LIGAÇÃO METÁLICA Propriedades Gerais dos Metais

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1 LIGAÇÃO METÁLICA Propriedades Gerais dos Metais São maleáveis e dúcteis São excelentes condutores de eletricidade e calor. Apresentam brilho metálico característico. Têm altos índices de reflexão. Suas estruturas cristalinas são invariavelmente do tipo cúbico de empacotamento compacto, hexagonal compacto, ou cúbico de corpo centrado. Formam ligas com facilidade.

2 Quadro 1: Condutividade Elétrica de Vários Sólidos Substância Tipo de Ligação Condutividade (ohm. cm -1 ) Prata Metálica 6,3 x 10 5 Cobre Metálica 6,0 x 10 5 Sódio Metálica 2,4 x 10 5 Zinco Metálica 1,7 x 10 5 NaCl Iônica 1,0 x 10-7 Diamante Covalente 1,0 x Quartzo Covalente 1,0 x 10-14

3 TIPOS DE LIGAÇÕES Elemento eletropositivo + Elemento eletronegativo ligação iônica Elemento eletronegativo + Elemento eletronegativo ligação covalente Elemento eletropositivo + Elemento eletropositivo ligação metálica. Estes tipos de ligações são representações idealizadas. Por exemplo, o LiCl é considerado um composto iônico, mas ele é solúvel em álcool, o que sugere um certo caráter de ligação covalente.

4 TABELA 1 : INTERAÇÕES ENTRE AS ESPÉCIES QUÍMICAS ESPÉCIE QUÍMICA INTERAÇÃO INTENSIDADE Átomos Ligação Covalente muito forte Íons Ligação Iônica muito forte Íon-Molécula polar Íon-Dipolo forte Molécula polar-molécula polar Dipolo-Dipolo média Moléculas Ligação de Hidrogênio média Todas Forças de Dispersão de London fraca

5 COMPARAÇÃO ENTRE AS LIGAÇÕES A ligação iônica envolve a transferência completa de um ou mais elétrons de um átomo para outro. A ligação covalente envolve em geral o compartilhamento de um par de elétrons entre dois átomos. Na ligação metálica metálica os elétrons de valência são livres para se deslocar através de todo o cristal.

6 LIGAÇÃO METÁLICA TRANSIÇÃO ENTRE OS PRINCIPAIS TIPOS DE LIGAÇÃO: IÔNICA, COVALENTE E METÁLICA AS LIGAÇÕES QUÍMICAS SÃO INTERMEDIÁRIAS ENTRE ESSES TRÊS TIPOS E POSSUEM ALGUMAS CARACTERÍSTICAS DE DUAS DELAS, AS VEZES DAS TRÊS LIGAÇÕES. I 2 - ClF OF 2 - NF 3 CCl 4 BF 3 BeF 2 Na 2 O Li Na 3 Bi Na 3 Sb Na 3 As Na 3 P Na 3 N Na 2 O CsF Li n Ag n Sn n As n Te n S n I 2

7 LIGAÇÃO METÁLICA Os metais são formados por íons positivos empacotados, normalmente segundo um dos três arranjos Cúbico de corpo centrado: elementos do grupo 1 e Bário ccc Cúbico de face centrada :Cu e Ca cfc ou acc Agrupamento compacto hexagonal: Be e Mg ach

8 LIGAÇÃO METÁLICA Modelo de Mar de Elétrons para a Ligação Metálica Utilizamos um modelo deslocalizado para os elétrons em um metal. Os cátions metálicos estão imersos num mar de elétrons. Nenhum elétron é localizado entre dois átomos de metal. Assim, os elétrons podem fluir livremente através do metal.

9 LIGAÇÃO METÁLICA Sem quaisquer ligações definidas, os metais são fáceis de deformar (são maleáveis e dúcteis). Problemas com o modelo do mar de elétrons: À medida que o número de elétrons aumenta, a força da ligação deveria aumentar e o ponto de fusão deveria aumentar.

