ESTRUTURA ATÔMICA E LIGAÇÃO INTERATÔMICA CAP. 02

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1 UNIVERSIDADE DO ESTADO DE SANTA CATARINA CENTRO DE CIÊNCIAS TECNOLÓGICAS DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA MECÂNICA ESTRUTURA ATÔMICA E LIGAÇÃO INTERATÔMICA CAP. 02 CMA CIÊNCIA DOS MATERIAIS 2º Semestre de 2014 Prof. Júlio César Giubilei Milan

2 ESTRUTURA ATÔMICA Conceitos fundamentais Átomos Modelo nuclear Neutrons

3 ESTRUTURA ATÔMICA Conceitos fundamentais Átomo prótons (p) + neutrôns (n) + elétrons (e) Número atômico (Z) número de prótons do núcleo = número de elétrons (átomo neutro) Massa atômica (A) soma das massas dos prótons e neutrons do núcleo. Isótopo átomos do mesmo elemento que possuem massas atômicas diferentes

4 ESTRUTURA ATÔMICA Conceitos fundamentais Matéria Propriedades de partículas subatômicas Partícula Símbolo Carga Massa, kg Elétron e , Próton p +1 1, Nêutron n 0 1, *Cargas são dadas em múltiplos da carga fundamental, que no SI é 1,602x10 19 C

5 ESTRUTURA ATÔMICA Conceitos fundamentais Alguns isótopos de elementos comuns Elemento Símbolo N Atômico, Z N de massa, A Abundância, % Hidrogênio 1 H ,985 Deutério 2 H ou D 1 2 0,015 Trítio 3 H ou T 1 3 -* Carbono C ,9 Carbono C ,1 Oxigênio O ,16 * Radioativo, vida curta

6 ESTRUTURA ATÔMICA Conceitos fundamentais Peso atômico média ponderada das massas atômicas dos isótopos do átomo que ocorrem naturalmente. Unidade de massa atômica 1 u.m.a. = 1/12 da massa do isótopo mais comum do carbono carbono 12 ( 12 C) 1 mol 6, átomos ou moléculas A = 12, u.m.a. = 1 g/mol

7 Modelos atômicos ESTRUTURA ATÔMICA átomos Precursor da mecânica quântica modelo atômico de Bohr simplificado Representação esquemática do átomo de Bohr* Callister Niels (Henrik David) Bohr

8 ESTRUTURA ATÔMICA átomos Mecânica quântica (duas primeiras décadas do século XX) considerado o modelo que melhor descreve o comportamento de partículas subatômicas Principal característica quantização dos níveis de energia que um elétron pode ter. Princípio de exclusão de Pauli no máximo dois elétrons podem ocupar o mesmo nível de energia (spins opostos). Princípio da Incerteza de Heisenberg não se pode medir com precisão ilimitada todas as quantidades que descrevem o movimento de uma partícula

9 ESTRUTURA ATÔMICA átomos Energia dos elétrons são quantizadas níveis ou estados energéticos Modelo de Bohr limitado, não explicava fenômenos envolvendo elétrons Modelo mecânico-ondulatório Elétron (caracterizado tanto como onda como partícula) Distribuição de probabilidade ou nuvem eletrônica

10 ESTRUTURA ATÔMICA átomos A teoria da Mecânica Quântica postula que o elétron não pode ser considerado como uma partícula que possui uma órbita com um raio definido. Existe a probabilidade de que o elétron seja encontrado em algumas posições. A localização do elétron é, então, melhor descrita como uma distribuição de densidade de probabilidade, que é também chamada de nuvem eletrônica. Fig. Comparação dos modelos de átomos de (a) Bohr e (b) mecânico ondulatório em termos de distribuição eletrônica. Callister

11 ESTRUTURA ATÔMICA átomos

12 ESTRUTURA ATÔMICA átomos

13 ESTRUTURA ATÔMICA átomos Elétrons Ocupam níveis de energia distintos dentro dos átomos Cada elétron possui energia específica Não mais que dois elétrons possuem a mesma energia

14 ESTRUTURA ATÔMICA átomos Para representar a localização espacial e a energia de um elétron num átomo, são necessários 4 números quânticos. Estados de energia 4 parâmetros chamados NÚMEROS QUÂNTICOS n número quântico PRINCIPAL * l número quântico AZIMUTAL ml número quântico MAGNÉTICO ms número quântico de SPIN A quantidade de níveis de energia possíveis é determinada pelos 3 primeiros números quânticos * Apenas este número quântico também está associado ao modelo de Bohr relacionado à distância de um elétron a partir do núcleo.

