Estrutura dos Materiais. e Engenharia dos Materiais Prof. Douglas Gouvêa

Transcrição

1 Ligações Químicas e Estrutura dos Materiais PMT Fundamentos de Ciência e Engenharia dos Materiais Prof. Douglas Gouvêa

2 Objetivos Descrever a estrutura atômica e suas conseqüências no tipo de ligação química. Verificar a influência da eletronegatividade no tipo de ligação química predominantes e suas conseqüências na formação das diferentes classes de materiais. Outras forças químicas importantes para a formação dos materiais. PMT Fundamentos de Ciência e Engenharia dos Materiais 2/34

3 Conceitos fundamentais sobre estrutura atômica Cada átomo é composto por: Núcleo prótons e nêutrons. Elétrons, que circundam o núcleo. úl Elétrons e prótons são carregados eletricamente. Elétrons tem carga negativa; prótons tem carga positiva; nêutrons não tem carga. A magnitude da carga do próton e do elétron é 1,602 x C. As massas são muito pequenas: Prótons e nêutrons possuem massas quase iguais e que valem respectivamente 1,673 x kg e 1,675 x kg. Elétrons tem massa igual a 9,1095 x kg. Cada elemento é caracterizado: Pelo seu número atômico número de prótons dentro do núcleo. Pela sua massa atômica soma do número de prótons e do número de nêutrons dentro do núcleo. PMT Fundamentos de Ciência e Engenharia dos Materiais 3/34

4 Estrutura Eletrônica da Matéria Li Na K Rb Transições eletrônicas geram luz! PMT Fundamentos de Ciência e Engenharia dos Materiais 4/34

5 Estudo Espectroscópico da Matéria Átomo de Hidrogênio Comprimento de onda (nm) Infravermelho Ultravioleta l t visível PMT Fundamentos de Ciência e Engenharia dos Materiais 5/34

6 Dualidade Onda-Partícula e o Efeito Fotoelétrico A luz é uma manifestação eletromagnética onde λ =c/ν. λ = comprimento de onda c = velocidade da luz ν = freqüência da luz Fóton e o efeito fotoelétrico E=hν ia Cinética dos Elétrons ( J ) h = constante de Planck = 6,63 x10 34 J/Hz Energ E c = Freqüência da luz (Hz) hν constante t PMT Fundamentos de Ciência e Engenharia dos Materiais 6/34

7 Estrutura Eletrônica e Quantificação da Energia Átomo de Hidrogênio Comprimento de onda (nm) Infravermelho visível Ultravioleta visível Série de Balmer ν = n Rydberg 1 1 ν = R 2 2 nf ni R = constante de Rydberg = 3, Hz PMT Fundamentos de Ciência e Engenharia dos Materiais 7/34

8 O Átomo de Bohr modelo de órbitas Posição de cada elétron em particular é mais ou menos bem definida em termos do seu orbital. Energias dos elétrons são quantizadas e a mudança de orbital obta é possível, com absorção (maior energia) ou emissão (menor energia) de energia. ΔE E = h.ν Etd Estados adjacentes são separados por energias finitas. 1 1 ν = R 2 2 nf ni O modelo de Bohr apresenta limitações significativas, não servindo para explicar vários fenômenos envolvendo os elétrons. PMT Fundamentos de Ciência e Engenharia dos Materiais 8/34

9 Dualidade Partícula-Onda para o Elétron Louis de Broglie propõe que partículas muito pequenas também apresentam comprimento de onda que é proporcional à sua massa e sua velocidade: λ = h / (m.v) Umaboladetêniscom100gev=65km/hteráumcomprimentodeonda inferior a m. Um elétron com velocidade de km/s vale 360 pm que é equivalente ao tamanho de um átomo que é cerca de 3 vezes o raio de Borh. Desta forma, não podemos pensar no elétron sem considerar seu comportamento de onda! Ondas e elétrons apresentam comportamentos semelhantes, como a difração em redes. PMT Fundamentos de Ciência e Engenharia dos Materiais 9/34

10 Principio de Incerteza O alemão Werner Heisenberg propôs em 1927 que devido ao comportamento ondulatório do elétrons não é possível conhecer ao mesmo tempo sua velocidade e sua posição: Δx (m.δv) ( h / 4π ) Os elétrons não descrevem órbitas e sim em regiões do espaço onde podem ser encontrados com maior probabilidade. Assim surge a mecânica quântica para descrever o comportamento ondulatório do elétron em torno do núcleo. O elétron é considerado, como o caso de um oscilador harmônico, mas com características de onda e as soluções para a equação foram obtidas por Schrödinger. PMT Fundamentos de Ciência e Engenharia dos Materiais 10/34

