Faculdade de Tecnologia e Ciências FTC Colegiado de Engenharia Civil Química Geral Ligações Químicas e Materiais. Aycvacv Cacbdahc PROFESSORA: Shaiala Aquino
São forças que unem átomos formandos moléculas, agrupamentos de átomos ou sólidos iônicos. Os elétrons mais externos do átomo são os responsáveis pela ocorrência da ligação química.
Quebram-se facilmente vidro Conduzem corrente elétrica Difícil de quebrar As ligações químicas tem forte influência sobre diversas propriedades dos materiais. aço metais Isolantes
Energia Por que os átomos se ligam? Átomos isolados Menos estáveis Para ficar estáveis! Átomos ligados Mais estáveis
Dependendo da energia envolvida na ligação elas podem ser divididas em: Fortes (Iônicas; Covalentes e Metálicas). Fracas (Van Der Waals, Dipolo-Dipolo e Ponte de Hidrogênio).
Atração PERDE eletrostática 1 ELÉTRON entre íons de cargas opostas. Na Na + + Cl Cl CLORETO DE SÓDIO Formam-se quando um elemento com baixa energia de ionização cede um elétron a um elemento com elevada afinidade eletrônica.
E Q Na r Q Cl
A estabilidade de um composto iônico depende da interação de todos os íons. Energia de rede: é a energia necessária para dissociar completamente um mol de composto iônico sólido nos seus íons no estado gasoso. NaCl(s) Na + (g) + Cl - (g) H = +787 kj/mol Esta energia não pode ser medida diretamente, mas pode ser obtida a partir de um ciclo de Born-Haber, que mostra todos os passos que contribuem para a energia total da reação de formação do composto iônico.
Etapa Processo H, Kj/mol A Na (s) Na (g) +108 (energia absorvida) B 1/2Cl 2(g) Cl (g) +121 (energia absorvida) C Na (g) Na+ (g) + e - +495 (energia absorvida) D e - + Cl (g) Cl - (g) -348 (energia liberada) E Na + (g) + Cl - (g) NaCl (s) -787 (energia liberada) Total Na (s) + 1/2Cl 2(g) NaCl (s) - 411 (energia líquida liberada)
Na(g) Na + (g) + e - 495.8 kj/mol Cl(g) + e - -348.6 kj/mol Cl - (g) 1/2 Cl 2 (g) Cl(g) 122 kj/mol Na + (g) + Cl - (g) H =? NaCl(s) Na(s) Na(g) 107.3 kj/mol Na(s) + 1/2 Cl 2 (g) NaCl(s) H total = -411 kj/mol H 1 + H 2 + H 3 + H 4 + H 5 = H total H 5 = -787 kj/mol H rede = + 787 kj/mol
A ligação covalente ocorre quando os dois átomos têm a mesma PERDE tendência 1 ELÉTRON de ganhar e perder elétrons.compartilhamento de elétrons. O comprimento e força da ligação química resultam do equilíbrio devido à repulsão entre cargas iguais e atração entre cargas opostas. +
Define-se comprimento da ligação como sendo a distância entre os núcleos de dois átomos ligados numa molécula.
Quando cada um dos átomos ligantes contribui com um elétron para a formação do par. N (Z = 7) 1s 2 2s 2 2p 3 N N FÓRMULA ELETRÔNICA N N FÓRMULA ESTRUTURAL PLANA N 2 FÓRMULA EMPÍRICA
Compostos covalentes: geralmente gases, líquidos ou sólidos de baixo ponto de fusão Compostos iônicos: sólidos de ponto de fusão elevado. Propriedade NaCl CCl 4 Aspecto sólido branco líquido incolor T fusão / C 801-23 T ebulição / C 1413 76.5 solubilidade em H 2 O elevada bastante baixa Condutividade elétrica sólido mau mau fundido bom mau
Ozônio, O 3 Ambos os comprimentos são iguais: 1.278 A Ressonância: uma única estrutura de Lewis falha em descrever de forma precisa a estrutura eletrônica real A molécula do ozônio é um híbrido de ressonância das duas estruturas. Ordem de cada ligação: 1,5
É a medida da capacidade de um átomo atrair para si os pares de elétrons compartilhados numa ligação. Cresce
Teoria do elétron livre de Drude e Lorentz. Os metais possuem uma baixa eletronegatividade, os mesmos perdem seus elétrons muito facilmente. Esses elétrons livres formam uma nuvem eletrônica que mantém os íons metálicos sempre unidos formando a chamada ligação metálica.
Alta condutividade elétrica e térmica. Permitem grande deformação plástica pois as ligações são móveis ou seja não são rígidas como as iônicas e as covalentes. Possuem o brilho metálico, como os elétrons são muito móveis trocam de nível energético com facilidade emitindo fótons. Aço - Fe e C. Aço inoxidável - Fe, C, Cr e Ni. Amálgama dental - Hg, Ag e Sn Bronze Cu e Sn Latão Cu e Zn
Liga é a mistura, de aspecto metálico e homogêneo, de um ou mais metais entre si ou com outros elementos. Deve ter composição cristalina e comportamento com metal. Geralmente as ligas tem propriedades mecânicas e tecnológicas melhores que as dos metais puros.