15 ESTRUTURA ATÔMICA átomos Tab. Valores permitidos para os números quânticos Número quântico n l Valores permitidos 1, 2, 3,...n 0 (s), 1 (p), 2 (d), 3 (f),...(n-1) m l -l,..., -1, 0, +1,..., +l m s -1/2 ou +1/2

16 NÚMEROS QUÂNTICOS ESTRUTURA ATÔMICA átomos n principal nível distância do elétron ao núcleo n = 1,2,3,4,5,6,7 l azimutal descreve o nível de energia em cada camada quântica (forma da nuvem eletrônica) l= 0, 1,... (n-1), mas é indicado por letras para evitar confusão l = s, p, d, f * A nuvem eletrônica é esférica para elétrons s, mas possui geometrias complexas para outros níveis ml - magnético orientação da nuvem eletrônica no espaço (número de estados energéticos para cada subcamada) -3, -2, -1, 0, +1, +2, +3 Animação 1.b-orbitais Cada combinação diferente de n, l e m corresponde a um estado quântico único chamado orbital. Os valores destes nrs quânticos especificam o tamanho, forma e orientação espacial do orbital eletrônico. s spin sentido de rotação do elétron em torno de si próprio - ½, + ½ usualmente utiliza-se e

17 NÚMEROS QUÂNTICOS ESTRUTURA ATÔMICA átomos Para catalogar os elementos é suficiente designar apenas os valores de n e l e o número de elétrons em cada estado l. Por exemplo: (1s) 1 (1s) 2 (1s) 2 (2s) 2 (2p) 4 (1s) 2 (2s) 2 (2p) 6 (3s) 2 (3p) 2 representa o hidrogênio (H), representa hélio (He), representa o oxigênio (O), representa o silício (Si).

18 NÚMEROS QUÂNTICOS ESTRUTURA ATÔMICA átomos Nível Subnível Número máximo de elétrons No subnível No nível 1 1s 1s s 2p 2s 2 2p s 3p 3d 3s 2 3p 6 3d s 4p 4d 4f 4s 2 4p 6 4d 10 4f s 5p 5d 5f 5s 2 5p 6 5d 10 5f s 6p 6d 6s 2 6p 6 6d s 7p 7s 2 7p 6 8 Principal (n) Azimutal (l) Magnético (m) Spin (s) 2 por orbital = níveis 1, 2, 3,...n = subníveis 0, 1,...(n-1) = orbitais 0, 1, 2,... = rotação ½

19 NÍVEIS ENERGÉTICOS ESTRUTURA ATÔMICA átomos Fig. Representação esquemática das energias relativas dos elétrons para as várias camadas e subcamadas Callister

20 ESTRUTURA ATÔMICA átomos ELÉTRONS DE VALÊNCIA SÃO AQUELES QUE OCUPAM A CAMADA PREENCHIDA MAIS EXTERNA CORRESPONDE AO NÚMERO DE ELÉTRONS DE UM ÁTOMO QUE PARTICIPAM DE LIGAÇÕES OU REAÇÕES QUÍMICAS MUITAS DAS PROPRIEDADES FÍSICAS E QUÍMICAS DOS SÓLIDOS SÃO BASEADAS NESTES ELÉTRONS DE VALÊNCIA SUGESTÃO DE LITERATURA C01 elétrons e ligações

21 ELEMENTOS ELEMENTOS Elementos também são materiais Todos os materiais que utilizamos são feitos de elementos Ouro e prata jóias Alumínio latas de cerveja e refrigerante Carbono diamante e lápis Mercúrio termômetros Tungstênio filamento de lâmpadas

