciência dos Materiais - DEMAT - EE - UFRGS 2-5 LIGAÇÕES PRIMÁRIAS FORTES ENTRE ÁTOMOS 2.5.2 Ligações covalentes Em resumo: •Usufruto de um par de elétrons comum •Pode ser coordenada ou dativa •Covalência entre ametais (Ex. F2, O2, Cl2) •Covalência entre mais átomos (Ex. Diamante) baixo PF alto PF Par de elétrons não ligados Amônia Metano Ciência dos Materiais - DEMAT - EE - UFRGS 2-5 LIGAÇÕES PRIMÁRIAS FORTES ENTRE ÁTOMOS 2.5.2 Ligações covalentes •Compostos covalentes unidades individuais: moléculas Molécula simples: pequeno grupo de átomos ligados por forças covalentes. Propriedades: - Podem ser líquidos ou sólidos(não cristalinos) a Tambiente - Insolúveis em água, mas solúveis em outros solventes - Isolantes elétricos e não eletrólitos Apresentam baixo ponto de fusão e ebulição: forças entre átomos são fortes, mas as forças entre moléculas são fracas e facilmente quebradas no aquecimento - São más condutores de eletricidade devido a ausência de elétrons (ou íons) livres Macromolécula: moléculas grandes com um grande número de átomos ligados covalentemente em uma estrutura contínua. Propriedades: - Sólidos com alto ponto de fusão: elementos podem formar ligações simples com outros átomos, formando uma estrutura muito estável. Ex Diamante - Cristalinos, freqüentemente - Solúveis em qualquer solvente - Não conduzem eletrecidade (exceção Cgrafite): elétrons não estão livres - Não são eletrolitos Ciência dos Materiais - DEMAT - EE - UFRGS 2-5 LIGAÇÕES PRIMÁRIAS FORTES ENTRE ÁTOMOS 2.5.2 Ligações covalentes Diamante •C macromolécula centro de um tetraedro regular formado de outros quatro carbonos •Estrutura contínua em cada cristal •Dureza do diamante trincar um diamante significa quebrar milhões de ligações covalentes Ciência dos Materiais - DEMAT - EE - UFRGS 2-5 LIGAÇÕES PRIMÁRIAS FORTES ENTRE ÁTOMOS 2.5.3 Fração covalente 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. Muitos cerâmicos e semicondutores são formados por metais e não-metais, e são na verdade uma mistura de ligações iônicas e covalente. Quanto maior a diferença de eletronegatividade entre os átomos aumenta o caráter iônico. O caráter iônico aumenta em elementos com distribuição eletrônica de final s–p Ciência dos Materiais - DEMAT - EE - UFRGS 2-5 LIGAÇÕES PRIMÁRIAS FORTES ENTRE ÁTOMOS 2.5.3 Fração covalente FC = exp (- 0,25 E2) onde E é a diferença nas eletronegatividades dos átomos Ex: SiO2 ESi= 1,8 EO= 3,5 Fração covalente FC = 0,486= 48,6% FI = 1 – FC FI: fração iônica Ciência dos Materiais - DEMAT - EE - UFRGS 2-5 LIGAÇÕES PRIMÁRIAS FORTES ENTRE ÁTOMOS 2.5.4 Ligações metálicas • Metálica Forma-se com átomos de baixa eletronegatividade (em torno de 3 elétrons de valência) Os elétrons de valência são divididos por 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 forte (um pouco menos que a iônica e covalente)= 20200 Kcal/mol Ciência dos Materiais - DEMAT - EE - UFRGS 2-5 LIGAÇÕES PRIMÁRIAS FORTES ENTRE ÁTOMOS 2.5.4 Ligações metálicas • Elétrons externos dos átomos do metal estão livres para mover-se entre os centros positivos junção eletrônica determinam propriedades • Força elétrica de atração entre elétrons móveis e imóveis ligação metálica. Forte ligação resulta em: materiais densos, fortes com alto ponto de fusão e ebulição • Metais - bons condutores de eletricidade: elétrons livres são transportadores de carga e corrente elétrica, quando uma ddp é aplicada na peça metálica. - bons condutores de calor: choques de elétrons livre, transferindo Ec - tem