Estrutura atômica e ligação interatômica

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1 Universidade Estadual de Ponta Grossa Departamento de Engenharia de Materiais Disciplina: Ciência dos Materiais 1 Estrutura atômica e ligação interatômica 1º semestre / 2016

2 Estrutura atômica e ligação interatômica Assuntos abordados... O que promove a ligação? Quais os tipos de ligação? Quais propriedades são inferidas a partir das ligações? 2

3 Estrutura atômica átomo elétrons 9,11 x kg prótons nêutrons } 1,67 x kg Carga elétrica = 1,60 x C Número atômico = nº de prótons no núcleo do átomo = nº de elétrons para átomos neutros Massa atômica = soma do nº de prótons e nêutrons Unidade de massa atômica = uma = 1/12 mass of 12 C Isótopo = átomos que possuem duas ou mais massas atômicas diferentes Peso atômico = média ponderada das massas atômicas dos isótopos do átomo que ocorrem naturalmente Peso atômico = peso de 6,022 x moléculas ou átomos 1 uma/átomo = 1 g/mol C 12,011 H 1,008 etc. Número de Avogadro 3

4 Estrutura atômica Elétrons de valência determinam as seguintes propriedades: 1) Química 2) Elétrica 3) Térmica 4) Óptica 4

5 Modelo atômico: o Átomo de Bohr Elétron em órbita Núcleo Modelo de Bohr Posição de cada elétron em particular é mais ou menos bem definida em termos do seu orbital. Energias dos elétrons são quantizadas mudança de orbital é possível, com absorção (maior energia) ou emissão (menor energia) de energia. Estados adjacentes são separados por energias finitas. O modelo de Bohr apresenta limitações significativas, não servindo para explicar vários fenômenos envolvendo os elétrons. 5

6 Estrutura eletrônica Elétron possuem características de onda e de partículas (modelo mecânico-ondulatório). Isto significa que os elétrons estão em orbitais definidos por uma probabilidade Cada elétron em um átomo é caracterzado pelos números quânticos. Número quântico Designação n = principal (camada de energia) K, L, M, N, O, P, Q (1, 2, 3, 4, 5, 6, 7) l = secundário (subcamada/orbital) s, p, d, f (0, 1, 2, 3,, n -1) m l = magnético (número de estados) 1, 3, 5, 7 (-l até +l) m s = spin (momento de rotação) ½, -½ 6

7 Estados eletrônicos de energia Elétrons... possuem estados de energia discretos tendem a ocupar o estado de energia mais baixo 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 Adapted from Fig. 2.4, Callister & Rethwisch 8e. 7

8 Configurações eletrônicas Princípio da exclusão de Pauli Cada estado eletrônico pode comportar no máximo dois elétrons, com spin opostos Número máximo de elétrons em cada subcamada: s = 2 p = 6 d = 10 f = 14 Diagrama de Linus Pauling 8

9 Inspeção nos elementos Maioria dos elementos: Configuração eletrônica não é estável. Elemento Hidrogênio Hélio Lítio Berílio Boro Carbono... Neônio Sódio Magnésio Alumínio... Argônio... Criptônio Nº atômico Configuração eletrônica 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 (estável) 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... Adapted from Table 2.2, Callister & Rethwisch 8e. 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 (estáve) Por quê? Camada de valência (mais externa) normalmente não é preenchida completamente. 9

10 Configurações eletrônicas Elétrons de valência aqueles em camadas não preenchidas Camadas preenchidas são mais estáveis Elétrons de valência são mais disponíveis e tendem a controlar as propriedades químicas examplo: C (número atômico = 6) 1s 2 2s 2 2p 2 elétrons de valência 10

11 Configurações eletrônicas ex: Fe Nº atômico = 26 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 3d 6 4s 2 4d 4p 3d 4s Camada N n = 4 elétrons de valência Energia 3p Camada M n = 3 3s 2p 2s 1s Camada L n = 2 Camada K n = 1 Adapted from Fig. 2.4, Callister & Rethwisch 8e. 11

12 gases nobres A tabela periódica Colunas: Estrutura de valência similar doam 1e - doam 2e - H Li Be Na Mg doam 3e - K Ca Sc Metal Não-metal Intermediário recebem 2e - recebem 1e - O S Se F Cl Br He Ne Ar Kr Adapted from Fig. 2.6, Callister & Rethwisch 8e. Rb Sr Y Te I Xe Cs Ba Po At Rn Fr Ra Elementos eletropositivos: Prontamente doam elétrons para se tornarem íons +. Elementos eletronegativos: Prontamente recebem elétrons 12 para se tornarem íons -.

