Aula 2 Estrutura e Ligação atômica. Professora: Maria Ismenia Sodero

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1 Aula 2 Estrutura e Ligação atômica Professora: Maria Ismenia Sodero maria.ismenia@usp.br

2 Assuntos que serão tratados 1. Natureza e estrutura de um átomo; 2. Configuração eletrônica; 3. Tipos de ligações primárias; 4. Tipos de ligações secundárias; 5. Como as ligações podem influenciar as propriedades

3 Estrutura do átomo ÁTOMO Unidade básica de um elemento Diametro : m. Neutralidade de carga Núcleo Diametro : m Responsável pela carga positiva Elétron Massa : x g Carga : x 10 9 C Responsável pelo volume Nuvem de elétrons Próton Massa : x g Carga : x C Neutron Massa : x g Carga neutra

4 Natureza e Estrutura do átomo As propriedades dos materiais são, em última análise, determinadas pelos tipos de átomos presentes, por suas orientações relativas e pela natureza das ligações entre eles. O tamanho relativo de um átomo e do seu núcleo composto de prótons e nêutrons. Notar que, contrariamente ao desenho, a fronteira do átomo não é bem definida. Fundamentos da Ciência e Engenharia dos Materiais William F. Smith/Javad Hashemi

5 Número atômico e Número de Massa Número atômico (Z) = Número de prótons do núcleo Específico para cada elemento, responsável por caracterizá-lo Exemplo :- Hidrogênio = 1, Urânio = 92 Número de massa (A) = soma de prótons e nêutrons no núcleo de um átomo. Exemplo :- Carbono tem 6 prótons e 6 nêutrons. A= 12. A ZC ou 12 6C Isótopos: todos os átomos possuem o mesmo número de prótons, mas nem todo mesmo elemento tem o mesmo numero de nêutrons. Essas variações, são os isótopos, ou seja, mesmo numero atômico, mas diferentes números de massa). Ex: H (hidrogênio), 2 H (deutério) e 3 H (trítio) Um grama Mol de C 12 Gramas De carbono x Átomos carbono

6 Estrutura Eletrônica dos átomos Teoria quântica de Planck Max Planck: átomos e as moléculas emitem energia somente em certas quantidades discretas, denominadas quanta. Maxwell: na radiação eletromagnética a E é liberada e transmitida na forma de onda eletromagnéticas, que se propagam a velocidade da luz; = c = frequência (s -1 ou Hz) = comprimento de onda (10-9 m) c = velocidade da onda = velocidade da luz = 3,0x10 8 m/s no vácuo; Planck = átomos que emitem esta radiação o fazem em quantidades discretas (quanta) A Energia contida em um único quantum de energia é dada pela seguinte equação: E= h Onde: h= constante de Planck = 6,63x10-34 J.s = frequência de radiação (HZ) E = hc

7 Tipos de ondas eletromagnéticas

8 Teoria de Bohr do átomo de hidrogênio Baseou-se na teoria quântica de Planck para explicar como os átomos de hidrogênio excitados absorver ou emitem luz somente em certos comprimentos de onda. Elétrons se movem ao longo de trajetórias circulares em torno do núcleo com valores discretos de momento angular (produto da velocidade pelo raio). A energia do elétron é limitada por um nível de energia que fixa a distância radial do elétron ao núcleo = órbita do elétron Energia Absorvida (foton) Energia Emitida (foton) E = hc Níveis de Energia

9 Modelo de Bohr Considera que os é orbitam ao redor do núcleo atômico em orbitais distintos, onde a posição de um é específico é mais ou menos bem definida em termos do seu orbital; Bohr introduziu o seu modelo para o átomo de hidrogênio, baseado em 4 postulados: 1- Um elétron se move em uma órbita circular em torno do núcleo sob influencia da atração colombiana do núcleo; 2- O elétron só pode se mover em órbitas que apresentem momentos angulares quantizados ; 3- O elétron fica em órbitas estacionárias e não emite radiação eletromagnética. Portanto, sua energia total E permanece constante; 4- Radiação é emitida se um elétron, que se move inicialmente numa órbita de energia E i, muda para uma órbita de energia E f, menor que E i. Os elétrons circundam o núcleo em níveis discretos. Para um elétron trocar de nível de energia, ele deve ou ganhar ou perder quantidades de energia específicas de energia

10 Estrutura eletrônica dos átomos Modelo mecânico ondulatório: considera que os é tendo características tanto de uma onda como de uma partícula. A posição do é é considerada como sendo a probabilidade de um é estar em vários locais ao redor do núcleo distribuição de probabilidades a b Fundamentos da Ciência e Engenharia dos Materiais William Callister Comparação entre os modelos atômicos de (a) Bohr e (b) mecânico ondulatório, em termos de distribuição eletrônica