11 Solução da Equação de Schrödinger As soluções da equação de Schrödinger levam a 4 números quânticos ao invés de 1 do modelo de Bohr: n = número quântico principal que determina a p R 2 energia dos elétrons no orbital; l = número quântico secundário ou azimutal que corresponde ao momento angular dos elétrons; m l = número quântico magnético que representa o momento magnético dos elétrons; m s = número quântico de spin que representa a rotação do elétron sobre seu eixo. PMT Fundamentos de Ciência e Engenharia dos Materiais 11/34

12 Orbitais s p z p y p x d xy d yz d xz d 2 x y 2 d z 2 PMT Fundamentos de Ciência e Engenharia dos Materiais 12/34

13 Números Quânticos Cada elétron em um átomo é caracterizado por quatro parâmetros os números quânticos. Não existem dois elétrons com os mesmos números quânticos. Número quântico principal n n = 1, 2, 3, 4, 5, (ou K, L, M, N, O,. ) Número quântico orbital (ou secundário) l subcamadas s, p, d, f, l= 0, 1, 2, 3, 4,, (n -1) Número quântico orbital magnético (ou terceiro) m l m l =-l, (-l +1),, (l -1),l Número quântico de spin (ou quarto) m s = -1/2, +1/2. PMT Fundamentos de Ciência e Engenharia dos Materiais 13/34

14 Distribuição de Energia nas Camadas Atômicas Energia 4s 3p 3d 3s 2p 2s 1s PMT Fundamentos de Ciência e Engenharia dos Materiais 14/34

15 Elétrons de Valência - Configurações Estáveis Elétrons de Valência São aqueles que ocupam a camada eletrônica mais externa. Configurações Eletrônicas Estáveis As camadas eletrônicas mais externas estão completamente preenchidas. Elétron de valência do sódio PMT Fundamentos de Ciência e Engenharia dos Materiais 15/34

16 Tabela Periódica e Distribuição Eletrônica início A configuração mais estável será aquela onde os níveis energéticos estão completamente preenchidos. Os elétrons nos orbitais s blindam a carga do núcleo de forma mais efetiva que os outros. PMT Fundamentos de Ciência e Engenharia dos Materiais 16/34

17 A Tabela Periódica PMT Fundamentos de Ciência e Engenharia dos Materiais 17/34

18 Eletronegatividade Eletronegatividade afinidade que um átomo tem por elétrons Primeira escala definida por Pauling (existem outras = Mulliken, Alfred- Rochow) Na escala de Pauling define-se arbitrariamente a eletronegatividade de um elemento sendo a dos outros obtidas em relação a esse elemento. Maior facilidade em ceder elétrons = CÁTIONS Maior facilidade em receber elétrons = ÂNIONS A diferença de eletronegatividade define o tipo de ligação química que ocorrerá entre os átomos, por conseqüência, o tipo de material. Quando a diferença de eletronegatividade for grande a ligação será mais iônica, i pois haverá transferência de elétrons. Quando a diferença de eletronegatividade for pequena a ligação ocorrerá por compartilhamento de elétrons, com ligações mais covalentes. PMT Fundamentos de Ciência e Engenharia dos Materiais 18/34

19 Eletronegatividade de Pauling Eletronegatividade PMT Fundamentos de Ciência e Engenharia dos Materiais 19/34

20 Ligações Químicas Os tipos de ligação química são determinados pela diferença de eletronegatividade. 100 igação iônic a (%) porce entagem de l ,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5 diferença de eletronegatividade ligação iônica ligação covalente polar ligação não-polar PMT Fundamentos de Ciência e Engenharia dos Materiais 20/34

21 Ligações Químicas Quais as ligações químicas primárias (entre os átomos)? Iônica: forte e não direcional (grande diferença de eletronegatividade). Os íons se comportam como esferas. Metálica: fraca e não direcional (nenhuma diferença de eletronegatividade e elétrons não localizados). Os átomos se comportam como esferas. Covalente: muito forte e direcional ( pequena ou nenhuma diferença de eletronegatividade e elétrons localizados). A direção de ligação é dada pela direção dos orbitais. PMT Fundamentos de Ciência e Engenharia dos Materiais 21/34

