2 CAPITULO 2
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2 CAPITULO 2 Estrutura atômica e ligação interatômica DEM FUNDAMENTOS CIÊNCIA DOS MATERIAIS UDESC “Porque estudar Estrutura Atômica e Ligação interatômica? ....... porque o tipo de ligação nos permite explicar as propriedades de um material......” 2 2 2 ESTRUTURA ATÔMICA JOHN DALTON o átomo é a partícula elementar a menor partícula que constituía a matéria todos os átomos de um mesmo elemento químico são iguais, até mesmo as massas 1.808 - o átomo é uma minúscula esfera maciça, indivisível, Impenetrável indestrutível. "modelo da bola de bilhar". J.J. THOMSOM A matéria é formada por partículas extremamente pequenas chamadas átomos; O átomo é Uma esfera maciça Indestrutível e intransformável Elementos químicos são atomos que apresentam mesmas propriedades (tamanho, massa e forma) os átomos podem se unir entre si formando "átomos compostos"; - reações químicas "modelo de pudim com passas" 2 ESTRUTURA ATÔMICA ERNEST RUTHERFORD O átomo é: Formado por elétrons que orbitam em torno de um núcleo o raio de um átomo poderia ser em torno de 10.000 vezes maior que o raio de seu núcleo. (nucleo 10-15m – elétron espaço de 10-10m) Modelo da átomo nucleado FISICA QUANTICA NIELS BOHR Os elétrons: Só podem ocupar níveis de energia bem definidos Giram em torno do núcleo em órbitas com energias diferentes. Tendem a ter a menor energia possível As órbitas interiores apresentam energia mais baixa e à medida que se encontram mais afastadas do núcleo o valor da sua energia é maior.. 2 ESTRUTURA ATÔMICA Particulas carregadas exercem força umas sobre as outras • • • Proporcional ao produto das cargas para cargas com mesmo sinal – força repulsiva Inversamente proporcional à distancia entre elas Porque os protons não se afastam no nucleo? O ATOMO Possui um núcleo que concentra quase toda a massa e retém a carga positiva O diâmetro do átomo é 100000 vezes o diâmetro do núcleo O núcleo é circundado por por elétrons que são portadores de cargas negativas A massa do elétron é de 9,10939 x 10-31 kg O núcleo é composto por dois tipos de partículas, prótons e nêutrons O nêutron não possui carga e não interage com os prótons O nêutron possui massa de 1,67482 x 10-27 Kg Os protons possuem carga de 1,602 x 10-19C Os protons tem massa de 1,67262 x 10-27 O numero de prótons é o numero atômico (Z) O numero de neutrons é (N) O numero de prótons + neutrons é o numero de massa (A) 2 ESTRUTURA ATÔMICA Partículas pequenas devem ser tratadas pela Mecânica Quantica O estados eletrônicos em um átomo são descritos por orbitais quânticos Define-se a função de energia Define-se a função de onda Números que representam estados quânticos de partículas são chamados de números quânticos Numero quântico principal ( n ) • • • • • • n só pode assumir valores naturais n=1,2,3,4,5 A cada valor de n corresponde a um valor de energia Quanto maior n menor o valor de energia Se n for muito grande a energia tende a zero Os níveis de energia mais baixo são mais afastados Os níveis de energia mais elevados são mais próximos, tendendo ao contínuo Função de onda ( n, l e ml) Função de probabilidade 2 ESTRUTURA ATÔMICA O átomo é composto por um núcleo que concentra praticamente toda sua massa. Essa massa é a soma das massas dos nêutrons e dos prótons. Como o núcleo é positivamente carregado, ele exerce uma força atrativa sobre os elétrons que orbitam a sua volta. Como resultado dessa atração entre o núcleo e os elétrons, surgem os orbitais quanticos. Cada orbital é caracterizado por uma energia En e uma função de onda. Os números quanticos n, l e m especificam os estados de um elétron no átomo. O numero quantico ms , spin que tem relação com