11 Números Quânticos n=1 s orbital (l=0) Os níveis energéticos de Bohr se separam em subcamadas eletrônicas, e os números quânticos definem o número de estados em cada uma destas subcamadas n=2 n=3 n=1 n=2 p Orbital (l=1) Número Quântico Designação n= principal (camadas) K,L,M,N,O (1,2,3,4,etc) l= subnível (orbitais) s, p, d, f m l = magnético 1,3,5,7 (-l a +l) m s = spin ½ -½ Número quântico principal (n) Designação da camada Subcamadas Número de estados Número de elétrons Por subcamada Por camada a b (a) Os três estados de energia eletrônicos para o H de Bohr. (b) Estados eletrônicos de energia para as três primeiras camadas do H, segundo o modelo mecânico-ondulatório Fundamentos da Ciência e Engenharia dos Materiais William Callister

12 Energias relativas dos elétrons Representação esquemática das energias relativas dos elétrons para as várias energias relativas dos elétrons para as várias camadas e subcamadas Fundamentos da Ciência e Engenharia dos Materiais William F. Smith/Javad Hashemi

13 CONFIGURAÇÃO ELETRÔNICA: Princípio de Exclusão de Pauli: Cada estado eletrônico pode comportar no máximo dois elétrons, os quais devem possuir spins opostos. Os elétrons preenchem os estados energéticos mais baixos possíveis nas camadas e subcamadas eletrônicas, dois elétrons (que possuem spins opostos) por estado.

14 Estado Fundamental Quando todos os elétrons ocupam as menores energias possíveis de acordo com a configuração eletrônica. Representação esquemática dos estados de energia preenchidos e do menor estado de energia não preenchido para um átomo de sódio

15 Elétrons de valência São aqueles que ocupam a camada mais externa. São estes elétrons que participam da ligação entre os átomos para formar agregados atômicos e moleculares. Alguns átomos possuem o que é denominado configuração eletrônica estável, isto é, os estados na camada eletrônica mais externa, ou de valência, estão completamente preenchidos Esses elementos (Ne, Ar, Kr, He) são os gases inertes, ou gases nobres, que são, virtualmente não reativos. He : 1s 2 Ne: 1s 2 2s 2 2p 6 Ar: 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 Kr: 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 4s 2 3d 10 4p 6 Xe: 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 4s 2 3d 10 4p 6 5s 2 4d 10 5p 6 Rn: 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 4s 2 3d 10 4p 6 5s 2 4d 10 5p 6 6s 2 4f 14 5d 10 6p 6

16 Examinando a tabela periódica Elementos posicionados em ordem crescente de número atômico, em sete fileiras horizontais chamadas de períodos Todos os elementos localizados em uma dada coluna ou grupo, possuem estruturas semelhantes dos seus elétrons de valência, assim como propriedades físicas e químicas similares Eletronegatividade Elemento eletronegativo capaz de receber elétrons e se tornar carregado negativamente, ou compartilha elétrons. Fundamentos da Ciência e Engenharia dos Materiais William F. Smith/Javad Hashemi Configuração eletrônica parcial, no estado fundamental, de todos os elementos na tabela periódica.

17 Ligação interatômica Fonte: material Prof. Ruben Caram

18 Ligação Primária Força motriz para formação das ligações Busca de um estado mais estável Energia Potencial

19 Ligações interatômicas nos sólidos A compreensão de muitas das propriedades físicas dos materiais está relacionada às forças interatômicas que unem os átomos uns aos outros. Consideremos dois átomos que dois átomos isolados interagem conforme se aproxima um do outro a partir de uma distância de separação infinita. À grandes distâncias, as interações são desprezíveis, pois os átomos estão muito distantes para se influenciarem. No entanto, a pequenas distâncias, cada átomo exerce forças sobre o outro. Essas forças são do tipo atrativa (F A ) e repulsiva (F R ) e a magnitude depende da separação ou da distância interatômicas (r) Forças de atração e de repulsão geradas durante a ligação iônica. Observar que a força resultante é zero, uma vez formada a ligação.

