ESTRUTURA ATÔMICA E LIGAÇÃO INTERATÔMICA CAP. 02

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1 UNIVERSIDADE DO ESTADO DE SANTA CATARINA CENTRO DE CIÊNCIAS TECNOLÓGICAS DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA MECÂNICA PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM CIÊNCIA E ENGENHARIA DE MATERIAIS - PGCEM ESTRUTURA ATÔMICA E LIGAÇÃO INTERATÔMICA CAP. 02 CMA CIÊNCIA DOS MATERIAIS 2º Semestre de 2017 Prof. Julio Cesar Giubilei Milan

2 ESTRUTURA ATÔMICA Conceitos fundamentais Átomo prótons (p) + neutrôns (n) + elétrons (e) Número atômico (Z) número de prótons do núcleo = número de elétrons (átomo neutro) Massa atômica (A) soma das massas dos prótons e neutrons do núcleo. Isótopo átomos do mesmo elemento possuem massas atômicas diferentes que

3 ESTRUTURA ATÔMICA Conceitos fundamentais Matéria Propriedades de partículas subatômicas Partícula Símbolo Carga Massa, kg Elétron e- -1 9, Próton p +1 1, Nêutron n 0 1, *Cargas são dadas em múltiplos da carga fundamental, que no SI é 1,602x1019 C

4 ESTRUTURA ATÔMICA Conceitos fundamentais Alguns isótopos de elementos comuns Elemento N Atômico, Z N de massa, A Abundância, % H ,985 H ou D 1 2 0,015 H ou T 1 3 -* Símbolo Hidrogênio 1 Deutério 2 Trítio 3 Carbono C ,9 Carbono C ,1 Oxigênio O ,16 * Radioativo, vida curta

5 ESTRUTURA ATÔMICA Conceitos fundamentais Peso atômico média ponderada das massas atômicas dos isótopos do átomo que ocorrem naturalmente. Unidade de massa atômica 1 u.m.a. = 1/12 da massa do isótopo mais comum do carbono carbono 12 (12C) A = 12, mol 6, átomos ou moléculas 1 u.m.a. = 1 g/mol

6 ESTRUTURA ATÔMICA átomos Modelos atômicos Precursor da mecânica quântica modelo atômico de Bohr simplifcado Representação esquemática do átomo de Bohr* Callister Niels (Henrik David) Bohr

7 ESTRUTURA ATÔMICA átomos Mecânica quântica (duas primeiras décadas do século XX) considerado o modelo que melhor descreve o comportamento de partículas subatômicas Principal característica quantização dos níveis de energia que um elétron pode ter. Princípio de exclusão de Pauli no máximo dois elétrons podem ocupar o mesmo nível de energia (spins opostos). Princípio da Incerteza de Heisenberg não se pode medir com precisão ilimitada todas as quantidades que descrevem o movimento de uma partícula

8 ESTRUTURA ATÔMICA átomos Energia dos elétrons são quantizadas níveis ou estados energéticos Modelo de Bohr limitado, não explicava fenômenos envolvendo elétrons Modelo mecânico-ondulatório Elétron (caracterizado tanto como onda como partícula) Distribuição eletrônica de probabilidade ou nuvem

9 ESTRUTURA ATÔMICA átomos A teoria da Mecânica Quântica postula que o elétron não pode ser considerado como uma partícula que possui uma órbita com um raio defnido. Existe a probabilidade de que o elétron seja encontrado em algumas posições. A localização do elétron é, então, melhor descrita como uma distribuição de densidade de probabilidade, que é também chamada de nuvem eletrônica. Fig. Comparação dos modelos de átomos de (a) Bohr e (b) mecânico ondulatório em termos de distribuição eletrônica. Callister

10 TABELA PERIÓDICA TABELA PERIÓDICA

11 ESTRUTURA ATÔMICA átomos

12 ESTRUTURA ATÔMICA átomos

13 ESTRUTURA ATÔMICA átomos Elétrons Ocupam níveis de energia distintos dentro dos átomos Cada elétron possui energia específca Não mais que dois elétrons possuem a mesma energia Atkins - Think of a fly at the center of this stadium: that is the relative size of the nucleus of an atom if the atom were magnified to the size of the stadium.

