Sólidos metálicos Fe Hg
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Sólidos metálicos Fe Hg Quais são? Metalóides Metais Não-metais Sólidos metálicos → partilha de e-’s por muitos átomos iguais (muitos átomos e poucos electrões). → Energias de ionização baixas. Propriedades → Condutividade eléctrica (↓ com T↑). → Condutividade térmica. → Maleabilidade (fazer folhas). → Ductibilidade (fazer fios). → Brilho (“metálico”). Quando impuros as propriedades mudam muito → Ligas metálicas Estruturas dos metais Mosaico de grãos cristalinos Propriedades mecânicas dependem das dimensões dos grãos (p.e., dureza, flexibilidade, etc.) Estruturas dos metais Todos os átomos iguais Esferas rígidas Melhor aproveitamento do espaço Estruturas cristalinas dos grãos: Hexagonal compacta (HC), NC = 12 Cúbica de faces centradas (CFC), NC = 12 Cúbica de corpo centrado (CCC), NC = 8 + 6 Estruturas dos metais → empilhamento de esferas Mais compacto: 6 vizinhos 2ª camada (2 alternativas) Menos compacto: 4 vizinhos Estruturas dos metais → empilhamento de esferas Átomos da 3ª camada directamente sobre os da 1ª → estrutura ABAB Estrutura hexagonal compacta (HC) × 2ª camada (2 alternativas) × 3ª camada × Estrutura hexagonal compacta (HC) Cada átomo tem 12 vizinhos próximos: NC = 12 Estrutura cúbica de faces centradas (CFC) C B A Átomos da 3ª camada não ficam directamente sobre os da 1ª → estrutura ABCABC × 2ª camada × 3ª camada × Estrutura cúbica de faces centradas (CFC) C B A 45º AB C BA C- A- A Estrutura cúbica de faces centradas (CFC) NC = 12 45º AB C BA C- A- A CFC e HC são estruturas compactas melhor aproveitamento do espaço Percentagem de espaço ocupado? Vcubo = a3 pertence a 8 cubos 8×⅛=1 Quantas esferas? 4 esferas 4 16 Vesferas = 4 × π r 3 = π r 3 3 3 pertence a 2 cubos 6×½=3 a↔r? b=4r b2 = 2 a2 (velho Pitágoras) 2 a2 = (4 r)2 16 3 3 πr 2 Vesferas 16 × 2 π 3 ×100 = × 100 = ×100 = 74% 3 64r 3 × 64 Vcubo 3 22 ⎛1 2⎞ a = ⎜ ( 4r ) ⎟ ⎝2 ⎠ Vcubo 1 2 = 4r 1 22 3 64 r = a3 = 3 22 Para HC é igual (só a trigonometria é que é mais complicada) Estrutura cúbica de corpo centrado (CCC) NC = 8 + 6 Não é uma estrutura compacta Estrutura cúbica de corpo centrado (CCC) Percentagem de espaço ocupado? 2 esferas: 8 × ⅛ + 1 = 2 4 8 Vesferas = 2 × π r 3 = π r 3 3 3 b = 4r ⎫ ⎪ 2 b 2 = a 2 + c 2 ⎬ → (4r ) = a 2 + 2a 2 = 3a 2 c 2 = 2a 2 ⎪⎭ ⎛ (4 r ) a = ⎜⎜ ⎝ 3 Vcubo 2 ⎞ ⎟ ⎟ ⎠ 1 2 4r = 12 3 3 r 64 = a3 = 3 32 Vesferas Vcubo 8 3 3 πr 2 π 8 × 3 3 ×100 = ×100 = ×100 = 68% 64 3 64 × 3 3 r 32 Estruturas cristalinas dos metais Li CCC HC Be HC Na CCC Mg HC K CCC Ca CFC CCC Sc HC CFC Ti HC CCC V CCC Cr CCC Mn * Fe CCC CFC Co HC CFC Ni CFC Cu CFC Zn HC Ga * Rb CCC Sr CFC HC CCC Y HC CFC Zr HC CCC Nb CCC Mo CCC Tc HC Ru HC Rh CFC Pd CFC Ag CFC Cd HC In * Sn * Sb * Cs CCC Ba CCC La-Lu Hf HC CCC Ta CCC W CCC Re HC Os HC Ir CFC Pt CFC Au CFC Hg * Tl HC CCC CFC Pb CFC Bi * Po * Fr Ra Ac-Lr La HC,HC CFC Ce HC CFC Pr CFC HC, HC Nd CFC HC, HC Pm — Sm * CCC Eu CCC Gd HC Tb HC Dy HC Ho HC Er HC Tm HC Yb HC Lu HC Ac CFC Th CFC CCC Pa * U * CCC Np * Pu * CFC CCC Am — Cm — Bk — Cf — Es — Fm — Md — No — Lr — Al CFC Teoria das bandas Banda de energia (muitos níveis com ∆E muito pequeno): Quase-contínuo 1 2 3 4 5 ....... Número de átomos combinados n Teoria das bandas Para n átomos: Bandas de energia (permitidas) e hiatos (gaps, ou bandas proibidas) Energia E2 r0 2p E1 2s Ψ2 ∆E2 ΦA Ψ1 1s H r1 r0 ΦB r H H H ∆E1 Teoria das bandas Para n átomos: Bandas de energia (permitidas) e hiatos (gaps, ou bandas proibidas) Energia Níveis de energia à distância r0 2p 2s Bandas permitidas Bandas proibidas 1s Nível permitido r1 r0 r Teoria das bandas Para n átomos: Bandas de energia (permitidas) e hiatos (gaps, ou bandas proibidas) Energia Níveis de energia à distância r0 Níveis de energia à distância r1 Bandas permitidas SOBREPOSTAS 2p 2s Bandas permitidas Bandas proibidas Banda proibidas 1s