A Estrutura dos Materiais. Conceitos Gerais

Transcrição

1 A Estrutura dos Materiais Conceitos Gerais

2 CAPA BIOMIMETISMO O material Fita adesiva para procedimentos cirúrgicos - Aderência mesmo em ambientes úmidos - Biodegradável - Não dissolve - Não dissolve durante o tratamento

3 CAPA- Biomimetismo

4 Elementos químicos como materiais Ouro e prata uso em joalheria Alumínio embalagem para bebidas Cobre eletricidade Carbono diamante e grafite...

5 Elementos químicos no mundo A lista dá uma indicação do risco relativo para o fornecimento dos elementos químicos ou grupos de elementos que precisamos para manter nossa economia e nosso estilo de vida. A posição de cada elemento na lista é determinada por fatores que podem impactar sua oferta, incluindo a abundância de cada elemento na crosta terrestre, a localização da produção e das reservas atuais, e a estabilidade política desses locais.

6 Elementos químicos no mundo Os dados destacam a importância da China na mineração mundial, sobretudo nesta área dos chamados minerais tecnológicos. O Brasil está presente entre os elementos com sinal vermelho, graças ao nióbio o país fornece quase a totalidade do nióbio do mundo, um elemento importante na indústria do aço, eletrônica, supercondutores e até dos experimentos com a fusão nuclear. A lista é encabeçada por minerais como as terras raras, grupo da platina, o nióbio e o tungstênio. Segundo os organizadores da lista, não há nenhum risco de esgotamento das reservas de nenhum dos minerais listados, sendo que os maiores riscos ao fornecimento são fatores de risco humanos geopolítica e nacionalismo e acidentes.

7 História

8 História

9 O ÁTOMO

10 Estrutura O atômica átomo Elétron núcleo Núcleo = Prótons + Nêutrons Elétron 9,11x10-31 Kg -1,60 x10-19 C Proton 1,67x10-27 Kg +1,60x10-19 C Neutron 1,67x10-27 Kg ISOTOPOS O elemento químico Número de protons Número atômico (Z) Massa atômica (A) Massa de protons + Massa de neutrons Unidade de massa atômica (uma) uma/átomos = g/mol 1/12 da massa atômica do isótopo mais comum do carbono

11 Modelo atômico Não queremos discutir os modelos atômicos Conceito Quântico Energia ev Energia J

12 Conceitos gerais de química Tabela periódica estrutura eletrônica dos átomos Temperatura de fusão Energia de ionização EI Afinidade eletrônica AE Raio atômico e Raio Iônico Eletronegatividade Ligações químicas

13 Tabela Periódica Da Criação do universo???? Existem 92elementos químicos estáveis O mais simples é o hidrogênio e o mais complexo o urânio

14 Tabela Periódica Surge a ideia de classificar os elementos por suas semelhanças químicas Primeiros dados século XVIII Lavoisier Dimitry Ivanovitch Mendeleiev Tabela de periodicidades Tabela com espaços vazios

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17 Tabela Periodica e temperatura de fusão Para a temperatura de fusão não existe uma tendência de comportamento

18 Tabela Periódica e temperatura de fusão

19 Energia de ionização Energia necessária para remover o elétron mais distante do núcleo de um átomo isolado, no estado gasoso. atm g + EI íon positivo + e Calcular EI modelo de bohre equação de schrudinger. Z= carga do núcleo e n= número quântico principal EI= 13,6z2 n 2

20 Afinidade eletrônica Variação da energia (ev) associada ao processo de um átomo isolado no estado gasoso absorver um elétron. atm g + e íon negativo Pode assumir valores positivos ou negativos. Positivos quando libera energia para formação do íon e negativo se absorve energia para a formação do íon

21 Raio atômico e Raio iônico Ions positivos tem raio iônico menor que o raio atômico Ions negativos tem raio iônico maior que o raio atômico

22 Eletronegatividade Mede a tendência de interação entre átomos. χ = IE + EA 2 χ = 0,31(n+1±c) r + 0,5

23 Números Quânticos Número quântico principal (n) numero inteiro a partir da unidade, ou K,L,M,N Número quântico (L) nível da subcamada s, p, d, f Número quântico (m l ) numero de estado energético de cada subcamada - v Momento de spin (m) - +1/2-1/2 Número quântico principal Designação Subcamadas Número de estados Número de elétrons Por subcamada Por camada Estado Fundamental Princípio de exclusão de Pauli

24 Elétron de valência Elemento Número Atômico Configuração Eletrônica

25 Numero atômico Elétrons em seus niveis de energia Simbolo Nome Massa atômica média

26 Período Não apresentam propriedades similares O primeiro elemento da linha é reativo O ultimo elemento da linha é inerge Grupo ou Família Propriedades Similares Mesmo número de elétrons de valência

27 Os Metais na Tabela Periódica

28 As Cerâmicas na Tabela Periódica

29 Os Polimeros na Tabela Periódica

30 Os Semicondutores na Tabela Periódica Quando combinados entre si (coluna III-V e II-VI) os metais (quadrados claros) assumem propriedades semicondutoras.

