Ciências dos materiais- 232

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Diego Frade de Almada
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1 1 Ciências dos materiais a aula - Ligações químicas - Estruturas Cristalinas Quinta Quinzenal Semana par 10/03/ Professor: Luis Gustavo Sigward Ericsson Curso: Engenharia Mecânica Série: 5º/ 6º Semestre _CienciasMateriais_Aula02_Li

2 - Ligações químicas Porque estudar a estrutura atômica? As propriedades macroscópicas dos materiais dependem essencialmente do tipo de ligação entre os átomos. O tipo de ligação depende fundamentalmente dos elétrons. Os elétrons são influenciados pelos prótons e neutrons que formam o núcleo atômico. Os prótons e neutrons caracterizam quimicamente o elemento e seus isótopos. 2

3 - Ligações químicas Átomos - Conceitos Fundamentais Átomo Núcleo Elétrons Prótons Nêutron Massa Atômica (A) dada pela soma de massa dos prótons e nêutrons Número Atômico (Z) dada pela quantidade de prótons no átomo Número de elétrons = número de prótons 3

4 - Ligações químicas Modelo Atômico de Bohr Diagrama de Linus Pauling 4

5 - Ligações químicas Tabela periódica 5

6 - Ligações químicas Ligações Químicas Os elementos se ligam para formar os sólidos para atingir uma configuração mais estável: oito elétrons na camada mais externa (Regra do octeto) A ligação química é formada pela interação dos elétrons de valência através de um dos seguintes mecanismos: Ganho de elétrons Perda de elétrons Compartilhamento de elétrons 6

- Ligações químicas Ligações Iônicas Ocorre quando um átomo com a propensão a doar seus elétrons de valência, ou seja, eletropositivo, se une a outro elemento com propensão a receber elétrons, ou

7 - Ligações químicas Ligações Iônicas Ocorre quando um átomo com a propensão a doar seus elétrons de valência, ou seja, eletropositivo, se une a outro elemento com propensão a receber elétrons, ou seja, eletronegativo. O átomo eletropositvo fornece elétrons para o átomo eletronegativo, formando os íons positivos, cátions, e íons negativos, ânions. Assim ambos apresentam as últimas camadas de valência preenchida, resultando numa situação estável, similar a um gás nobre. 7

8 - Ligações químicas Ligações Iônicas A ligação iônica não é direcional, a atração é mútua. A ligação é forte= Kcal/mol (por isso o PF dos materiais com esse tipo de ligação é geralmente alto) Materiais duros e quebradiços. Bons isolantes térmicos e elétricos. A ligação predominante nos materiais cerâmicos é iônica. 8

9 - Ligações químicas Ligações Covalentes Quando dois átomos eletronegativos (tendência a receber elétrons para se estabilizar) compartilham elétrons entre si, forma-se a ligação covalente. Podem ocorrer entre átomos do mesmo elemento ou não. Compartilham um, dois ou três pares de elétrons formando ligações covalente simples, duplas ou triplas. H 2 H H Elétron do hidrogênio CH 4 H H C Elétron do Carbono H H Elétron do hidrogênio 9

$As moléculas podem porém ser atraídas por ligações secundárias fracas devido à existência de dipolos eletrostáticos (Van der Waals).$

10 - Ligações químicas Ligações Covalentes Diferente do par iônico, a ligação covalente é direcional e a molécula formada pode existir individualmente sem a necessidade de formar retículos cristalinos. As moléculas podem porém ser atraídas por ligações secundárias fracas devido à existência de dipolos eletrostáticos (Van der Waals). Apesar da ligação ser covalente ser forte, a ligação intermolecular é fraca resultando em baixos pontos de fusão 10

$Poucos elétrons de valência são fracamente ligados ao núcleo e devido à proximidade do átomos se movem nos níveis mais altos de energia formando uma nuvem eletrônica.$

11 - Ligações químicas Ligações Metálicas Sólidos metálicos são formados por átomos empacotados próximos uns dos outros na forma de uma rede cristalina tridimensional. Poucos elétrons de valência são fracamente ligados ao núcleo e devido à proximidade do átomos se movem nos níveis mais altos de energia formando uma nuvem eletrônica. Os outros elétrons permanecem ligados ao núcleo formando um cátion igual à dos elétrons livres. 11

$A ligação metálica possui uma caráter não direcional. A força da ligação depende da quantidade de elétrons livres e varia de forte a fraca.$

12 - Ligações químicas Ligações Metálicas A repulsão eletrostática entre os cátions vizinhos é contra balanceada pelos elétrons livres (funcionam como uma cola para manter juntos os núcleos iônicos). A ligação metálica possui uma caráter não direcional. A força da ligação depende da quantidade de elétrons livres e varia de forte a fraca. Conduzem bem calor e eletricidade consequência dos elétrons livres A falha é do tipo dúctil (experimentam deformação antes de romperem) que é uma característica da ligação metálica. 12