o efeito magnético 2 ESTRUTURA ATÔMICA O átomo Elétron núcleo Núcleo = Prótons + Nêutrons Elétron 9,11x10-31 Kg Proton 1,67x10-27 Kg Neutron 1,67x10-27 Kg -1,60 x10-19 C +1,60x10-19 C ----- ISOTOPOS O elemento químico Número de protons – Número atômico (Z) Massa atômica (A) – Massa de protons + Massa de neutrons Unidade de massa atômica (uma) uma/átomos = g/mol 1/12 da massa atômica do isótopo mais comum do carbono 2 Modelo Atômico Conceito Quântico Niveis Estados energéticos Aos elétrons só são permitidos valores específicos de energia Elétron núcleo Átomo de Bohr Energia eV Energia J 2 Modelo Atômico Conceito Mecânico Ondulatório Não existe um orbital discreto mas sim uma probabilidade de encontrar o elétron estar em vários locais ao redor do núcleo Energia eV Energia J Elétron possui características tanto de onda como de partícula 2 Números Quânticos Número quântico principal (n) – numero inteiro a partir da unidade, ou K,L,M,N Número quântico (L) – nível da subcamada – s, p, d, f Número quântico (ml) – numero de estado energético de cada subcamada - v Momento de spin (m) - +1/2 -1/2 Número quântico principal Designação Subcamadas Número de estados Número de elétrons Por subcamada Por camada Estado Fundamental Princípio de exclusão de Pauli 2 Elétron de valência Elemento Número Atômico Configuração Eletrônica 2 Átomos nos sólidos Energia Superposição de estados S Sólidos Separação Níveis de energia e separação atômica 2 Átomos nos sólidos Camada de valência Parcialmente Preenchidas Níveis atômicos Níveis atômicos Isolante Metal Banda Condução Elétrons Vazios Banda de valência Semi condutores Bandas de energia para condutores, semicondutores e isolantes A tabela Periódica 2 • • • Da criação do universo ??? Existem 92 elementos químicos estáveis O mais simples é o Hidrogênio e o mais complexo o urânio Hidrogênio Urânio Z=1 1s1 Z = 92 A = 238 1s22s22p63s23p64s23d104p65s24f105p66s24f145d106p67s25f4 Litio 3 protons Sódio 11 protons Potássio Rubidio Cesio Frâncio 4 neutrons 23 neutrons 1s2 2s1 1s2 2s22p63s1 Mesma configuração A tabela Periódica 2 • • • • Surge a ideia de classificar os elementos por suas semelhanças químicas Primeiros dados seculo XVIII – Lavoisier Dimitry Ivanovitch Mendeleiev – Tabela de PERIODICIDADE de propriedades A tabela tinha lacunas Escândio (Sc) Germânio (Ge) A tabela períodica ultrapassou a ideia de ser um mero sistema de classificação de elementos e se tornou um instrumento de pesquisa científica • Argonio (Ar) – descoberto em 1894 – William Ramsay e John William Strutt • Helio (He), Neônio (Ne), Criptônio (Kr) e Xenônio (Xe) – foram descobertos depois • Enrico fermo – Propos a possibilidade de criar novos elementos - 1934 Bombardeamento de núcleos por nêutrons Efeito de decaimento ( um neutron decai emitindo um elétron e tornando-se um proton 2 A tabela Periódica • • • • • • • • 1940 – netúnio (Np) Z= 93 Plutônio (Pu) Z=94 Amerício (Am) Z=95 Cúrio (Cm) Z=96 Berquélio (Bk) Z=97 Califórnio (Cf) Z=98 Einstênio (Es) Z=99 Fermio (Fm) Z=100 Fusão – dois nucleos colidem a altas energias e fundem-se formando um núcleo de maior peso atômico • • • • • • Mendelévio (Md) Z= 101 Helio + Einstênio Nobélio (No) Z= 102 Laurêncio (Lr) Z= 103 Candidato a se chamar Rutherfordio (Rf) Candidato a se chamar Dúbnio (Db) Candidato a se chamar Seabórgio (Sg) Fusão fria – • Geram-se elementos de baixo tempo de decaimento 2 A tabela Periódica 2 A tabela Periódica Numero atômico Elétrons em seus niveis de energia Simbolo Nome Massa atômica média 2 A tabela Periódica Período Não apresentam propriedades similares O primeiro elemento da linha é reativo O ultimo elemento da linha é inerge Grupo ou Família Propriedades Similares Mesmo número de elétrons de valência 2 Os Metais na Tabela Periódica 2 As Cerâmicas na Tabela Periódica 2 Os Polimeros na Tabela Periódica 2 Os Semicondutores na Tabela Periódica Quando combinados entre si (coluna III-V e II-VI) os metais (quadrados claros) assumem propriedades semicondutoras. 