Nível permitido r1 r0 r Nível permitido Teoria das bandas É o caso do Na (e dos metais alcalinos em geral) Banda incompletamente preenchida Níveis de E vazios facilmente acessíveis para os e-’s banda de condução, 3p vazia bandas proibidas banda de valência, 3s semi-preenchida e sobreposição com a banda de condução, 3p vazia banda, 2p completamente preenchida nível 2s, preenchido Condutividade eléctrica Brilho metálico nível 1s, preenchido Brilho e condutividade --------------- ++++++++++ - + Corrente eléctrica (por convenção) Potencial eléctrico → e-’s ganham velocidade → aumenta a E → níveis acessíveis Banda de valência incompletamente preenchida banda de condução, incompletamente preenchida ou sobreposta com a banda de valência Condutividade / Ω-1 m-1 1010 Cobre e ouro Ferro Chumbo 10 Condutores 5 banda de valência, completamente preenchida bandas proibidas Bismuto 10 0 níveis completamente ocupado por electrões Silício e Germânio com impurezas 10-5 Ferrites Semicondutores Silício 10 -10 banda de condução, vazia Cloreto de sódio Vidro ∆E 10-15 Diamante Isolantes bandas proibidas Sílica fundida 10-20 banda de valência, completamente preenchida níveis completamente ocupado por electrões Poliestireno (∆E elevado) Energia de coesão Ponto de fusão 250 W Ta Nb Os Re Tc 150 Zr Hf Co Cr Fe Sc Ni Grau de preenchimendo da banda d Pt Rh Ti 100 Ir Ru Mo V La Y Pd Cu Au Ag Mn 50 Ca Zn Níveis antiligantes Ba Sr Cd Rb K Cs Hg 0 4000 W Re Os Ta Mo Ti Sc 2000 Zr Co Fe Mn Pd Ag Sr Zn K Rh Cu Ca 1000 Hf Pt Y Ni Ir Ru Tc V Cr 0 Níveis ligantes Nb 3000 Ponto de fusão / K Energia de coesão / kcal mol -1 200 La Ba Au Cd Rb Cs Hg Semipreenchida: Máximo de níveis ligantes ocupados e níveis antiligantes vazios Avaliação de Propriedades Físicas PF, PE, viscosidade, dureza, etc. Sólidos Covalentes Metais PF Sólidos Iónicos diamante, grafite (C), SiO2, Si, Ge, ZnS, etc. Fe, Co, Zn, etc. ligações covalentes direccionais (3D) NaCl, CaCl2, etc. Energia reticular, U (atracção entre iões opostos) grau de preenchimento da banda d Substâncias moleculares H2O, O2, etc. Forças intermoleculares: Lig. H > Forças vdW Forças de vdW: Nº de e-’s (α) excepto para moléculas pequenas (< 15 e-’s) muito polares (µ). Ligas metálicas Preparam-se por fusão conjunta dos metais (ou por redução, também conjunta, de compostos desses metais) Propriedades muito diferentes dos metais puros Importância tecnológica Por exemplo: Propriedade Variação do metal para a liga Exemplos e excepções Importância especial Temperatura de fusão diminui Fe puro – 1540°C Fe + 3%C – 1150 a 1250°C Excepção importante: o P.F. do Cu é aumentado ao formar uma liga com o Ni. Torna mais fácil a fusão e a moldagem de peças metálicas. A liga de Wood (Bi, Pb, Sn e Cd) funde a 71°C e é usada em alarmes automáticos contra incêndios. Resistividade eléctrica aumenta A presença de 0,004% P aumenta a resistividade do Cu puro em 5%. Cu puro – 1,67 µΩ cm Cu + 30% Zn – 6,2 µΩ cm Aplicação em aquecedores eléctricos de resistência. Grânulos discretos (metais mutuamente insolúveis), p.e. Bi-Cd Misturas metálicas (polifásicas) Ligas metálicas Soluções sólidas de substituição Ocupação pelo “soluto” de posições na rede cristalina do “solvente” Soluções sólidas intersticiais Ocupação pelo “soluto” de cavidades intersticiais na rede cristalina do “solvente” Soluções sólidas (monofásicas) Compostos intermetálicos Metais reagem entre si (χ’s ≠s) e originam compostos bem definidos MaM’b Soluções sólidas de substituição Estrutura desordenada rM’s, χ’s, estruturas cristalinas, nº e-’s valência semelhantes p.e., solubilidade no cobre Solubilidade Máxima (% atómica) Pd 100 ∆ (por vezes) Au Pt Ni 50 Al Ag Pb 0 0.7 0.85 1 r M/r Cu 1.15 1.3 Estrutura ordenada Soluções sólidas instersticiais Metais com elementos não metálicos (p.e.: H, C, N) Quociente de raios inferior a 0.591 PF’s e dureza muito elevados Aço → Fe-C