13 - Ligações químicas Questões 1) Explique com suas palavras os tipos de ligações primárias existentes 2) Cite as diferenças entre elas e as consequências em algumas propriedades mecânicas. 3) Porquê materiais com ligações covalentes são menos densos que os com ligação metálica ou iônica? 13

14 - Estruturas Cristalinas Estrutura Cristalina As propriedades dos materiais sólidos cristalinos depende da estrutura cristalina, ou seja, da maneira na qual os átomos, moléculas ou íons estão dispostos no espaço. Há um grande número de diferentes estruturas cristalinas, desde estruturas simples exibidas pelos metais até estruturas mais complexas exibidas pelas cerâmicas e polímeros 14

- Estruturas Cristalinas Estrutura Cristalinas Materiais

arranjo de átomos e/ou íons Cristalino átomos estão

15 - Estruturas Cristalinas Estrutura Cristalinas Materiais sólidos são classificados de acordo com a regularidade no arranjo de átomos e/ou íons Cristalino átomos estão situados em um arranjo repetitivo (ou periódico) a grandes distâncias atômicas. Amorfo não apresentam ordem de grande alcance a estrutura atômica é similar (comparável) a de líquidos 15

A célula unitária é escolhida para representar a simetria da estrutura

16 - Estruturas Cristalinas Células unitárias Pequeno grupo de átomos que forma um padrão repetitivo ao longo da estrutura tridimensional. A célula unitária é escolhida para representar a simetria da estrutura cristalina. Os vértices da célula unitária coincidem com o centro da esfera que representa o átomo. 16

17 - Estruturas Cristalinas Redes de Bravais - 7 Sistemas crislalinos - 14 arranjos diferentes - As estruturas cristalinas mais comuns em metais são: Cúbica de corpo centrado (CCC) Cúbica de face centrada (CFC) Hexagonal compacta (HC) 17

18 - Estruturas Cristalinas Cúbico de Corpo Centrado (CCC) Cada vértice possui 1/8 de átomo e há 1 átomo no centro da célula unitária. Há 2 átomos por célula unitária Ex.: Cromo (Cr), Tungstênio (W), Ferro (Fe) 18

19 - Estruturas Cristalinas Cúbico de Corpo Centrado (CCC) No sistema CCC os átomos se tocam ao longo da diagonal do cubo. Desta forma a aresta do cubo será: 19

20 - Estruturas Cristalinas Cúbico de Face Centrada (CFC) Cada vértice possui 1/8 de átomo e cada face possui 1/2 átomo. Há 4 átomos por célula unitária Ex.: Cobre (Cu), Ferro (Fe), Alumínio (Al) 20

21 - Estruturas Cristalinas Cúbico de Face Centrada (CFC) No sistema CFC os átomos se tocam ao longo da diagonal da face do cubo. Desta forma a aresta do cubo será: 21

22 - Estruturas Cristalinas Hexagonal Compacta (HC) Há 2 planos com 6 átomos formando um hexágono com um átomo no centro. E um plano adicional com 3 átomos, situado entre os planos superior e inferior. Cada célula unitária contém o equivalente a 6 átomos: 1 / 6 átomos em cada um dos 12 vértices, ½ átomos em cada um dos dois centros dos planos e 3 átomos no plano intermediário. 22

23 - Estruturas Cristalinas Fator de Empacotamento Atômico (FEA) O Fator de Empacotamento Atômico representa o volume da célula unitária efetivamente ocupado pelos átomos, ou seja a eficiência de empacotamento dos átomos. Volume de cada átomo: Volume da célula unitária cúbica: 23

24 - Estruturas Cristalinas Fator de Empacotamento Atômico (FEA) Estrutura FEA CFC 0,74 CCC 0,68 HC 0,74 24

25 - Estruturas Cristalinas POLIMORFISMO OU ALOTROPIA Alguns metais e não-metais podem ter mais de uma estrutura cristalina dependendo da temperatura e pressão. Esse fenômeno é conhecido como polimorfismo. Geralmente as transformações polimorficas são acompanhadas de mudanças na densidade e mudanças de outras propriedades físicas. Ex.: Ferro, titânio, carbono (grafite e diamante) 25

26 - Estruturas Cristalinas POLIMORFISMO OU ALOTROPIA Formas alotrópicas de alguns metais. Variações alotrópicas do Ferro puro 26

27 - Estruturas Cristalinas Questões 1) Qual a diferença entre estrutura atômica e cristalina? 2) Mostre a relação abaixo para a estrutura CCC: a = 4R/(3) ½ 3) Mostre o fator de empacotamento para CCC é 0,68. 27

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