22 ELEMENTOS Tab. Abundância relativa dos elementos no universo (Mitchel, 2004) Elemento Abundância relativa (Si=1) Hidrogênio Hélio 2800 Oxigênio 16 Nitrogênio 8 Carbono 3 Ferro 2.6 Silício 1 Magnésio 0,89 Enxofre 0,33 Níquel 0,21 Alumínio 0,09 Cálcio 0,07 Sódio 0,045 Cloro 0,025 Tab. Abundância relativa de elementos selecionados na crosta terrestre (Mitchel, 2004) Elem. Abundância relativa (ppm) Elem. Abundância relativa (ppm) O F 300 Si Sr 300 Al Ba 250 Fe Zr 220 Ca Cr 200 Na V 150 K Zn 132 Mg Ni 80 Ti 4400 Mo 15 H 1400 U 4 P 1180 Hg 0,5 Mn 1000 Ag 0,1 S 520 Pt 0,005 C 320 Au 0,005 Cl 314 He 0,003

23 ELEMENTOS ELEMENTOS Podem ser sistematicamente arranjados em uma tabela periódica, de acordo com sua estrutura eletrônica. ELEMENTOS NA TABELA PERIÓDICA Classificados de acordo com sua configuração eletrônica Ordem crescente de número atômico Fileiras horizontais período Coluna ou grupo estrutura semelhante de elétrons de valência, propriedades físicas e químicas semelhantes.

24 TABELA PERIÓDICA TABELA PERIÓDICA

25 Grupo 0 gases inertes camadas preenchidas, configuração eletrônica estável. Grupo VIIA deficiência de um elétron Grupo VIA deficiência de dois elétrons Grupo IA excesso de um elétron Grupo IIA excesso de dois elétrons IIIB e IIB - metais de transição TABELA PERIÓDICA IIIA, IVA e VA - características intermediárias entre metais e não metais Maioria dos elementos - METAIS

26 TABELA PERIÓDICA Os elementos são classificados como metais, não-metais e metalóides. Um metal conduz eletricidade, tem brilho, é maleável e dúctil. Um não-metal não conduz eletricidade e não é maleável nem dúctil. Um metalóide tem a aparência e algumas propriedades de um metal, mas comportase quimicamente como um não metal.

27 TABELA PERIÓDICA Potencial de ionização é a energia requerida para remover o elétron mais fracamente ligado (geralmente o mais externo) de um átomo gasoso isolado. átomo (g) + PI ion positivo (g) + e - Afinidade eletrônica é o processo inverso do potencial de ionização. É a mudança de energia associada com um átomo gasoso isolado aceitando um elétron. átomo (g) + e - ion negativo (g) Raio atômico e iônico em geral íons positivos são menores que átomos neutros e íons negativos são ainda maiores. Eletronegatividade medida independente da atração que um átomo tem por elétrons em uma ligação formada com outro átomo.

28 TABELA PERIÓDICA ELETRONEGATIVIDADE - ev Elemento eletropositivo capaz de ceder seus poucos elétrons de valência e se tornar carregado positivamente Elemento eletronegativo capazes de receber elétrons e se tornar carregado negativamente, ou compartilha elétrons

29 Forças e energia de ligação Propriedades físicas forças interatômicas que unem os átomos, prendendo-os. Ex.: 2 átomos isolados LIGAÇÃO ATÔMICA NOS ÁTOMOS LIGAÇÃO ATÔMICA NOS ÁTOMOS Grandes distâncias interações desprezíveis Aproximação forças mútuas Atrativas (F A ) Repulsivas (F R ) Depende do tipo de ligação Dependem da distância f(d) Interações entre nuvens eletrônicas

30 Forças e energia de ligação LIGAÇÃO ATÔMICA NOS ÁTOMOS F L = F A + F R r o distância de equilíbrio Para muitos átomos r o = 0,3 nm Dependência das forças atrativas, repulsivas e líquida sobre a separação interatômica para dois átomos isolados. Callister.

31 LIGAÇÃO ATÔMICA NOS ÁTOMOS Forças e energia de ligação energia potencial (mesma análise) E o energia de ligação E = E A + E R Energia necessária para separar os dois átomos Dependência das energias atrativas, repulsivas e potencial líquida sobre a separação interatômica para dois átomos isolados. Callister.