uma superfície “prateada” que pode ser facilmente manchada por corrosão, oxidação do ar e da água íons mar de elétrons Ciência dos Materiais - DEMAT - EE - UFRGS 2-6 LIGAÇÕES SECUNDÁRIAS 2.6.1 Introdução • Podem ser: • Ligações ou Forças de - Dipolos permanentes van der Waals - Pontes de Hidrogênio - Dipolos flutuantes - Dipolos induzidos •Está relacionada com a quantidade de energia envolvida - PE dos halogênios (F2, Cl2, Br2, I2): crescente massa molecular - PE dos haletos dos halogênios geometria molecular: linear, trigonal plana, angular, tetraédrica, piramidal; repulsão dos pares eletrônicos - ângulo de ligação Ciência dos Materiais - DEMAT - EE - UFRGS 2-6 LIGAÇÕES SECUNDÁRIAS 2.6.1 Introdução Ocorre pela interação entre os dipolos • Dipolos Flutuantes • Dipolos Permanentes - molécula induzida - caso geral: ex: líquido HCl ex: polímero Adaptado da Fig. 2.13 e 2.14, Callister Ciência dos Materiais - DEMAT - EE - UFRGS 2-6 LIGAÇÕES SECUNDÁRIAS 2.6.2 Forças de van der Waals van der Waals São ligações de natureza física A polarização (formação de dipolos) devido a estrutura da ligação produz forças atrativas e repulsivas entre átomos e moléculas A ligação de van der Waals não é direcional A ligação é fraca< 10 Kcal/mol Ciência dos Materiais - DEMAT - EE - UFRGS 2-6 LIGAÇÕES SECUNDÁRIAS 2.6.2 Forças de van der Waals 2.6.2.1 Dipolos Flutuantes - Induzidos Ocorre em moléculas com distribuição de cargas elétricas simétricas (H 2, N2, O2,...), onde os e- e suas vibrações podem distorcer esta simetria, ocorrendo um dipolo elétrico. Esquema representativo (a) átomo eletricamente simétrico (b) um dipolo atômico induzido Ciência dos Materiais - DEMAT - EE - UFRGS 2-6 LIGAÇÕES SECUNDÁRIAS 2.6.2 Forças de van der Waals 2.6.2.2 Dipolos permanentes - moléculas polares Moléculas assimétricas (NH3, CH3Cl) jamais têm coincidentes os centros de suas cargas positivas e negativas, podendo interagir eletrostaticamente com as adjacentes. Moléculas polares na ausência de campo elétrico na presença de campo elétrico Esquema representativo da molécula polar de HCl Ciência dos Materiais - DEMAT - EE - UFRGS 2-6 LIGAÇÕES SECUNDÁRIAS 2.6.2 Forças de van der Waals 2.6.2.2 Dipolos permanentes - moléculas polares PONTES DE HIDROGÊNIO • É uma das mais fortes ligações secundárias, e um caso especial de moléculas polares (distribuição desigual da densidade de elétrons) Nome deriva da ligação: H - centro de cargas positivas, atraindo o centro das cargas negativas das moléculas adjacentes POLARIZAÇÂO Produção de forças de van der Waals entre as moléculas: - alinhamento de pólos negativos com positivos (ângulo de ligação 109,5o) - moléculas formam uma estrutura quase hexagonal H ligado a F, O e N Ciência dos Materiais - DEMAT - EE - UFRGS 2-6 LIGAÇÕES SECUNDÁRIAS 2.6.2 Forças de van der Waals 2.6.2.2 Dipolos permanentes - moléculas polares PONTES DE HIDROGÊNIO •Íons e de certas moléculas se dissolvem na água polaridade Propriedades da água ligação - gelo flutua: É menos Estrutura do gelo Exemplo:o cloreto de sódio (forma cristalina) e dissolvido em água. denso: as ligações de hidrogênio mantêm as moléculas de água mais afastadas no sólido do que no líquido) - elevado calor de vaporização - forte tensão superficial - alto calor específico - propriedades solventes - efeito hidrofóbico Ciência dos Materiais - DEMAT - EE - UFRGS 2-6 LIGAÇÕES SECUNDÁRIAS 2.6.2 Forças de van der Waals Ciência dos Materiais - DEMAT - EE - UFRGS 2-7 RESUMO DAS LIGAÇÕES IÔNICA COVALENTE METÁLICA