Aula 5: Propriedades e Ligação Química

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1 Aula 5: Propriedades e Ligação Química Relacionar o tipo de ligação química com as propriedades dos materiais Um entendimento de muitas propriedades físicas dos materiais é previsto através do conhecimento das forças interatômicas que ligam os átomos entre si. As ligações entre átomos será ilustrada considerando a interação entre dois átomos isolados `a medida que eles são colocados em estreita proximidade um do outro a partir de uma distância infinita de separação entre os mesmos.

2 Forças de Ligação e Energias Em grandes distâncias as interações são desprezíveis, mas `a medida que os átomos se aproximam mutuamente, cada átomo exerce força sobre o outro. FN = F A + F B Energia de Ligação (E o ) é a energia mínima potencial necessária para separar dois átomos

3 Tipos de Ligação e Materiais O tipo de ligação (metálica, iônica e covalente) influencia na classificação e propriedades dos materiais (metais, cerâmicos e polímeros). As propriedades macroscópicas dos materiais dependem essencialmente do tipo de ligação entre os átomos. O tipo de ligação depende fundamentalmente dos elétrons da camada de valência.

4 Ligações Iônicas Ocorre entre elementos metálicos que tendem a perder elétrons (cátions) e não-metálicos que tendem a ganhar elétrons (ânions).

5 Ligações Iônicas No processo todos os átomos adquirem configurações estáveis ou de um gás inerte. São ligações nãodirecionais.

6 Ligação Iônica As forças de ligação são de Coulomb, isto é, forças atrativas de cargas opostas. A energia de atração e de repulsão são funções da distância interatômica, que dependem das constantes A, B e n (n 8) E A = -A r E R = B r n A ligação predominantemente nos materiais cerâmicos é a iônica. A energia de ligação são relativamente elevadas, na faixa de 600 a 1500 kj/mol.

7 Propriedades de Compostos Iônicos Apresentam elevados pontos de fusão e ebulição; São duros e frágeis São isolantes eletricamente e termicamente São eletrólitos em meio de alta constante dielétrica Possuem pontos de fusão e ebulição elevados; São sólidos devido à disposição do seu arranjo cristalino. São compostos duros, ou seja, que impõem resistência, mas podem ser maleáveis e dúcteis. Conduzem eletricidade quando dissolvidos em água. Exist a presença de íons, ou seja, cargas negativas e positivas que permitem a passagem de corrente elétrica. a. Adélia

8 Ligação Covalente Configuração estável devido ao compartilhamento de elétrons entre átomos; Cada átomo contribue com pelo menos um elétron para formar uma ligação; Os elétrons pertencem a ambos os átomos Molécula do Metano

9 Características das Ligações Covalente A ligação covalente é direcional, isto é, entre dois átomos só pode existir apenas uma direção no compartilhamento eletrônico. Nos materiais existe uma tendência a reduzir a expansão térmica e a densidade em relação aos materiais iônicos com massa atômica semelhante.

10 Propriedades dos Compostos Covalentes Podem ser polares (os átomos apresentam diferença de eletronegatividade) ou apolares (sem diferença de eletronegatividade); Apresentam pontos de fusão e ebulição infereiores aos compostos iônicos; Não conduzem corrente elétrica; Apresentam solubilidade variada Apresentam baixa tenacidade, sendo sólidos quebradiços.

11 Compostos formados por ligações covalentes Muitas moléculas elementares não-metálicas (H 2, Cl 2, O 2, N 2 ) Muitas moléculas contendo diferentes átomos (H 2 O, NH 3, CH 4, HCN, CH 2 O) Encontrado em sólidos elementares C (diamante, grafite), sílicio, germânio Compostos não-metálicos como GaAs, InSb, SiC

12 Ligação Metálica Formada por íons positivos e elétrons livres de valência que formam uma nuvem eletrônica que circula livremente entre os íons positivos; Encontrada em metais e suas ligas Materiais metálicos têm 1, 2 ou 3 elétrons de valência, que se encontram livres para se movimentarem ao longo do metal

13 Propriedades associadas as ligações metálicas Alta condutividade elétrica e térmica: os elétrons podem se mover na presença de uma f.e.m. ou de um gradiente de temperatura. Permitem grande deformação plástica pois as ligações são móveis ou seja não são rígidas como as iônicas e as covalentes Possuem o brilho metálico, como os elétrons são muito móveis trocam de nível energético com facilidade emitindo fótons São sempre opacos: pela mesma razão acima mas nesse caso absorvendo a luz incidente

14 Ligações Secundárias São ligações fracas. As energias de ligação são da ordem de 10kJ/mol É possível obter ligação sem troca ou compartilhamento de elétrons nas ligações secundárias ou de van der Waals A ligação é gerada por pequenas assimetrias na distribuição de cargas dos átomos que criam dipolos Um dipolo é um par de cargas opostas que mantém uma distância entre si; Dipolo permanente Dipolo induzido

15 Representação esquemática de uma molécula polar Dipolos elétricos ocorrem quando os centros das cargas positivas não coincidem com o centro das cargas negativas em uma molécula

16 Tipos de Dipolos Permanente Induzido + Átomos isolados de Ar (os centros das cargas positivas e negativas coincidem) + Átomos deformados pela presença do outro O H H MM PUC-Rio Magnitude do dipolo

17

18 Atração por pontes de hidrogênio entre moléculas de água

19 Expansão da água no estado sólido

20 Ligações químicas em relação aos tipos de materiais

21 Influência da energia da ligação em algumas propriedades dos materiais Quanto maior a energia envolvida na ligação química há uma tendência de: Maior ser o ponto de fusão do composto Maior a resistência mecânica Maior a dureza Maior o módulo de elasticidade Maior a estabilidade química Menor a dilatação térmica

22 Energia de Ligação e Pontos de Fusão para materiais iônicos

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