14 ESTRUTURA ATÔMICA átomos Para representar a localização espacial e a energia de um elétron num átomo, são necessários 4 números quânticos. Estados de energia 4 parâmetros chamados NÚMEROS QUÂNTICOS n número quântico PRINCIPAL * l número quântico AZIMUTAL ml número quântico MAGNÉTICO ms número quântico de SPIN A quantidade de níveis de energia possíveis é determinada pelos 3 primeiros números quânticos * Apenas este número quântico também está associado ao modelo de Bohr relacionado à distância de um elétron a partir do núcleo.

15 ESTRUTURA ATÔMICA átomos Tab. Valores permitidos para os números quânticos Número quântico n Valores permitidos l 0 (s), 1 (p), 2 (d), 3 (f),...(n-1) ml -l,..., -1, 0, +1,..., +l ms -1/2 ou +1/2 1, 2, 3,...n

16 ESTRUTURA ATÔMICA átomos NÚMEROS QUÂNTICOS n principal nível distância do elétron ao núcleo n = 1,2,3,4,5,6,7 l azimutal descreve o nível de energia em cada camada quântica (forma da nuvem eletrônica) l= 0, 1,... (n-1), mas é indicado por letras para evitar confusão l = s, p, d, f * A nuvem eletrônica é esférica para elétrons s, mas possui geometrias complexas para outros níveis

17 ESTRUTURA ATÔMICA átomos NÚMEROS QUÂNTICOS ml - magnético orientação da nuvem eletrônica no espaço (número de estados energéticos para cada subcamada) -3, -2, -1, 0, +1, +2, +3 Animação 1.b-orbitais Cada combinação diferente de n, l e m corresponde a um estado quântico único chamado orbital. Os valores destes nrs quânticos especificam o tamanho, forma e orientação espacial do orbital eletrônico. s spin sentido de rotação do elétron em torno de si próprio -½,+½ usualmente utiliza-se e

18 ESTRUTURA ATÔMICA átomos NÚMEROS QUÂNTICOS Para catalogar os elementos é sufciente designar apenas os valores de n e l e o número de elétrons em cada estado l. Por exemplo: (1s)1 representa o hidrogênio (H), (1s)2 (1s)2 (2s)2 (2p)4 representa hélio (He), representa o oxigênio (O), (1s)2 (2s)2 (2p)6 (3s)2 (3p)2 representa o silício (Si).

19 ESTRUTURA ATÔMICA átomos NÚMEROS QUÂNTICOS

20 ESTRUTURA ATÔMICA átomos NÍVEIS ENERGÉTICOS Fig. Representação esquemática das energias relativas dos elétrons para as várias camadas e subcamadas

21 ESTRUTURA ATÔMICA átomos ELÉTRONS DE VALÊNCIA SÃO AQUELES QUE OCUPAM EXTERNA A CAMADA PREENCHIDA MAIS CORRESPONDE AO NÚMERO DE ELÉTRONS DE UM ÁTOMO QUE PARTICIPAM DE LIGAÇÕES OU REAÇÕES QUÍMICAS MUITAS DAS PROPRIEDADES FÍSICAS E QUÍMICAS DOS SÓLIDOS SÃO BASEADAS NESTES ELÉTRONS DE VALÊNCIA SUGESTÃO DE LITERATURA C01 elétrons e ligações

22 ELEMENTOS ELEMENTOS Elementos também são materiais Todos os materiais que utilizamos são feitos de elementos Ouro e prata jóias Alumínio latas de cerveja e refrigerante Carbono diamante e lápis Mercúrio termômetros Tungstênio flamento de lâmpadas

23 ELEMENTOS Tab. Abundância relativa dos elementos no universo (Mitchel, 2004) Elemento Tab. Abundância relativa de elementos selecionados na crosta terrestre (Mitchel, 2004) Abundância relativa (Si=1) Elem. Abundância relativa (ppm) Elem. Abundância relativa (ppm) Hidrogênio O F 300 Hélio 2800 Si Sr 300 Oxigênio 16 Al Ba 250 Nitrogênio 8 Fe Zr 220 Carbono 3 Ca Cr 200 Ferro 2.6 Na V 150 Silício 1 K Zn 132 Magnésio 0,89 Mg Ni 80 Enxofre 0,33 Ti 4400 Mo 15 Níquel 0,21 H 1400 U 4 Alumínio 0,09 P 1180 Hg 0,5 Cálcio 0,07 Mn 1000 Ag 0,1 Sódio 0,045 S 520 Pt 0,005 Cloro 0,025 C 320 Au 0,005 Cl 314 He 0,003