10 LIGAÇÃO METÁLICA ILUSTRAÇÃO DO MODELO DO MAR DE ELÉTRONS

11 LIGAÇÃO METÁLICA OUTRA ILUSTRAÇÃO DO MODELO DO MAR DE ELÉTRONS

12 LIGAÇÃO METÁLICA MODELO DO MAR DE ELÉTRONS Na ilustração esquemática do modelo do mar de elétrons cada esfera é um íon metálico carregado positivamente. Nesse modelo o metal é visualizado como uma rede de cátions metálicos imersos em um mar de elétrons como ilustrado na figura anterior.

13 LIGAÇÃO METÁLICA MODELO DO MAR DE ELÉTRONS O modelo do mar de elétrons não explica adequadamente todas as propriedades. De acordo com o modelo, a força da ligação entre os átomos metálicos deveria aumentar à medida que o número de elétrons de valência aumenta, aumentando consequentemente o PF à medida que o número de elétrons de valência aumenta.

14 LIGAÇÃO METÁLICA MODELO DO MAR DE ELÉTRONS DIFICULDADE: Entretanto, os metais do grupo 6 (Cr, Mo,W), que estão no centro dos metais de transição, têm os mais altos PF em seus respectivos períodos.

15 LIGAÇÃO METÁLICA MODELO DO MAR DE ELÉTRONS Tabela 2 - Pontos de Fusão de Alguns Metais de Transição

16 LIGAÇÃO METÁLICA Modelo do Orbital Molecular Para os Metais A ligação deslocalizada requer que os orbitais atômicos em um átomo interajam com orbitais atômicos de átomos vizinhos. Exemplo: os elétrons da grafita estão deslocalizados sobre um plano inteiro, as moléculas de benzeno têm elétrons deslocalizados sobre um anel.

17 LIGAÇÃO METÁLICA Modelo do Orbital Molecular Para os Metais Lembre-se: o número de orbitais moleculares é igual ao número de orbitais atômicos. Nos metais há um número muito grande de orbitais.

18 OS ELÉTRONS PI DESLOCALIZADOS NO ANEL BENZÊNICO

19 À medida que o número de orbitais aumenta, sua diferença de energia diminui e eles formam uma banda contínua de estados de energia permitidos. LIGAÇÃO METÁLICA Modelo do Orbital Molecular Para os Metais O número de elétrons não preenche completamente a banda de orbitais.

20 LIGAÇÃO METÁLICA Modelo do Orbital Molecular Para os Metais Conseqüentemente, os elétrons podem ser promovidos para bandas de energia desocupadas. Uma vez que as diferenças de energia entre os orbitais são pequenas, a promoção de elétrons ocorre com um pequeno gasto de energia.

21 FORMANDO ORBITAIS MOLECULARES A PARTIR DE ORBITAIS ATÔMICOS Orbitais atômicos Orbital molecular antiligante Orbital molecular ligante Orbitais moleculares ligantes

22 LIGAÇÃO METÁLICA Modelo do Orbital Molecular Para os Metais

23 LIGAÇÃO METÁLICA Modelo do Orbital Molecular Para os Metais A ilustração anterior mostra que a medida que o número de orbitais moleculares aumenta diminui a separação energética entre estes orbitais. Nos metais a interação de um número muito grande de orbitais forma uma banda aproximadamente contínua de orbitais moleculares deslocalizados por toda a rede metálica. O número de elétrons disponível não preenche completamente esses orbitais.

24 LIGAÇÃO METÁLICA Modelo do Orbital Molecular Para os Metais Ao movermos ao longo da série de metais de transição, a banda antiligante começa a ficar preenchida. Desta forma, a primeira metade da série de metais de transição tem apenas interações ligante-ligante, a segunda metade tem interações ligante-antiligante.

25 LIGAÇÃO METÁLICA Modelo do Orbital Molecular Para os Metais Espera-se que o meio da série de metais de transição tenha os pontos de fusão mais altos. O intervalo de energia entre as bandas é chamado de intervalo de bandas, nível proíbido ou lacuna de banda.

