Capítulo 6: Estrutura dos Materiais Ligação química e propriedades

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1 Capítulo 6: Estrutura dos Materiais Ligação química e propriedades Questões a abordar... O que promove a ligação química? Que tipos de ligações químicas existem? Que propriedades dependem da ligação química? Capítulo 6-1

2 Estrutura Atómica átomo electrões 9.11 x kg protões } neutrões 1.67 x kg número atómico = nº protões no núcleo do átomo = nº electrões unidade de massa atómica = uma = 1/12 massa de 12 C (6 protões + 6 neutrões) Peso atómico = peso de 1 mole (6,023 x ) moléculas ou átomos 1 uma/átomo = 1g/mol Capítulo 6-2

3 Estrutura Atómica Os electrões de valência determinam as seguintes propriedades 1) químicas 2) eléctricas 3) térmicas 4) ópticas Capítulo 6-3

4 Estrutura Electrónica Electrões têm comportamento de onda e partícula Isto significa que os electrões estão em orbitais definidas por uma probabilidade Cada orbital é definida por um nível de energia discreto determinado por números quânticos Nº Quântico Designação n = principal (nível de energia-camada) K, L, M, N, O (1, 2, 3, 7) l = secundário (orbitais) s, p, d, f (0, 1, 2, 3,, n -1) m l = magnético 1, 3, 5, 7 (-l a +l) m s = spin ½, -½ Capítulo 6-4

5 Estados de Energia dos Electrões Electrões... têm estados de energia discretos tendem a ocupar o estado de menor energia disponível 4d 4p camada N n = 4 3d 4s Energia 3p camada M n = 3 3s 2p 2s 1s camada L n = 2 camada K n = 1 Capítulo 6-5

6 ELEMENTOS Maioria dos elements tem configuration electrónica não estável. Porquê? Elemento Hidrogénio Hélio Lítio Berílio Boro Carbono... Neon Sódio Magnesio Alumínio... Árgon... Kripton Nº Atómico Configuração electrónica 1s 1 1s 2 (estável) 1s 2 2s 1 1s 2 2s 2 1s 2 2s 2 2p 1 1s 2 2s 2 2p s 2 2s 2 2p 6 1s 2 2s 2 2p 6 3s 1 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 1... (estável) 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 (estável)... 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 3d 10 4s 2 4p 6 (estável) A camada de valência não está completamente preenchida. Capítulo 6-6

7 Configuração electrónica Electrões de valência (em camadas não totalmente preenchidas) Camadas preenchidas mais estáveis Electrões de valência estão mais disponíveis para ligação e tendem a controlar as propriedades químicas exemplo: C (nº atómico = 6) 1s 2 2s 2 2p 2 electrões de valência Capítulo 6-7

8 Configuração electrónica ex: Fe - nº atómico= 26 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 3d 6 4s 2 4d 4p 3d 4s Camada N n = 4 electrões de valência Energia 3p Camada M n = 3 3s 2p 2s 1s Camada L n = 2 Camada K n = 1 Capítulo 6-8

9 A Tabela Periódica Colunas: Estrutura de valência semelhante dão 1e dão 2e dão 3e H Li Be Na Mg aceitam 2e aceitam 1e Gases inertes O S F Cl He Ne Ar K Ca Sc Se Br Kr Rb Sr Y Te I Xe Cs Ba Po At Rn Fr Ra Elementos Electropositivos: cedem electrões tornando-se iões + Elementos Electronegativos: aceitam electrões tornando-se iões - Capítulo 6-9

10 Electronegatividade Varia de 0.7 a 4.0, Valores elevados: tendência para aceitar electrões. electronegatividade baixa electronegatividade elevada Capítulo 6-10

11 Tipos de Ligações Químicas Ligações Primárias (fortes) Ligação iónica Ligação covalente Ligação metálica Ligações mistas Ligações Secundárias (fracas) Ligação de Van der Waals Ligação de Hidrogénio Capítulo 6-11