32 LIGAÇÃO ATÔMICA NOS ÁTOMOS Forças e energia de ligação materiais sólidos E o associado a cada átomo Dependem do material e tipo de ligação Magnitude da energia de ligação Forma da curva de energia em função da separação interatômica Propriedades dependem de Eo e da forma da curva Alta Eo - material sólido Baixo Eo - material gasoso Eo intermediários - líquidos Rigidez mecânica (módulo de elasticidade) depende da forma da curva

33 LIGAÇÃO ATÔMICA NOS ÁTOMOS Forças e energia de ligação materiais sólidos Rigidez mecânica (módulo de elasticidade) depende da forma da curva

34 LIGAÇÃO ATÔMICA NOS ÁTOMOS Tipos e características das ligações Ligações primárias ligações fortes, são criadas quando há interação direta entre dois ou mais átomos. Quanto maior o número de elétrons por átomos que participam do processo, mais forte a conexão entre os átomos. Ligações secundárias ligações fracas, ocorrem devido a interação indireta de elétrons em átomos adjacentes ou moléculas.

35 Tipos de ligações primárias materiais sólidos Iônica Covalente Metálica LIGAÇÃO ATÔMICA NOS ÁTOMOS Envolvem os elétrons de valência Dependem da estrutura eletrônica dos átomos constituintes Tendência dos átomos atingirem estruturas eletrônicas estáveis, como dos gases inertes Forças secundárias mais fracas

36 LIGAÇÃO ATÔMICA NOS ÁTOMOS Tab. Exemplos de substâncias com diferentes tipos de ligações interatômicas

37 LIGAÇÃO ATÔMICA NOS ÁTOMOS Forças e ligações secundárias mais fracas Também influenciam propriedades físicas

38 LIGAÇÃO IÔNICA LIGAÇÃO IÔNICA Ocorre em elementos metálicos e não metálicos Elementos situados nas extremidades horizontais da tab. Elem. Metálico doa elétrons p não metálico NaCl

39 LIGAÇÃO IÔNICA NaCl Na 2 8 Ne cede um elétron estrutura do Ne carga positiva Cl Ar Cl recebe um elétron estrutura do Ar

40 LIGAÇÃO IÔNICA Forças de ligação atrativa Coulomb

41 LIGAÇÃO IÔNICA Forças de ligação atrativa Coulomb Representação esquemática de uma ligação iônica no cloreto de sódio (NaCl). Callister.

42 LIGAÇÃO IÔNICA Denominada NÃO DIRECIONAL a magnitude da ligação é igual em todas as direções ao redor do íon. Para que seja estável todo íon positivo deve possuir como vizinhos mais próximos íons carregados negativamente e vice versa. Energia de ligação varia entre 600 e 1500 KJ/mol. Materias iônicos: Duros e frágeis e também isolantes elétricos e térmicos consequência direta das configurações eletrônicas e/ou natureza da ligação iônica

43 LIGAÇÃO IÔNICA Materiais cerâmicos ligação predominante Tab. - Energia de ligação e ponto de fusão para várias substâncias Callister

44 LIGAÇÃO COVALENTE LIGAÇÃO COVALENTE Compartilhamento de elétrons por átomos adjacentes Cada átomo compartilha 1 ou mais elétrons

45 LIGAÇÃO COVALENTE Metano CH 4 Representação esquemática de uma ligação covalente numa molécula de metâno (CH 4 ). Callister.

46 LIGAÇÃO COVALENTE CH C 2 8 Ne C compartilha quatro elétrons estrutura do Ne H He 1 2 H compartilha um elétron estrutura do He

47 LIGAÇÃO COVALENTE Exemplos: H 2, Cl 2, F 2 CH 4, H 2 O, HNO 3, HF Diamante, Silício, Germânio GaAs, InSb, SiC

48 Número de ligações covalentes: 8-N N número de elétrons de valência Ex.: LIGAÇÃO COVALENTE Cloro (Cl) = 1 N =7 Carbono (C) = 4 N =4

49 LIGAÇÃO COVALENTE Denominada DIRECIONAL ocorre entre átomos específicos e pode existir apenas na direção entre um átomo e o outro que participa do compartilhamento de elétrons. Energia de ligação podem ser muito fortes (diamante) ou muito fraca (bismuto). Materiais poliméricos longa cadeia de átomos de C ligados entre si de maneira covalente.