26 ISOLANTES, CONDUTORES E SEMICONDUTORES INTRÍNSECOS Tabela 3 :

27 ISOLANTES, CONDUTORES E SEMICONDUTORES INTRÍNSECOS Banda de Banda de Banda de Grande lacuna entre as bandas Pequena lacuna entre as bandas Banda de Banda de Banda de Ex: Diamante Ex: Lítio Ex: Silício

28 SEMICONDUTORES EXTRÍNSECOS A condutividade elétrica de um semicondutor pode ser modificada adicionando-se pequenas quantidades de outras substâncias. Esse processo é denominado dopagem. Consideremos o que acontece quando o Si é dopado com elementos do grupo 15 como P, As, Sb ou Bi. Os átomos de P substitui o Si em posições aleatórias na estrutura. Entretanto o P possui 5 elétrons de valência por átomo, enquanto o Si possui 4 elétrons de valência.

29 SEMICONDUTORES EXTRÍNSECOS Em um semicondutor do tipo n (por exemplo Si dopado com As) um nível doador está próximo da banda de condução em termos de energia. Em um semicondutor do tipo p ( por exemplo Si dopado com Ga) a condutividade elétrica é devida a um nível receptor ser populado termicamente o que deixa vazios (buracos positivos) na banda inferior

30 SEMICONDUTORES EXTRÍNSECOS Semicondutores Extrínsecos Os semicondutores extrínsecos contêm dopantes; um dopante é uma impureza introduzida em um semicondutor em quantidades mínimas para reforçar a sua condutividade elétrica.

31 SEMICONDUTORES INTRÍNSECOS Semicondutores Íntrínsecos: Se um material se comporta como um semicondutor sem a adição de dopantes, ele é um semicondutor intrínseco. NÍVEL DE FERMI O nível de energia do orbital mais alto ocupado em um metal no zero absoluto é chamado nível de Fermi

32 SEMICONDUTORES INTRÍNSECOS E EXTRÍNSECOS INTRÍNSECO EXTRÍNSECO EXTRÍNSECO BANDA DE CONDUÇÃO Nível doador BANDA DE VALÊNCIA Nível receptor Silício puro Silício dopado com Fósforo. Semicondutor do tipo n Silício dopado com Gálio. Semicondutor do tipo p

33 SEMICONDUTORES INTRÍNSECOS E EXTRÍNSECOS No silício puro (semicondutor intrínseco) os elétrons da banda de valência apenas preenchem a banda de energia permitida de mais baixa energia. No Si dopado com P (semicondutor extrínseco) o excesso de elétrons ocupa os orbitais de mais baixa energia na banda de condução. Esses elétrons são capazes de conduzir corrente elétrica.

34 SEMICONDUTORES EXTRÍNSECOS No Si dopado com Ga ( semicondutor extrínseco) não existem elétrons em número suficiente para ocupar completamente a banda de valência. A presença de orbitais vazio nessa banda permite a passagem de corrente.

35 SEMICONDUTORES EXTRÍNSECOS Se o Si é dopado com um elemento do grupo 13 como o Ga, In e Tl, a banda de valência está preenchida de maneira incompleta porque o Ga, In e Tl tem 3 elétrons na camada de valência. Nesse caso os elétrons podem mover-se dos orbitais moleculares ocupados para aqueles que estão vazios na banda de valência.

36 SEMICONDUTORES EXTRÍNSECOS O Si dopado com Ga, In ou Tl é chamado semicondutor do tipo p porque esta dopagem cria sítios vagos de elétrons que podem ser tratados como buracos positivos no sistema.

37 LIGAS Uma liga é uma mistura íntima ou, em certos casos, um composto de dois ou mais metais, ou metais e não metais. A liga melhora propriedades físicas como a resistência corrosão ao calor, a dureza, a maleabilidade e dutilidade do material.

38 LIGAS Os metais puros e as ligas têm propriedades físicas diferentes. Na joalheria, usa-se uma liga de ouro e cobre (a liga é bastante dura; o ouro puro é muito macio). Ligas de Solução são misturas homogêneas. Ligas Heterogêneas: os componentes não estão dispersos uniformemente (por exemplo, aço de perlita tem duas fases: Fe quase puro e cementita, Fe 3 C).