12 Ligação iónica metal + não-metal cede electrões aceita electrões Electronegatividades diferentes ex: MgO Mg 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 O 1s 2 2s 2 2p 4 [Ne] 3s 2 Mg 2+ 1s 2 2s 2 2p 6 O 2-1s 2 2s 2 2p 6 [Ne] [Ne] Capítulo 6-12

13 Ligação Iónica Ocorre entre iões + e - Requer transferência de electrões Requer elevada diferença de electronegatividades Exemplo: NaCl Na (metal) instável electrão Cl (não-metal) instável Na (catião) estável + - Atracção de Coulomb Cl (anião) estável Capítulo 6-13

14 Ligação Iónica Energia mínimo de energia -> mais estável Balanço de energia entre os termos atractivo e repulsivo Energia repulsiva E R Distância interiónica, r Energia total E T E T = E A + E R Energia atractiva E A Capítulo 6-14

15 Exemplos: Ligação Iónica Ligação química predominante nos Materiais Cerâmicos NaCl MgO CaF 2 CsCl Cedem electrões Aceitam electrões Capítulo 6-15

16 Ligação Covalente electronegatividades semelhantes partilha de electrões ligações determinadas pela valência orbitais s e p dominam a ligação Exemplo: CH 4 C: tem valência 4 e -, necessita mais 4 e - CH 4 H electrões partilhados do átomo de carbono H: tem valência 1 e -, necessita mais 1 e - H C H H electrões partilhados dos átomos de hidrogénio Capítulo 6-16

17 Ligação Metálica Ligação Metálica - deslocalizada como nuvem de electrões Núcleos positivos Electrões livres (fracamente ligados aos núcleos) podem mover-se facilmente Elevada condutividade térmica e eléctrica Mar de electrões livres (electrões de valência) Capítulo 6-17

18 Ligações Mistas Ligação mista iónica-covalente % carácter iónico = x ( 100 %) onde X A e X B são electronegatividades de Pauling Ex: MgO X Mg = 1.3 X O = e (X A X B ) 4 2 ( )2 % carácter iónico = 1 e 4 x (100%) = 70.2% iónico Capítulo 6-18

19 Ligações Secundárias Surgem da interacção entre dipólos Dipólos flutuantes Nuvem electrões assimétrica ex: líquido H 2 H 2 H ligação secundária Dipólos permanentes - molécula induzida -caso geral: H H ligação secundária H ligação secundária H -ex: HCl líquido H Cl ligação secundária H Cl -ex: polímero ligação secundária Capítulo 6-19

20 Resumo: Ligações químicas Tipo Iónica Energia de ligação Elevada! Observações Não-direccional (cerâmicos) Covalente Variável Elevada-Diamante Baixa-Bismuto Direccional (semicondutores, cerâmicos, cadeias polímeros) Metálica Secundária Variável Elevada-Tungsténio Baixa-Mercúrio Muito baixa Não-direccional (metais) Direccional entre-cadeias (polímeros) inter-molecular Capítulo 6-20

21 Propriedades dependentes da Ligação Química: T f Distância interatómica, r r Temperatura de Fusão, T f Energia Energia de ligação, E o Energia r o T f baixa r Distância interatómica r o r T f elevada E o T f é mais elevada se E o for maior. Capítulo 6-21

22 Propriedades dependentes da Ligação química: α Coeficiente de expansão térmica, α L o T 1 aquecido, T 2 Δ L Δ L L o = α ( T 2 - T 1 ) Energia E o E o Distância interatómica r o elevado α baixo α r α é elevado se E o for baixo Capítulo 6-22

23 Resumo: Ligações Primárias Cerâmicos (Ligações iónica e covalente): Energia de ligação elevada T f elevada E elevado α baixo Metais (Ligação Metálica): Energia de ligação variável T f moderada E moderado α moderado Polímeros (Ligações covalente e secundárias): Ligação secundária Propriedades Direccionais Ligação Secundária domina T f baixa E baixo α elevado Capítulo 6-23

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