13 Eletronegatividade Varia de 0,7 a 4,0, Valores elevados: tendência a receber elétrons. Menor eletronegatividade Maior eletronegatividade Adapted from Fig. 2.7, Callister & Rethwisch 8e. (Fig. 2.7 is adapted from Linus Pauling, The Nature of the Chemical Bond, 3rd edition, Copyright 1939 and 1940, 3rd edition. Copyright 1960 by Cornell University. 13

14 Ligações primárias Iônica Metálica Covalente 14

15 Ligação iônica metal + não-metal doa elétrons recebe elétrons Eletronegatividades dissimilares 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] 15

16 Ligação iônica Ocorre entre íons + e -. Requer transferência de elétrons. Grande diferença na eletronegatvidade é requerida. Examplo: NaCl Na (metal) instável elétron Cl (não-metal) instável Na (cátion) estável + - Atração Columbiana Cl (ânion) estável Ligação não direcional. 16

17 Energia potencial, E Atração Repulsão Ligação Iônica Energia mínimo de energia mais estável Balanço de energia de termos atrativos e repulsivos A E N = E A + E R = - + r B r n Energia repulsiva E R separação interatômica r Energia resultante E N Adapted from Fig. 2.8(b), Callister & Rethwisch 8e. Energia atrativa E A 17

18 Exemplo: Ligação iônica Ligação predominante em Cerâmicas NaCl MgO CaF 2 CsCl Doam elétrons Recebem elétrons Adapted from Fig. 2.7, Callister & Rethwisch 8e. (Fig. 2.7 is adapted from Linus Pauling, The Nature of the Chemical Bond, 3rd edition, Copyright 1939 and 1940, 3rd edition. Copyright 1960 by Cornell University. 18

19 C: possui 4 e - de valência, precisa mais 4 Ligação covalente eletronegatividade similar compartilham elétrons ligações determinadas pela valência orbitais s & p dominam a ligação Exemplo: CH 4 Elétrons compartilhados CH 4 H de um átomo de carbono H: possui 1 e - de valência, precisa mais 1 Electronegatividades são comparáveis. H C H H elétrons compartilhados de átomos de hidrogênio Adapted from Fig. 2.10, Callister & Rethwisch 8e. 19

20 Ligação covalente Representação esquemática da ligação covalente na sílica ( SiO 2 ) O = 3,5 Si = 1,8 D E = 1,7 Caráter iônicocovalente Geometria molecular de acordo com a distribuição eletrônica sp sp 2 sp 3 linear trigonal planar tetraédrico A ligação resultante é altamente direcional. Menor diferença de eletronegatividade entre os elementos do que o observado em ligações iônicas. C = 2,5 H = 2,1 D E = 0,4 Forte caráter 20 covalente

21 Caráter iônico-covalente % caráter iônico = 1- e - (X A -X B ) 4 x ( 100 %) onde X A & X B são as eletronegatividades de Pauling 2 Ex: MgO X Mg = 1,2 X O = 3,5 ( 3, % caráter iônico 1 - e 1, 2) 2 x (100%) 73,4% iônica 21

22 Ligação metálica Modelo Simplificado Ilustração esquemática da ligação metálica Átomos dos metais possuem de um a três elétrons de valência. A ligação resultante é não-direcional. Os elétrons de valência passam a se comportar como elétrons livres : Apresentam a mesma probabilidade de se associar a um grande número de átomos vizinhos. Formam uma nuvem eletrônica. 22

23 Ligações secundárias ou de Van der Waals Ocorrem a partir da interação entre dipolos Dipolos flutuantes Dipolos moleculares permanentes -caso geral: nuvem eletrônica assimétrica ex: HCl líquido ligação secundária H Cl Adapted from Fig. 2.13, Callister & Rethwisch 8e. ligação secundária H H ligação secundária ex: H 2 líquido H 2 H 2 H Cl H ligação secundária H Adapted from Fig. 2.15, Callister & Rethwisch 8e. -ex: polímero ligação secundária 23