SECUNDÁRIAS Ciência dos Materiais - DEMAT - EE - UFRGS 2-7 RESUMO DAS LIGAÇÕES Comparação entre ligação covalente (na formação de moléculas) e forças de van der Waals (ligação fraca entre moléculas dissolvidas) Ciência dos Materiais - DEMAT - EE - UFRGS 2-7 RESUMO DAS LIGAÇÕES Comparação entre o tipo de ligação e propriedades esperadas Iônica Covalente Metálica Intermolecular Intensidade de ligação forte muito forte moderada e variável fraca Dureza moderada a alta muito duro, frágil baixa a moderada; dúctil e maleável mole e plástico Cond. elétrica condução por transporte de íons, somente quando dissociado isolante em sólido e líquido bom condutor por transporte de elétrons isolantes no estado sólido e líquido Ponto de fusão moderado a alto baixo geralmente alto baixo Solubilidade solúvel em solventes polares solubilidade muito baixa insolúveis solúveis em solventes orgânicos Exemplos muitos minerais diamante, oxigênio, moléculas orgânicas Cu, Ag, Au, outros metais gelo,sólidos orgânicos (cristais) Exceção do diamante Ciência dos Materiais - DEMAT - EE - UFRGS 2-8 COMPRIMENTO, FORÇA E ENERGIA DE LIGAÇÃO 2.8.1 Introdução Representação tetraédrica dos diferentes tipos de ligações que ocorrem entre os materiais de engenharia. Ciência dos Materiais - DEMAT - EE - UFRGS 2-8 COMPRIMENTO, FORÇA E ENERGIA DE LIGAÇÃO 2.8.2 Comprimento de ligação A distância entre 2 átomos é determinada pelo balanço das forças atrativas e repulsivas As forças atrativas variam com o quadrado da distância entre os 2 átomos As forças repulsivas variam inversamente proporcional a distância interatômica Quando a soma das forças atrativas e repulsivas é zero, a distância entre os átomos está em equilíbrio. Ciência dos Materiais - DEMAT - EE - UFRGS 2-8 COMPRIMENTO, FORÇA E ENERGIA DE LIGAÇÃO 2.8.3 Força de ligação É a soma das forças atrativas e repulsivas entre os átomos Fatração= - Z1Z2e2 40a2 Frepulsão = - nb an+1 Fresultante= - Z1Z2e2 - nb 40a2 an+1 No ponto de equilíbrio a soma das duas forças é zeroFresultante = 0 Quando os átomos se aproximam as forças de atração e repulsão aumentam (mas as forças de repulsão aumentam bem mais) Fatração > Frepulsão Fatração < Frepulsão Ciência dos Materiais - DEMAT - EE - UFRGS 2-8 COMPRIMENTO, FORÇA E ENERGIA DE LIGAÇÃO 2.8.3 Força de ligação Inclinação da curva no ponto de equilíbrio força necessária para separar os átomos Corresponde ao módulo de elasticidade (E) que é a inclinação da curva x Ciência dos Materiais - DEMAT - EE - UFRGS 2-8 COMPRIMENTO, FORÇA E ENERGIA DE LIGAÇÃO 2.8.4 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 por : E= F.dr A menor energia é o ponto de equilíbrio Eatração= Z1Z2e2 40a Erepulsão = nb an Eresultante= Z1Z2e2 + nb 40a an Ciência dos Materiais - DEMAT - EE - UFRGS 2-8 COMPRIMENTO, FORÇA E ENERGIA DE LIGAÇÃO 2.8.4 Energia de ligação Alguns valores de energia e comprimento de ligação Energia de ligação necessária para romper um mol de ligações Comprimento das energias de ligação: Ligação Kcal/mol Comprimento (nm) C-C 88 0,154 C=C 162 0,13 CC 213 0,12 C-H 104 0,11 C-O 86 0,14 H-H 104 0,074 Ciência dos Materiais - DEMAT - EE - UFRGS 2-8 COMPRIMENTO, FORÇA E ENERGIA DE LIGAÇÃO 2.8.4 Energia de ligação É a mínima energia necessária para formar ou romper uma ligação. Estão relacionados com a energia de ligação propriedades como: - módulo de elasticidade; - coeficiente de expansão térmica; - ponto de fusão; - calor latente; - resistência mecânica. Energia de ligação x distância interatômica na