2 E os seres vivos ???? Somente seis elementos químicos forma as moléculas de organismos vivos: • • • • • • Carbono Hidrogênio Oxigênio Nitrogênio Fosforo Enxofre Carboidratos Proteinas Lipídios Ácidos nucleicos 2 Ligações químicas 2 Ligações químicas – Espaçamento Interatômico Força de atração possui origem eletrostática, interação Coulombiana, interações dipolares, interações entre elétrons na última camada. r r Força de repulsão possui origem quântica. Princípio de Exclusão de Pauli: duas partículas não podem ocupar o mesmo estado quântico. Na distância de equilíbrio, a força de atração entre os íons é compensada pela força de repulsão entre as nuvens eletrônicas 2 Ligações químicas –Energia de ligação Força 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 átomos isolados Energia de ligação é a energia associada com a formação da ligação partindo da condição inicial que os átomos (íons) estão inicialmente separados de uma distância infinita. Sempre que uma ligação é formada, o sistema apresenta uma redução de energia. A energia é mínima na condição interatômica de equilíbrio (poço de potencial). Quanto mais fundo o poço, mais estável é a ligação, maior é o ponto de fusão/ebulição 2 Ligações químicas –Propriedades Valores típicos para a0 são da ordem de 0.3nm (0.3x10-9m) Valores típicos para a energia de ligação são entre 600 e 1500 kJ/mol A energia de ligação está diretamente relacionada com o ponto de fusão do material Tipo de Ligação Energia de Ligação Kcal/mol Iônico Covalente Metálica Van der Waals 150-370 125-300 25-200 < 10 Modulo de elasticidade 2 Ligações químicas –Propriedades Coeficiente de expansão térmica Os átomos estão constantemente vibrando ao redor da posição de equilíbrio. • A distância interatômica de equilíbrio, ao, só é bem definida quando a temperatura é 0 K. • Normalmente o poço de potencial não é simétrico e a distância interatômica média aumenta gerando a EXPANSÃO TÉRMICA. •curva encontra-se na forma de um poço de energia potencial, e o espaçamento interatômico em condições de equilíbrio a uma temperatura de 0 K, ro, corresponde ao ponto mínimo no poço de energia potencial. • um incremento na temperatura, aumenta a energia vibracional fazendo com que a distância interatômica média aumente. 2 Ligações químicas –Propriedades Coeficiente de expansão térmica Curva Assimétrica A expansão térmica se deve à curva do poço de energia potencial ser assimétrica, e não às maiores amplitudes vibracionais dos átomos em função da elevação da temperatura. Curva Simétrica • Se a curva da energia potencial fosse simétrica não existiria qualquer variação liquida ou global na separação interatômica e, consequentemente, não existiria qualquer expansão térmica. 2 Ligações Iônicas 2 Ligações Iônicas 2 Ligações Covalentes 2 Ligações Covalentes 2 Iônica – covalente = fração covalente 2 Ligações Metálicas 2 Ligações Metálicas 2 Ligações Secundárias As propriedades macroscópicas dos materiais dependem essencialmente do tipo de ligação entre os átomos. 2 Covalente Semicondutores Polimeros Secundária Metálica Metais Iônica Cerâmicas e vidros 2 Transição contínua entre forças de ligação Polimeros Diamante Polímeros Grafita Cristal líquido Covalente Vidros Iônicos Semicondutores dopados Metais de transição Sais Ligas Cerâmicas Iônicas Iônico Metálico Metais alcalinos 2 Resumo – Ligações químicas http://www.cimm.com.br/portal/ http://www.acobrasil.org.br/