31 Ligações primarias Iônica elétrons transferidos do átomo mais eletropositivo para o átomo mais eletronegativo. Associado a diferença de eletronegatividade maior que 2,0 Exemplo NaCl, CaF 2, MgO Covalente elétrons compartilhados entre dois átomos. Associado a diferença de eletronegatividade menor do que 0,4 Exemplo H 2, N 2, O 2 O que acontece se a diferença de eletronegatividade está entre 0,4 e 2,0? Ligações metálicas

32 Iônica covalente = fração covalente

33 Ligações químicas

34 Ligações químicas Espaçamento Interatômico Força de atração possui origem eletrostática, interação Coulombiana, interações dipolares, interações entre elétrons na última camada. r Força de repulsão possui origem quântica. Princípio de Exclusão de Pauli: duas partículas não podem ocupar o mesmo estado quântico. r Na distância de equilíbrio, a força de atração entre os íons é compensada pela força de repulsão entre as nuvens eletrônicas

35 Força 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 Energia de ligação é a energia associada com a formação da ligação partindo da condição inicial que os átomos (íons) estão inicialmente separados de uma distância infinita. Sempre que uma ligação é formada, o sistema apresenta uma redução de energia. A energia é mínima na condição interatômica de equilíbrio (poço de potencial). Quanto mais fundo o poço, mais estável é a ligação, maior é o ponto de fusão/ebulição

36 Ligações químicas Propriedades Valores típicos para a 0 são da ordem de 0.3nm (0.3x10-9m) Modulo de elasticidade Valores típicos para a energia de ligação são entre 600 e 1500 kj/mol A energia de ligação está diretamente relacionada com o ponto de fusão do material Tipo de Ligação Iônico Covalente Metálica Van der Waals Energia de Ligação Kcal/mol < 10

37 Ligações químicas Propriedades Coeficiente de expansão térmica Os átomos estão constantemente vibrando ao redor da posição de equilíbrio. A distância interatômica de equilíbrio, a o, só é bem definida quando a temperatura é 0 K. Normalmente o poço de potencial não é simétrico e a distância interatômica média aumenta gerando a EXPANSÃO TÉRMICA. curva encontra-se na forma de um poço de energia potencial, e o espaçamento interatômico em condições de equilíbrio a uma temperatura de 0 K, ro, corresponde ao ponto mínimo no poço de energia potencial. um incremento na temperatura, aumenta a energia vibracional fazendo com que a distância interatômica média aumente.

38 Ligações químicas Propriedades Coeficiente de expansão térmica Curva Assimétrica A expansão térmica se deve à curva do poço de energia potencial ser assimétrica, e não às maiores amplitudes vibracionais dos átomos em função da elevação da temperatura. Curva Simétrica Se a curva da energia potencial fosse simétrica não existiria qualquer variação liquida ou global na separação interatômica e, consequentemente, não existiria qualquer expansão térmica.

39 Ligações

40 As propriedades macroscópicas dos materiais dependem essencialmente do tipo de ligação entre os átomos. Covalente Semicondutores Polimeros Metálica Secundária Metais Iônica Cerâmicas e vidros

41 Transição contínua entre forças de ligação Polímeros Vidros Iônicos Sais Cerâmicas Iônicas Iônico Polimeros Diamante Grafita Covalente Cristal líquido Semicondutores dopados Metálico Metais de transição Ligas Metais alcalinos

42 Resumo Ligações químicas

43 Para Estudar 1 Cite sucintamente as principais diferenças entre as ligações iônicas, covalentes e metálicas 2 Calcule os percentuais de caráter iônico para as ligações interatômicas para os compostos TiO 2, ZnTe, CsCl, InSb e MgCl 2 3 Faça um gráfico da energia de ligação em função da temperatura de fusão para os metais listados na tabela 2.3. usando esse gráfico faça uma estimativa para a energia de ligação do cobre, que possui uma temperatura de fusão de 1084 C 4 Qual(is) o(s) tipo(s) de ligação (ões) seria(m) esperado(s) para cada um dos seguintes materiais. Latão,borracha, sulfeto de bário, xenônio sólido, bronze, náilon e fosfeto de alumínio.