20 Ligação Iônica Exemplo: Considerar a ligação iônica entre o metal Li (eletronegatividade de 1,0) e o não metal F (eletronegatividade de 4,0) Ciência dos Materiais James F. Shackelford (Segundo C.R. Barrett, W.D. Nix and A.S. Tetelman, The Principles of Engineering Materials, Prentice-Hall, 1973, p. 27.) Fundamentos da Ciência e Engenharia dos Materiais William F. Smith/Javad Hashemi

21 Z e Z e a Z 4 Força iônica Z1,Z2 = são os números de elétrons removidos ou anexados a cada átomos e = carga do eletrônica (1,6x10-19 C) a = distância Interiônica ε 0 = permissividade - constante dielétrica = (8.85 x c 2 /Nm 2 ) Z e a 1 2 Fatração (n e b são constantes) nb Fr a n 1 Z Z e nb Fresult 1 2 n a a 2

22 Energia de Ligação E = a Fda A separação atômica infinita é usada como referência, pois E = 0 E = a F a da + a F R da Energia de potencial (E) Força (F) E = a 1 Z 1 Z 2 e 2 4πε 0 a 2 E = 1 4πε 0 Z 1 Z 2 e 2 a + b a n bn a n+1 da Z1,Z2 = são os números de elétrons removidos ou anexados a cada átomos Onde: e = carga do eletrônica, a = distância Interiônica ε 0 = permissividade - constante dielétrica = (8.85 x c 2 /Nm 2 ) b=constante

23 Força Propriedades - Energia de ligação Módulo de Elasticidade Ligação forte Ligação fraca Distância Curva força-distância interatômicas de dois materiais mostrando a relação entre ligação atômica e módulo de elasticidade. Uma inclinação df/da mais abrupta corresponde a um módulo mais elevado

24 Propriedades - Energia de ligação Coeficiente linear de expansão térmica Material com ligações atômicas fortes (b) material com ligações fracas. Com a mesma quantidade de energia, o espaçamento interatômico médio sofre menor alteração no material com maior energia de Os materiais com curvas abruptas e com profunda depressão apresentam coeficiente linear de expansão térmica baixo.

25 Ligação Iônica e propriedades dos materiais Devido à intensas forças eletrostáticas que mantêm os íons unidos, os sólidos iônicos: Altas temperatura de fusão; Duros e quebradiços; Rígidos; Resistentes; Não conduzem bem a eletricidade (a não ser quando dissolvidos em água) Figura 2.19 Mecanismo de fratura de sólidos iônicos. O golpe do martelo fará com que íons semelhantes se emparelhem, gerando forças de repulsão intensas que podem levar à fratura do material. Fundamentos da Ciência e Engenharia dos Materiais William F. Smith/Javad Hashemi

26 Ligação Covalente São tipicamente observadas entre átomos com pequenas diferenças nas suas eletronegatividades e, entre não metais, cujos átomos se ligam pelo compartilhamento de elétrons. A ligação covalente é direcional; isto é, ela ocorre entre átomos específicos e pode existir apenas na direção entre um átomo e o outro que participa do compartilhamento dos elétrons. Esse tipo de ligação é encontrado em sólidos elementares, tais como o diamante (carbono), silício, germânio. Assim como em compostos tais como arseneto de gálio (GaAs), antimoneto de índio (InSb). A robustez da ligação covalente depende da magnitude da força de atração entre os núcleos do número de pares compartilhados de elétrons H H Sobreposição das nuvens eletrônicas

27 Par de elétron H + H H H 1s 1 Eletrons Molécula de H Ligamento covalente entre átomos de hidrogênio. (a) Diagrama de energia potencial e (b) desenho esquemático mostrando a molécula de H2 e as forças intramoleculares. Observar que podem existir elétrons em qualquer posição dentro do diagrama; entretanto, foram escolhidas as posições mostradas para facilitar a análise de forças.

28 Ligação Covalente A ligação covalente pode ser muito forte como no diamante (Tf > 3550 o C), ou muito fraca, como no bismuto (Tf ~ 270 o C); As energias de ligação e as temperaturas de fusão de uns poucos materiais ligados covalentemente estão apresentados na tabela. Os materiais poliméricos são típicos desse tipo de ligação, sendo a estrutura molecular básica desses materiais frequentemente composta por uma longa cadeia de átomos de carbono

29 Estrutura do diamante Exibe 4 ligações covalentes tetraédricas sp 3, dispostos simetricamente em direção aos vértices de um tetraedro regular. Esta estrutura é responsável pela elevada dureza do diamante e por sua enorme força de ligação, (711KJ/mol) e alta temperatura de fusão (3550 o C). Ângulos entre os orbitais simétricos sp 3 hibridizados em um átomo de carbono Ligações covalentes tetraédricas sp 3 em diamantes chamadas estrutura cúbica do diamante. Cada região sombreada representa um par compartilhado de elétrons.