24 ELEMENTOS ELEMENTOS Podem ser sistematicamente arranjados em uma tabela periódica, de acordo com sua estrutura eletrônica. ELEMENTOS NA TABELA PERIÓDICA Classifcados de acordo com sua confguração eletrônica Ordem crescente de número atômico Fileiras horizontais período Coluna ou grupo estrutura semelhante de elétrons de valência, propriedades físicas e químicas semelhantes.

25 TABELA PERIÓDICA TABELA PERIÓDICA

26 TABELA PERIÓDICA Grupo 0 gases inertes camadas preenchidas, confguração eletrônica estável. Grupo VIIA defciência de um elétron Grupo VIA defciência de dois elétrons Grupo IA excesso de um elétron Grupo IIA excesso de dois elétrons IIIB e IIB - metais de transição IIIA, IVA e VA - características intermediárias entre metais e não metais Maioria dos elementos - METAIS

27 TABELA PERIÓDICA Os elementos são classifcados como metais, não-metais e metalóides. Um metal conduz eletricidade, tem brilho, é maleável e dúctil. Um não-metal não conduz eletricidade e não é maleável nem dúctil. Um metalóide tem a aparência e algumas propriedades de um metal, mas comporta-se quimicamente como um não metal.

28 TABELA PERIÓDICA Potencial de ionização é a energia requerida para remover o elétron mais fracamente ligado (geralmente o mais externo) de um átomo gasoso isolado. átomo (g) + PI ion positivo (g) + e- Afnidade eletrônica é o processo inverso do potencial de ionização. É a mudança de energia associada com um átomo gasoso isolado aceitando um elétron. átomo (g) + e- ion negativo (g)

29 TABELA PERIÓDICA Raio atômico e iônico em geral íons positivos são menores que átomos neutros e íons negativos são ainda maiores. Eletronegatividade medida independente da atração que um átomo tem por elétrons em uma ligação formada com outro átomo.

30 TABELA PERIÓDICA ELETRONEGATIVIDADE - ev Elemento eletropositivo capaz de ceder seus poucos elétrons de valência e se tornar carregado positivamente Elemento eletronegativo capazes de receber elétrons e se tornar carregado negativamente, ou compartilha elétrons

31 LIGAÇÃO ATÔMICA NOS ÁTOMOS LIGAÇÃO ATÔMICA NOS ÁTOMOS Forças e energia de ligação Propriedades físicas forças interatômicas que unem os átomos, prendendo-os. Ex.: 2 átomos isolados Grandes distâncias interações desprezíveis Aproximação forças mútuas Atrativas (FA) Repulsivas (FR) Depende do tipo de ligação Dependem da distância f(d) Interações entre nuvens eletrônicas

32 LIGAÇÃO ATÔMICA NOS ÁTOMOS Forças e energia de ligação F L = F A + FR ro distância de equilíbrio Para muitos átomos ro = 0,3 nm Dependência das forças atrativas, repulsivas e líquida sobre a separação interatômica para dois átomos isolados. Callister.

33 LIGAÇÃO ATÔMICA NOS ÁTOMOS Forças e energia de ligação energia potencial (mesma análise) Eo energia de ligação E = EA + ER Energia necessária para separar os dois átomos Dependência das energias atrativas, repulsivas e potencial líquida sobre a separação interatômica para dois átomos isolados. Callister.

34 LIGAÇÃO ATÔMICA NOS ÁTOMOS Forças e energia de ligação materiais sólidos Eo associado a cada átomo Dependem do material e tipo de ligação Magnitude da energia de ligação Forma da curva de energia em função da separação interatômica Propriedades dependem de curva Eo e da forma da Alta Eo - material sólido Baixo Eo - material gasoso Eo intermediários - líquidos Rigidez mecânica (módulo de elasticidade) depende da forma da curva

35 LIGAÇÃO ATÔMICA NOS ÁTOMOS Forças e energia de ligação materiais sólidos Rigidez mecânica (módulo depende da forma da curva de elasticidade)

36 LIGAÇÃO ATÔMICA NOS ÁTOMOS Tipos e características das ligações Ligações primárias ligações fortes, são criadas quando há interação direta entre dois ou mais átomos. Quanto maior o número de elétrons por átomos que participam do processo, mais forte a conexão entre os átomos. Ligações secundárias ligações fracas, ocorrem devido a interação indireta de elétrons em átomos adjacentes ou moléculas.