50 LIGAÇÃO COVALENTE Podem ser muito forte: Diamante T f = 3550 C Muito fraca: Bismuto T f = 270 C Tab. - Energia de ligação e ponto de fusão para várias substâncias Callister

51 LIGAÇÃO COVALENTE É possível a existência de ligações interatômicas que são parcialmente iônicas e parcialmente covalentes. Muito poucos compostos exibem ligações puramente iônica ou covalentes. O grau de cada tipo de ligação depende: Posições relativas dos átomos na tabela periódica (eletronegatividade); Quanto maior for a separação, mais iônica será a ligação; Quanto mais próximo estiverem os átomos, maior será o grau de covalência. % caráter iônico = 1-exp[-(0,25)(X A X B ) 2 ] x 100

52 LIGAÇÃO COVALENTE % caráter iônico = 1-exp[-(0,25)(X A X B ) 2 ] x 100 X A e X B elementos - eletronegatividades dos respectivos

53 LIGAÇÃO METÁLICA Metais e suas ligas Modelo simples LIGAÇÃO METÁLICA Materiais metálicos possuem um, dois ou três elétrons de valência. Estes elétrons: Não estão ligados a nenhum átomo em particular; Estão livres para se movimentar ao longo do metal; Nuvens de elétrons.

54 LIGAÇÃO METÁLICA Metais e suas ligas Representação esquemática de uma ligação metálica Callister.

55 LIGAÇÃO METÁLICA Energia de ligação podem ser fraca ou forte: Tungstênio T f = 3410 ºC Mercúrio T f = -39 ºC Tab. - Energia de ligação e ponto de fusão para várias substâncias Callister

56 LIGAÇÕES SECUNDÁRIAS OU DE VAN DER WAALS Ligações fracas: Energia de ligação da ordem de 10 KJ/mol Forças surgem de dipolos atômicos ou moleculares Ilustração esquemática de uma ligação de van der Waals entre dois dipolos Callister.

57 LIGAÇÕES SECUNDÁRIAS OU DE VAN DER WAALS Dipolo existe quando há uma separação das porções negativas e positivas de um átomo ou molécula Ligação ocorre pela atração coulombiana Interações de dipolos ocorrem em: Dipolos induzidos Dipolos induzidos e moléculas polares Moléculas polares Ligação de hidrogênio ligação secundária, encontrada em moléculas que possuem o H como um de seus constituintes

58 LIGAÇÕES SECUNDÁRIAS OU DE VAN DER WAALS Dipolo induzido flutuante: Distribuição espacial dos elétrons simétrica em relação ao núcleo

59 LIGAÇÕES SECUNDÁRIAS OU DE VAN DER WAALS Dipolo induzido flutuante: Movimentos vibracionais distorções instantâneas formação de dipolos Induz átomos ou moléculas adjacentes a se tornarem dipolos atraídas pelo primeiro

60 LIGAÇÕES SECUNDÁRIAS OU DE VAN DER WAALS Dipolo induzido flutuante: Pode existir num grande número de átomos ou moléculas Temperatura de fusão e ebulição extremamente baixos Dos tipos de ligações intermoleculares, esta é a mais fraca. Ex.: Liquefação de gases inertes e moléculas eletricamente neutras e simétricas (H 2, Cl 2 )

61 LIGAÇÕES SECUNDÁRIAS OU DE VAN DER WAALS Dipolo induzido flutuante: Ligação de van der waals e o dipolo fraco

62 LIGAÇÕES SECUNDÁRIAS OU DE VAN DER WAALS Ligações entre moléculas polares e dipolos induzidos: Moléculas polares dipolos permanentes (HCl)

63 LIGAÇÕES SECUNDÁRIAS OU DE VAN DER WAALS Ligações entre moléculas polares e dipolos induzidos: Podem induzir dipolos em moléculas apolares adjacentes Energia de ligação > dipolos induzido flutuante

64 LIGAÇÕES SECUNDÁRIAS OU DE VAN DER WAALS Ligações dipolos permanentes: Moléculas polares adjacentes Energia de ligação significativamente maiores que dipolos induzido flutuante Ligação de H (HF, H 2 O, HN 3 ) Tipo mais forte de ligação secundária Ilustração esquemática de uma ligação de hidrogênio Callister.

65 LIGAÇÕES SECUNDÁRIAS OU DE VAN DER WAALS Ligações dipolos permanentes: A molécula da água, os dipolos e a direção da atração entre as moléculas

66 LIGAÇÕES SECUNDÁRIAS OU DE VAN DER WAALS Tab. - Energia de ligação e ponto de fusão para várias substâncias Callister