39 QUADRO 2 - ALGUMAS LIGAS COMUNS ELEMENTO PRIMÁRIO. NOME DA LIGA COMPOSIÇÃO EM MASSA BISMUTO METAL DE MADEIRA 50% Bi, 25% Pb, 12,5% Sn, 12,5% Cd COBRE LATÃO AMARELO 67% Cu, 33% Zn FERRO AÇO INOXIDÁVEL 80,6 Fe, 0,4%C, CHUMBO SOLDA DE CHUMBO 18% Cr, 1% Ni 67% Pb, 33% Sn PRATA PRATA ESTERLINA 92,5% Ag, 7,5% Cu

40 LIGAS DE SOLUÇÃO Existem dois tipos de ligas de solução : Liga substitucional (os átomos do soluto tomam as posições do solvente); Liga intersticial (o soluto ocupa sítios intersticiais na rede metálica). Nas ligas substitucionais: os átomos devem ter raios atômicos semelhantes, e características de ligação química. Um exemplo é a prata esterlina.

41 LIGAS DE SOLUÇÃO Nas ligas intersticiais: um elemento deve ter um raio significativamente menor do que o outro (para que caiba no sítio intersticial), por exemplo, um não-metal. A liga é bem mais forte do que o metal puro (ligação fortalecida entre não-metal e metal). Exemplo: aço (contém até 3% de carbono).

42 LIGAS HETEROGÊNEAS NA LIGA HETEROGÊNEA OS COMPONENTES NÃO ESTÃO DISPERSOS UNIFORMEMENTE. EM GERAL, AS PROPRIEDADES DAS LIGAS HETEROGÊNEAS DEPENDEM NÃO APENAS DA COMPOSIÇÃO SÃO TAMBÉM DEPENDENTES DA MANEIRA PELA QUAL O SÓLIDO É FORMADO A PARTIR DA MISTURA FUNDIDA.

43 LIGAS HETEROGÊNEAS O RESFRIAMENTO RÁPIDO LEVA A PROPRIEDADES DISTINTAS DAQUELAS QUE SÃO OBTIDAS PELO RESFRIAMENTO LENTO.

44 LIGA SUBSTITUCIONAL A ESQUERDA E INTERSTICIAL A DIREITA LIGA SUBSTITUCIONAL LIGA INTERSTICIAL

45 COMPOSTOS INTERMETÁLICOS OS COMPOSTOS INTERMETÁLICOS SÃO LIGAS HOMOGÊNEAS QUE TÊM PROPRIEDADES E COMPOSIÇÕES DEFINIDAS. Ex: CuAl 2, MgZn 2, Cu 3 Au, NaTl, Na 5 Zn 21. OUTROS EXEMPLOS : Ni 3 Al PRINCIPAL COMPONENTE DO MOTOR DE AERONAVES A JATO DEVIDO A SUA RESISTÊNCIA E BAIXA DENSIDADE. Cr 3 Pt REVESTIMENTO DE LÂMINA DE NAVALHA

46 TABELA 4 : TIPOS DE SÓLIDOS CRISTALINOS TIPO DE SÓLIDO MOLECULAR COVALENTE IÔNICO FORMA DAS PARTÍCULAS UNITÁRIAS ÁTOMOS E MOLÉCULAS ÁTOMOS LIGADOS EM UMA REDE DE LIGAÇÕES COVALENTES ÍONS POSITIVOS E NEGATIVOS FORÇA ENTRE AS PARTÍCULAS FORÇAS DE DISPERSÃO DE LONDON, FORÇAS DIPOLO- DIPOLO, LIGAÇÕES DE HIDROGÊNIO LIGAÇÕES COVALENTES LIGAÇÕES IÔNICAS METÁLICO ÁTOMOS LIGAÇÕES METÁLICAS EXEMPLOS ARGÔNIO, METANO, SACAROSE, GELO SECO, H2O DIAMANTE, QUARTZO, SiO2 SiC, Al2O3 CLORETO DE SÓDIO, NITRATO DE CÁLCIO TODOS OS ELEMEN- TOS METÁLICOS Ex: Na, Ag, Fe, W