37 LIGAÇÃO ATÔMICA NOS ÁTOMOS Tipos de ligações primárias materiais sólidos Iônica Covalente Metálica Envolvem os elétrons de valência Dependem da estrutura eletrônica dos átomos constituintes Tendência dos átomos atingirem estruturas eletrônicas estáveis, como dos gases inertes Forças secundárias mais fracas

38 LIGAÇÃO ATÔMICA NOS ÁTOMOS Tab. Exemplos de substâncias com diferentes tipos de ligações interatômicas

39 LIGAÇÃO ATÔMICA NOS ÁTOMOS Forças e ligações secundárias mais fracas Também físicas infuenciam propriedades

40 LIGAÇÃO IÔNICA LIGAÇÃO IÔNICA Ocorre em elementos metálicos metálicos e não Elementos situados nas extremidades horizontais da tabela periódica. Elemento mmetálico doa elétrons para não metálico NaCl

41 LIGAÇÃO IÔNICA NaCl Na Ne 2 8 cede um elétron estrutura do Ne carga positiva Cl Ar Cl recebe um elétron estrutura do Ar

42 LIGAÇÃO IÔNICA Forças de ligação atrativa Coulomb

43 LIGAÇÃO IÔNICA Forças de ligação atrativa Coulomb Representação esquemática de uma ligação iônica no cloreto de sódio (NaCl). Callister.

44 LIGAÇÃO IÔNICA Denominada NÃO DIRECIONAL a magnitude da ligação é igual em todas as direções ao redor do íon. Para que seja estável todo íon positivo deve possuir como vizinhos mais próximos íons carregados negativamente e vice versa. Energia de ligação varia entre 600 e 1500 KJ/mol. Materias iônicos: Duros e frágeis e também isolantes elétricos e térmicos consequência direta das confgurações eletrônicas e/ou natureza da ligação iônica

45 LIGAÇÃO IÔNICA Materiais cerâmicos ligação predominante Tab. - Energia de ligação e ponto de fusão para várias substâncias Callister

46 LIGAÇÃO COVALENTE LIGAÇÃO COVALENTE Compartilhamento de elétrons por átomos adjacentes Cada átomo compartilha 1 ou mais elétrons

47 LIGAÇÃO COVALENTE Metano CH4 Representação esquemática de uma ligação covalente numa molécula de metâno (CH4). Callister.

48 LIGAÇÃO COVALENTE CH4 C 2 4 Ne 2 8 C compartilha quatro elétrons estrutura do Ne H 1 He 2 H compartilha um elétron estrutura do He

49 LIGAÇÃO COVALENTE Exemplos: H2, Cl2, F2 CH4, H2O, HNO3, HF Diamante, Silício, Germânio GaAs, InSb, SiC

50 LIGAÇÃO COVALENTE Número de ligações covalentes: 8-N N número de elétrons de valência Ex.: Cloro (Cl) N =7 8 7= Carbono (C) N =4 8 4=4 2 4

51 LIGAÇÃO COVALENTE Denominada DIRECIONAL ocorre entre átomos específcos e pode existir apenas na direção entre um átomo e o outro que participa do compartilhamento de elétrons. Energia de ligação podem ser muito fortes (diamante) ou muito fraca (bismuto). Materiais poliméricos longa cadeia de átomos de C ligados entre si de maneira covalente.

52 LIGAÇÃO COVALENTE Podem ser muito forte: Diamante Tf = 3550 C Muito fraca: Bismuto Tf = 270 C Tab. - Energia de ligação e ponto de fusão para várias substâncias

53 LIGAÇÃO COVALENTE É possível a existência de ligações interatômicas que são parcialmente iônicas e parcialmente covalentes. Muito poucos compostos exibem ligações puramente iônica ou covalentes.

