Estrutura Atômica. Prof. Dr. Carlos Roberto Grandini. Bauru 2006

Transcrição

1 Estrutura Atômica Prof. Dr. Carlos Roberto Grandini Bauru 2006

2 O que é nanotecnologia? Nanotecnologia pode ser considerada como um conjunto de atividades ao nível de átomos e moléculas que tem aplicação no mundo real. Um nanômetro é a bilionésima parte de um metro, que corresponde a aproximadamente 1/ o diâmetro de um fio de cabelo humano ou 10 vezes o diâmetro de um átomo de hidrogênio.

3 Por quê o carbono, na forma de diamante, é um dos materiais mais duros conhecidos até hoje, mas na forma de grafite é muito mole e pode ser usado como lubrificante sólido? Grafite Diamante A diferença está na maneira como os átomos estão ligados. O diamante é mais denso e duro. 16/3/2006 CM I 3

4 Composição Estrutura Propriedades Comportamento Cientistas e engenheiros que estudam e desenvolvem materiais devem compreender sua estrutura atômica

5 Nós podemos examinar e descrever a estrutura dos materiais em cinco níveis diferentes: Macroestrutura: Estrutura do material em nível macroscópico Características: Porosidade Camadas superficiais

6 Microestrutura É a estrutura do material numa escala de comprimento de 10 a 1000 nm. Características: Contorno de grãos Distribuição de grãos

7 Nanoestrutura É a estrutura do material numa escala de comprimento de 1 a 100 nm. Características: Agregados atômicos

8 Superfície do Si(111) mostrando uma reconstrução (7x7) Superfície de Au(111) com resolução atômica. 20 nm 3 nm 20 nm 2 nm By Robert Hamers (Wisconsin) By Gabor Somorjai (Berkeley)

9 Arranjos atômicos de curto e longo alcance Constituem a forma como os átomos se agrupam para formar um material. Características: Amorfos: ordenamento de átomos ou íons de curto alcance. Cristalinos: ordenamento de átomos ou íons de curto ou longo alcance.

10 Estrutura Atômica Propriedades dos materiais sólidos: dependem do arranjo geométrico dos átomos; dependem das interações que existem entre os átomos ou moléculas que constituem o sólido. Em materiais sólidos: os átomos são mantidos por ligações. Ligações: propiciam resistência; propiciam propriedades elétricas e térmicas aos materiais. Ligações fortes: Resultam altos pontos de fusão; Módulo de Elasticidade elevado; Coeficientes de dilatação térmica bem baixos.

11 Átomo Unidade básica da estrutura interna de qualquer material; Composição:» Núcleo muito pequeno, contendo prótons e neutrons;» Elétrons orbitando em torno do núcleo.» Elétrons e prótons são carregados eletricamente, enquanto neutrons são neutros: Elétrons carregados negativamente; Prótons carregados positivamente; Carga elétrica: 1,6 X C.» Prótons e neutrons possuem aproximadamente a mesma massa: 1,67 X kg» Elétrons possuem massa muito menor: 9,11 X kg

12 Elemento Químico Caracterizado pelo número de prótons presentes no núcleo, denominado número atômico (Z); Átomo eletricamente neutro:» Número de elétrons igual ao número de prótons; Massa Atômica (A):» Soma do número de prótons e número de neutrons; A = Z + N» Especificada em termos de u.m.a ou massa por mol do material: 1 mol de material 6,02 X átomos

13 Classificação Periódica Grupos: Colunas que reúnem átomos de características químicas e eletrônicas semelhantes; Mais à esquerda (metais):» Cedem elétrons mais externos. Mais à direita (não-metais):» Recebem elétrons.

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15 Elétrons em Átomos Os elétrons que acompanham um átomo estão sujeitos a muitas mudanças de comportamento devido às características vibratórias de seu movimento ao redor do núcleo atômico. Átomos individuais: Elétrons tem estados de energia específicos: órbitas; Fenômenos não podem ser explicados em termos da mecânica clássica; Comportamento de elétrons em átomos ou sólidos cristalinos é explicado pela mecânica quântica; Modelo mais simples: Bohr.

16 Modelo de Bohr Elétrons movem-se ao redor do núcleo em órbitas discretas; A posição de um elétron é definida em termos de sua órbita; Os níveis de energia dos elétrons são quantizados: São permitidos aos elétrons possuírem somente valores específicos de energia:» Eles podem mudar sua energia, saltando para um nível de energia mais alto, com absorção de energia ou para um nível mais baixo, emitindo energia. Estes valores de energia são conhecidos como níveis de energia ou estados.

17 Órbitas Núcleo Modelo de Bohr

18 Energia (ev) 0-1,5-3,4-5 n = 3 n = 2 3d 3p 3s 2p 2s ,6 n = 1 1s -15

19 Números Quânticos: Quatro parâmetros que caracterizam um elétron presente num átomo: Número quântico principal n:» Indica o número de camadas;» Camadas também são representadas por letras K, L, M, N, O... Número de sub-camadas, l:» São representadas por letras s, p, d, f;» São restritas ao número quântico principal. Número de estados de energia, m l :» Representa o número de estados de energia em cada sub-camada: camada s, único estado; camada p, três estados; camada d, cinco estados; camada f, sete estados. Spin do elétron, m s :» Representa o momento de spin do elétron;» Assume os valores + ½ ( spin orientado para cima) e ½ (spin orientado para baixo).