22 Ligações Primárias Ligação Iônica Envolve a transferência de elétrons de um átomo para outro. A ligação é não-direcional e as forças são de origem eletrostática. Grande diferença de eletronegatividade entre os elementos PMT Fundamentos de Ciência e Engenharia dos Materiais 22/34

23 Ligações Primárias Ligação Covalente Envolve o compartilhamento dos elétrons de valência de átomos adjacentes. A ligação resultante é direcional e de grande intensidade. Pequena diferença de eletronegatividade entre os elementos. PMT Fundamentos de Ciência e Engenharia dos Materiais 23/34

24 Ligações Primárias Ligação Metálica Átomos dos metais possuem de um a três elétrons de valência. A ligação resultante é nãodirecional. 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. PMT Fundamentos de Ciência e Engenharia dos Materiais 24/34

25 Energia de ligação Quando dois átomos se aproximam, eles exercem uma força um no outro: onde: F = F + F A = força de atração (elétrons pelos núcleos) N F R = força de repulsão (entre os elétrons ou os prótons) F N = força resultante A F R A energia potencial (E N ) será dada por: E N = F N dr = r F A dr + r F R dr onde: r = distância interatômica PMT Fundamentos de Ciência e Engenharia dos Materiais 25/34

26 Energia de ligação e distância entre os íons Existem duas contribuições para a energia entre os íons: Z Z e 2 c a E N = + 4πε 0rca B r ca n ca Repulsão (princípio de exclusão de Pauli) onde: Atração eletrostática (sempre negativo) Zéacargadoíon e é a carga do elétron B CA é uma contante r CA a distância de separação dos íons ε 0 é a permissividade dielétrica do vácuo N uma constante que vale ~ 10 PMT Fundamentos de Ciência e Engenharia dos Materiais 26/34

27 Energia de Ligação Química B ca + E R = n rca E r ca(ligação ) - Z Z e 2 c a E N = + 4πε0rca B r ca n ca E A = ZcZae 4πε r 0 2 ca r ca PMT Fundamentos de Ciência e Engenharia dos Materiais 27/34

28 Conseqüências da energia de ligação Quanto mais profundo o poço de potencial maior a energia de ligação. O ponto de fusão será menor para ligações mais fracas. Energia Para a mesma variação de energia no sistema (térmica) a variação de dimensão é maior para as ligações mais fracas. ΔE A dilatação será maior para materiais com ligação mais fraca. O módulo elástico será maior para ligações mais fortes. ΔE PMT Fundamentos de Ciência e Engenharia dos Materiais 28/34

29 Ligações secundárias Ocorrem atrações entre dipolos gerados pela assimetria de cargas. O mecanismo dessas ligações é similar ao das ligações iônicas, porém não existem elétrons transferidos. As ligações dipolares podem ser entre: dipolos permanentes. dipolos permanentes e induzidos. dipolos induzidos flutuantes (ligações de van der Waals). Forças importantes em vários materiais como: Polímeros Água Dispersões de partículas (barbotinas, aerossol, spray) PMT Fundamentos de Ciência e Engenharia dos Materiais 29/34

30 Ligações Secundárias ou de van der Waals Dipolos Induzidos Flutuantes Dipolo Molecular Permanente PMT Fundamentos de Ciência e Engenharia dos Materiais 30/34

31 Ligações de van der Waals Ligação de van der Waals Força Ligação de van der Waals Força PMT Fundamentos de Ciência e Engenharia dos Materiais 31/34

32 Ponte de Hidrogênio É um caso especial de ligação entre - - moléculas polares. + H F + H F É o tipo de ligação secundária mais forte. Ocorre devido à diferença de eletronegatividade e em moléculas em que o H está ligado covalentemente ao: flúor (como no HF), ao oxigênio (como na água) ou, ao nitrogênio i (no NH 3 ). PMT Fundamentos de Ciência e Engenharia dos Materiais 32/34

33 Ponte de Hidrogênio PMT Fundamentos de Ciência e Engenharia dos Materiais 33/34

34 Energia de ligação e ponto de fusão de diferentes substâncias Energia de ligação Tipo de ligação substância kj/mol (kcal/mol) ev/átomo ou íon iônica Temperatura de fusão o C covalente metálica van der Waals ponte de H PMT Fundamentos de Ciência e Engenharia dos Materiais 34/34