30 Diamante perde sua posição de material mais duro do mundo Q-carbono: denominado pelos cientistas como terceira fase sólida do carbono, não pode ser encontrado na natureza, exceto talvez no núcleo de alguns planetas, local em que há temperaturas e pressões elevadas. Apresenta resistência e dureza superiores às do diamante, além de ser muito mais acessível do ponto de vista econômico. Este custo inferior é resultado de um processamento à temperatura ambiente e pressão atmosférica, muito diferente do que ocorre para obtenção do diamante sintético. Para obter o Q-carbono, é necessário cobrir com carbono amorfo um determinado substrato, que pode ser de safira, vidro ou polímeros termoplásticos e então incidir sobre este filme de carbono um pulso de laser de aproximadamente 200 ns de duração, fazendo com que a temperatura do filme alcance cerca de 3727 C. Em seguida, resfria-se o filme amorfo rapidamente, resultando em um filme de Q-carbono de 20 a 500 nm de espessura. apresenta ainda caráter ferromagnético, ou seja, é facilmente magnetizável. Assim, o material pode ser atraído por ímãs ou mesmo ser uma possível matéria-prima para produzi-los. Outras características interessantes do Q-carbono são exibir um brilho intenso sob corrente elétrica e uma baixa função trabalho, tornando-o promissor para o desenvolvimento de novas tecnologias na área da eletrônica. Grafite e diamante as duas outras fases sólidas do carbono. Atualmente, os cientistas conseguiram obter apenas filmes do material, o que ainda limita suas aplicações.

31 Caráter Iônico Ligação Mista É possível a existência de ligações interatômicas que são parcialmente iônica e parcialmente covalentes. % CI 1 e 0,25( X A X B 2 ) 100. Onde: %CI - % de caráter iônico de uma ligação entre dois elementos A e B; X A e X B são as eletronegatividades dos respectivos elementos.

32 Ligação Metálica Durante a solidificação de uma metal, os seus átomos se arranjam em um denso empacotamento, de maneira organizada e repetitiva, a fim de diminuir a energia e chegar a um estado mais estável na forma de um sólido, assim criando ligações metálicas. Nesse arranjo, todos os átomos contribuem com seus elétrons de valência para a formação de um mar de elétron ou nuvem de carga eletrônica, que movem livremente no mar de elétrons e não pertencem a nenhum átomo especifico elétrons livres. Elétrons Cernes de íon positivo Ligações metálicas são tridimensionais e não direcionais, como as ligações iônicas, mas como não há ânions envolvidos, não há restrição de neutralidade. Em contraste com as ligações covalentes direcionais, não há compartilhamento de pares de elétrons localizados, sendo portanto, mais fracas. Elétrons de valência na forma de nuvens de carga eletrônica Fundamentos da Ciência e Engenharia dos Materiais William F. Smith/Javad Hashemi

33 Ligação Metálica

34 Ligação Metálica Propriedades dos materiais: Ponto de fusão moderado; Metais puros são maleáveis; Excelentes condutores de eletricidade; Excelentes condutores de calor; Fundamentos da Ciência e Engenharia dos Materiais William F. Smith/Javad Hashemi

35 Ligações de Secundárias ou Ligações de Van der Walls (a) Um dipolo elétrico. O momento dipolar é qd. (b) O momento dipolar elétrico em uma molécula deligações covalentes. DIPOLO FLUTUANTE DIPOLO PERMANENTE Distribuição da carga eletrônica em um átomo de gás nobre. (a) Uma distribuição simétrica idealizada da carga eletrônica na qual os centros de carga positiva e negativa são superpostos no centro. (b) A distribuição real assimétrica dos elétrons gerando um dipolo temporário. (a) Natureza dipolar permanente da molécula de água. (b) Pontes de hidrogênio entre moléculas de água causadas pela atração dipolar permanente. Fundamentos da Ciência e Engenharia dos Materiais William F. Smith/Javad Hashemi

36 Exercícios O alumínio puro é metal dúctil com baixa resistência à tração e dureza. O seu óxido Al2O3 é extremamente resistente, duro e quebradiço. Você consegue explicar essa diferença do ponto de vista das ligações atômicas? Uma dada aplicação requer um material que seja leve, isolante elétrico e relativamente flexível. Quais classes de materiais você indicaria para esta aplicação? Explique sua resposta em termos das características das ligações Uma dada aplicação requer um material que seja não condutor elétrico (isolante), extremamente rígido e leve. Quais classes de materiais você indicaria para esta aplicação? Explique sua resposta em termos das características das ligações. Explique porque os materiais ligados covalentemente são geralmente menos densos que os materiais ligados ionicamente ou metalicamente.