54 LIGAÇÃO COVALENTE O grau de cada tipo de ligação depende: Posições relativas dos átomos na tabela periódica (eletronegatividade); Quanto maior for a separação, mais iônica será a ligação; Quanto mais próximo estiverem os átomos, maior será o grau de covalência. % caráter iônico = 1-exp[-(0,25)(XA XB)2 ] x 100

55 LIGAÇÃO COVALENTE % caráter iônico = 1-exp[-(0,25)(XA XB)2 ] x 100 XA e X B elementos - eletronegatividades dos respectivos

56 LIGAÇÃO METÁLICA LIGAÇÃO METÁLICA Metais e suas ligas Modelo simples Materiais metálicos possuem um, dois ou três elétrons de valência. Estes elétrons: Não estão ligados a nenhum átomo em particular; Estão livres para se movimentar ao longo do metal; Nuvens de elétrons.

57 LIGAÇÃO METÁLICA Metais e suas ligas Representação esquemática de uma ligação metálica Callister.

58 LIGAÇÃO METÁLICA Energia de ligação podem ser fraca ou forte: Tungstênio Tf = 3410 ºC Mercúrio Tf = -39 ºC Tab. - Energia de ligação e ponto de fusão para várias substâncias

59 LIGAÇÕES SECUNDÁRIAS (Van Der Waals) Ligações fracas: Energia de ligação da ordem de 10 KJ/mol Forças surgem de dipolos atômicos ou moleculares Ilustração esquemática de uma ligação de van der Waals entre dois dipolos Callister.

60 LIGAÇÕES SECUNDÁRIAS (Van Der Waals) Dipolo existe quando há uma separação das porções negativas e positivas de um átomo ou molécula Ligação ocorre pela atração coulombiana Interações de dipolos ocorrem em: Dipolos induzidos Dipolos induzidos e moléculas polares Moléculas polares Ligação de hidrogênio ligação secundária, encontrada em moléculas que possuem o H como um de seus constituintes

61 LIGAÇÕES SECUNDÁRIAS (Van Der Waals) Dipolo induzido futuante: Distribuição espacial dos elétrons simétrica em relação ao núcleo

62 LIGAÇÕES SECUNDÁRIAS (Van Der Waals) Dipolo induzido futuante: Movimentos vibracionais distorções instantâneas formação de dipolos Induz átomos ou moléculas adjacentes a se tornarem dipolos atraídas pelo primeiro

63 LIGAÇÕES SECUNDÁRIAS (Van Der Waals) Dipolo induzido futuante: Pode existir num grande número de átomos ou moléculas Temperatura de fusão e ebulição extremamente baixos Dos tipos de ligações intermoleculares, esta é a mais fraca. Ex.: Liquefação de gases inertes e moléculas eletricamente neutras e simétricas (H2, Cl2)

64 LIGAÇÕES SECUNDÁRIAS (Van Der Waals) Dipolo induzido futuante: Ligação de van der waals e o dipolo fraco

65 LIGAÇÕES SECUNDÁRIAS (Van Der Waals) Ligações entre moléculas polares e dipolos induzidos: Moléculas polares dipolos permanentes (HCl)

66 LIGAÇÕES SECUNDÁRIAS (Van Der Waals) Ligações entre moléculas polares e dipolos induzidos: Podem induzir dipolos em moléculas apolares adjacentes Energia de ligação > dipolos induzido flutuante

67 LIGAÇÕES SECUNDÁRIAS (Van Der Waals) Ligações dipolos permanentes: Moléculas polares adjacentes Energia de ligação signifcativamente maiores que dipolos induzido flutuante Ligação de H (HF, H2O, HN3) Tipo mais forte de ligação secundária Ilustração esquemática de uma ligação de hidrogênio Callister.

68 LIGAÇÕES SECUNDÁRIAS (Van Der Waals) Ligações dipolos permanentes: A molécula da água, os dipolos e a direção da atração entre as moléculas

69 LIGAÇÕES SECUNDÁRIAS (Van Der Waals) Tab. - Energia de ligação e ponto de fusão para várias substâncias Callister

70 BIBLIOGRAFIA UTILIZADA CALLISTER, W.D. Jr., Ciência e Engenharia de Materiais: Uma Introdução. 8ª ed., LTC, 2012, Rio de Janeiro. ATKINS, P., JONES, L., Chemical Principles The Quest For Insight, 5th ed., W. H. Freeman and Company, New York pt.khanacademy.org/science/chemistry/atomic-str ucture-and-properties