ligação do H–H Ciência dos Materiais - DEMAT - EE - UFRGS 2-8 COMPRIMENTO, FORÇA E ENERGIA DE LIGAÇÃO 2.7.4 Energia de ligação Quanto Devido mais profundo o poço de energia maior a temperatura de fusão do material às forças 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 Ciência dos Materiais - DEMAT - EE - UFRGS 2-8 COMPRIMENTO, FORÇA E ENERGIA DE LIGAÇÃO 2.7.4 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 ligação x distância interatômica, a distância média entre os átomos aumenta com o aumento da temperatura. • Então, quanto mais estreito o mínimo de potencial, menor é o coeficiente de expansão térmica do material Ciência dos Materiais - DEMAT - EE - UFRGS 2-8 FORÇAS E DISTÂNCIAS INTERATÔMICAS 2.8.2 Energia de ligação Ciência dos Materiais - DEMAT - EE - UFRGS 2-8 FORÇAS E DISTÂNCIAS INTERATÔMICAS 2.8.4 Energia de ligação Ciência dos Materiais - DEMAT - EE - UFRGS 2-8 FORÇAS E DISTÂNCIAS INTERATÔMICAS 2.8.4 Energia de ligação Ciência dos Materiais - DEMAT - EE - UFRGS 2-8 FORÇAS E DISTÂNCIAS INTERATÔMICAS 2.8.4 Energia de ligação Ciência dos Materiais - DEMAT - EE - UFRGS 2-8 FORÇAS E DISTÂNCIAS INTERATÔMICAS 2.8.5 Resumo: ligação primária / energia de ligação Cerâmicos (ligação iônica/covalente) Metais (ligação metálica) Polímeros (covalente e secundárias) Grande energia de ligação Elevado Tf Elevado E Pequeno a Energia de ligação variável Moderado Tf Moderado E Moderado a Propriedades direcionais Ligações secundárias dominantes Pequeno Tf Pequeno E Elevado a Ciência dos Materiais - DEMAT - EE - UFRGS 2-9 EXERCÍCIOS (Data de entrega: DATA DA 1a PROVA) 1 Defina número de Avogadro e dê seu valor. 2 Qual a massa em repouso e a carga de um elétron, próton e nêutron? Qual a relação deste valores entre estas partículas? 3 O que é isótopo? E isóbaro? 4 Compare o raio iônico de um mesmo elemento com o raio iônico de seu átomo neutro (faça para um cátion e um ânion). Porque isso ocorre?. 5 O que são os números quânticos de um átomo? 6 Qual é o princípio de exclusão de Pauli? 7 Os elementos 21 a 29, 39 a 47 e 72 a 79 são conhecidos como elementos de transição. Que características comuns apresenta a distribuição de elétrons na eletrosfera destes elementos? 8 Escreva a configuração eletrônica (ex. 1s2, ...) para Be, F, Fde, Co e Ni. Quantos elétrons há no subnível 3d destes três últimos elementos? e como estão alinhados os spins dos seus elétrons nesse subnível? 9 Caracterize: ligação iônica; ligação covalente e ligação metálica. 10 Descreva as ligações conhecidas por forças de van der Waals e por pontes de hidrogênio. 11 Compare os tipos de ligações em termos de energia de ligação envolvida. 12 Classifique ligações iônicas, covalente e metálicas como direcionais ou não-direcionais. Faça uma breve justificativa para cada. 13 Classifique pontes de hidrogênio e forças de van der Waals como direcionais ou não-direcionais. Faça uma breve justificativa para cada. 14 É possível a presença de mais de um tipo de ligação entre átomos? Explique e dê exemplos. 15 Que tipo de ligação você espera encontrar nos seguintes materiais: GdO, GdTe, SO2, RbI, FeC, C6H6, InAs, AgCl, UH3, GaSb, CaS, BN, Cu-Fe? 16 Explique as forças (e energias envolvidas) entre dois átomos em função da distância interatômica (faça gráficos das relações solicitadas). 17 Dê e explique que propriedades intrínsecas podem ser definidas pelo gráficos da questão anterior. 18 Porque materiais com elevado ponto de fusão tem elevado módulo de elasticidade e baixa dilatação térmica?