20 f 10 5 d 6 3 p 2 1 s N d 6 3 p 2 1 s M p 2 1 s L s K 1 elétrons por camadas elétrons por subcamadas estados sub-camada camada n

21 Configurações eletrônicas Estados eletrônicos:» Valores de energia permitidos para os elétrons» Maneira pela qual são preenchidos: Princípio de exclusão de Pauli Cada estado eletrônico não pode conter mais do que dois elétrons Estado fundamental:» Todos os elétrons ocupam os estados de energia mais baixos Estrutura de um átomo:» Maneira como os estados são ocupados. Elétrons de valência:» Aqueles que ocupam a camada mais externa preenchida.

22 Elemento Símbolo No. Atômico Configuração Eletrônica Hidrogênio H 1 1s 1 Hélio He 2 1s 2 Lítio Li 3 1s 2 2s 1 Berílio Be 4 1s 2 2s 2 Boro B 5 1s 2 2s 2 2p 1 Carbono C 6 1s 2 2s 2 2p 2 Nitrogênio N 7 1s 2 2s 2 2p 3 Oxigêno O 8 1s 2 2s 2 2p 4 Flúor F 9 1s 2 2s 2 2p 5 Neônio Ne 10 1s 2 2s 2 2p 6 Sódio Na 11 1s 2 2s 2 2p 6 3s 1 Magnésio Mg 12 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 Alumínio Al 13 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 1 Silício Si 14 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 2 Fósforo P 15 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 3 Enxofre S 16 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 4 Cloro Cl 17 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 5

23 Forças e Energia de ligação Quando dois átomos se aproximam, eles exercem uma força um no outro: F = F + N A F R onde: F A força de atração F R força de repulsão F N força resultante

24 Dois átomos distantes a força de interação é praticamente nula À medida que eles se aproximam: cada átomo exerce uma força sobre o outro Atrativa Repulsiva distância entre os átomos

25 Ligações Químicas Para compreendermos muitas das propriedades de materiais, é conhecermos a natureza das forças que mantém os átomos unidos. preciso Atrações interatômicas:» causadas pela estrutura eletrônica dos átomos; Forças de Ligação: Consideremos a interação entre dois átomos isolados: Longas distâncias:» Interações são desprezíveis;» Curtas Distâncias» Cada um exerce uma força sobre o outro;» Forças dois tipos: Atrativas; Repulsivas; Intensidade é função da separação e da distância interatômica; Origem: Depende da ligação particular que existe entre os átomos. Força do tipo coulombiana

26 Ligação iônica Ligação interatômica mais fácil de ser descrita e visualizada; Atração mútua entre cargas positivas e negativas; Sempre encontrada em compostos de um elemento metálico e outro não metálico:» Metálico: cede elétrons (cátion);» Não metálico: recebe elétrons (ânion); Cátion muito menor que o ânion.

27 Exemplo: Na: Z = 11 Cl: Z = 17 Para o cloreto de sódio, tanto o cátion Na + quanto o ânion Cl - ficam com seus orbitais externos completos.

28 metal (esquerdo TP) + não-metal (direito TP) envolve a transferência de elétrons de um átomo para outro resulta da interação eletrostática entre um íon positivo e um íon negativo a ligação é não-direcional é a ligação predominante nos materiais cerâmicos os materiais são duros e quebradiços bons isolantes térmicos e elétricos

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30 Atração Coulombiana;» Ions positivos e negativos, em virtude de suas cargas elétricas líquidas, se atraem. Para dois átomos isolados: Energia de atração, E A : E A = - A / r Energia de repulsão, E R : E R = - B / r n onde: A, B e n são constantes

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33 Resistência mecânica: aumenta com a força máxima e com a profundidade do poço da curva de energia de ligação. Pontos de fusão e de ebulição: aumentam com a profundidade do poço da curva de energia de ligação. Coeficiente de expansão térmica: diminui com a profundidade do poço da curva de energia de ligação.

34 Ligações Covalentes Neste tipo de ligação, os átomos compartilham elétrons. Dois átomos que estão covalentemente ligados irão contribuir com pelo menos um elétron para a ligação e os elétrons compartilhados, serão considerados pertencentes aos dois átomos. H CH 4 H C H H

35 Um átomo de carbono pode formar orbitais sp 3 orbitals posicionados simetricamente através dos vertices de um tetraedro.

36 Ligações Metálicas Encontrada em metais ou ligas; Materiais Metálicos:» Um, dois ou três elétrons de valência;» Não são ligados, mas livres para circular pelo material;» Formam um mar de elétrons livres;» Elétrons ligados: Caroços iônicos com carga positiva;

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38 Ligações de Van der Waals São ligações mais fracas que as primeiras; São ligações encontradas em gases inertes; São ligações entre moléculas que são ligadas covalentemente; Dão origem a dipolos moleculares; Pontes de Hidrogênio Moléculas Uma molécula pode ser definida como um grupo de átomos que são ligados por ligações primárias fortes, mas cujas ligações a outros grupos similares são fracas.

39 Ocorrem atrações entre dipolos gerados pela assimetria de cargas. O mecanismo dessas ligações é similar ao das ligações iônicas, porém não existem elétrons transferidos. Representação esquemática da ligação de Van der Waals entre dois dipolos. Polímeros - cadeia de PVC H + Cl: covalente entre cadeias - Van der Waals H (+) Cl (-)

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41 Ligação Tipos de compostos Ligações Químicas Iônica Covalente Metálica Atração entre íons de cargas opostas sólidos Compartilhamento eletrônico Moléculas diatômicas e sólidos macromoleculares Compartilhamento eletrônico sólidos Condutividade Sol.: não Sol.: não Sol.: sim Líq.: sim Líq.: não Líq.: sim Aq.: sim Aq.: podem conduzir por formação de íons Aq.: podem conduzir por reagirem com água formando íons