24 É um caso especial de ligação entre moléculas polares. Ponte de Hidrogênio É o tipo de ligação secundária mais forte. Ocorre entre moléculas em que o H está ligado covalentemente ao flúor (como no HF), ao oxigênio (como na água) ou ao nitrogênio (por exemplo, NH 3 ). Ponte de hidrogênio no HF Ponte de hidrogênio na molécula da água 24

25 Tipo Iônica Resumo: Ligação Energia de ligação Grande! Comentários Não-direcional (cerâmicas) Covalente Metálica Secundárias Variável Grande - Diamante Pequena - Bismuto Variável Grande - Tungstênio Pequena - Mercúrio Mais baixas Direcional (semicondutores, cerâmicas, cadeias poliméricas) Não-direcional (metais) Direcional entre cadeias (polímero) intermolecular 25

26 Forças e Energias de Ligação Forças de atração e de repulsão em função da distância interatômica (r) para dois átomos isolados Energia Potencial em função da distância interatômica (r) para dois átomos isolados 26

27 A distância de ligação entre dois átomos é a distância correspondente ao ponto de mínima energia (soma dos dois raios atômicos). (a) Para metais puros, todos os átomos têm o mesmo raio atômico. (b) Para sólidos iônicos, os raios atômicos são diferentes, uma 27 vez que íons adjacentes nunca são idênticos. Raio iônico.

28 Propriedades a partir da ligação: Módulo de elasticidade, E Propriedades Mecânicas Em escala atômica, a DEFORMAÇÃO ELÁSTICA é manifestada como uma pequena alteração na distância interatômica e na energia da ligação. A profundidade do poço de potencial é uma medida da energia de ligação; quanto maior for sua profundidade, maior será a energia de ligação e, portanto, também maior será a resistência à deformação elástica ( RIGIDEZ ). O MÓDULO DE ELASTICIDADE é uma medida da rigidez de um material. 28

29 Propriedades a partir da ligação: Módulo de elasticidade, E Módulo de Elasticidade r 0 r 0 Obs.: o módulo de elasticidade é uma propriedade mecânica que será estudada em detalhe mais à frente no curso r 0 = ponto onde forças de atração e repulsão são iguais O módulo de elasticidade pode ser associado à derivada da curva F(r) no ponto r = r 0 ; quanto maior for o valor da derivada, maior será o módulo de elasticidade. O material a apresenta maior rigidez do que o material b. 29

30 Propriedades a partir da ligação : T m Comprimento da ligação, r r Temperatura de fusão, T m Energia Energia da ligação, E o Energia r o menor T m r comprimento não estirado r o r E o = energia de ligação maior T m T m é maior se E o for maior. 30

31 Propriedades a partir da ligação : a Coeficiente de expansão térmica, a comprimento, L o Coef. de expansão térmica inicial, T 1 D L aquecido, T 2 D L L o = a ( T 2 - T 1 ) Energia E o r o maior a r E o menor a a é maior se E o for menor. 31

32 Cerâmicas Resumo: ligações primárias (ligações iônicas & covalentes): Grande energia de ligação grande T m grande E pequeno a Metais (Ligações metálicas): Polímeros (Coavente & Secondária): Energia de ligação variável moderada T m moderado E moderado a Propriedades direcionais Ligações secundárias dominam baixa T m baixo E grande a 32

33 Resumo: Ligação Energias de ligação e temperaturas de fusão para várias substâncias 33

34 Bibliografia Callister 8ª edição Capítulo 2, completo : Estrutura atômica e ligações químicas Item 6.3, Deformação elástica: Considerações a respeito do módulo de elasticidade em relação à energia de ligação Item 19.3, Expansão térmica: Considerações a respeito do coeficiente de expansão térmica Outras referências importantes Shackelford, J. F. Ciência dos Materiais, 6ª ed., Cap. 2. Van Vlack, L. - Princípios de Ciência dos Materiais, 3a ed., Cap. 2. Padilha, A.F. Materiais de Engenharia. Hemus. São Paulo Caps.1 a 3. Askeland, D.R. e Phulé, P.P. - The Science and Engineering of Materials. Thomson Brooks/Cole. 4a edição Caps. 1 e 2.