Aparência sólidos a temperaturas ordinárias porosidade não aparente brilho característico, que pode ser aumentado por polimento ou tratamento químico. Densidade varia bastante de uma liga para outra. Geralmente vai de 2,56 a 11,45 sendo que a platina atinge 21,30. Dilatação e Condutividade Térmica A título de comparação, apresentamos os coeficientes de dilatação seguintes: concreto: 0,01 mm/m/ºc vidro: 0,08 mm/m/ºc metais: 0,10 a 0,03 mm/m/ºc
A liga mais utilizada na construção civil é o aço, pelo seu largo uso como armação nos concretos. Alumínio, consagra-se definitivamente em segundo lugar entre os metais mais utilizados. Quanto mais puro o alumínio, maior a resistência à corrosão e menor a resistência mecânica. A liga com 3% de cobre, 1% de manganês e 0,5% de magnésio, gera o duralumínio, material que substitui o aço em muitas situações.
São Divididas em Dois Grupos: Ligas Ferrosas O Fe é o elemento principal. Ligas Não Ferrosas Não tem como base o Fe. Características das Ligas Ferrosas: Aços: Ligas de Fe ao C. Aços comuns ao C Concentrações residuais de impurezas além de C e Mn.
Aço Doce: < 0,20 % de C; Características: São maleáveis e dúcteis. Microestrutura: Ferrita e Perlita; Usados para fazer cabos, pregos e correntes. Aços médio: 0,20% < C < 0,60%; Características: São mais duros que o aço doce. Usados para fazer vigas e trilhos de trens, engrenagens e componentes estruturais de alta resistência. Aços com alto teor de C: 0,6% < C < 1,5 %; Características: Mais duros e resistentes; Resistente ao desgaste e abrasão; Usados na fabricação de ferramentas.
O Vanádio e o Cromo podem ser adicionados para conceder força e aumentar a resistência à fadiga e à corrosão. Exemplo: Um trilho de trem de aço usado na Suécia em linhas suportando carregamentos pesados de minério contém 0,7 % de C, 1% de Cr e 0,1 % de V. Uma das mais importantes ligas de Ferro é o aço inoxidável, que contém aproximadamente 0,4 % de C, 18 % de Cr e 1 % de Ni.
Quanto maior a energia envolvida na ligação química há uma tendência de: Maior ser o ponto de fusão do composto; Maior a resistência mecânica; Maior a dureza; Maior o módulo de elasticidade; Maior a estabilidade química; Menor a dilatação térmica.
Combinações de metais com elementos não metálicos, os cerâmicos são muito duros, porém frágeis. Os principais tipos são os óxidos, nitretos e carbetos, e pertencem a este grupo os argilo-minerais, cimento e vidros. Podem apresentar ligações covalentes, ligações iônicas ou alguma combinação das duas. Geralmente são isolantes de calor e eletricidade; Estáveis à altas temperaturas, resistentes a corrosão e desgaste, não se deformam com facilidade e são menos densas que os metais usados para aplicações de altas temperaturas. Com relação às propriedades mecânicas as cerâmicas são duras e quebradiças;
Os cerâmicos são constituídos de metais (alguns apenas) e a maioria de nãometais.
Forma-se com átomos de diferentes eletronegatividades (um alta e outro baixa); Os elétrons de valência são transferidos entre átomos produzindo íons; A ligação iônica não é direcional, a atração é mútua; A ligação é forte, por isso o PF dos materiais com esse tipo de ligação é geralmente alto. Como consequência da ligação ser predominantemente iônica a estrutura cristalina das cerâmicas são compostas por íons carregados eletricamente (CÁTIONS E ÂNIONS)
Material Percentual de Caráter Iônico CaF 2 89 MgO 73 NaCl 67 Al 2 O 3 63 SiO 2 51 SiN 4 30 ZnS 18 SiC 12
A extrema fragilidade e dureza dos cerâmicos vem da natureza das suas ligações atômicas iônicas ou covalentes. As estruturas cristalinas, quando presentes,são extremamente complexas Exemplo: O óxido de Silício (SiO 2 ) pode ter três formas cristalinas distintas: quartzo, cristobalite e tridimite 30
Densidade: 2-3 g/cm 3; Embora os materiais cerâmicos sejam em geral isolantes de calor e eletricidade, há uma classe de materiais cerâmicos que são supercondutores; A dilatação térmica é baixa comparada com metais e polímeros.
CRISTALINOS Incluem os cerâmicos à base de Silicatos, Óxidos, Carbonetos e Nitretos AMORFOS (VIDROS) Em geral com a mesma composição dos cristalinos, diferindo no processamento VIDRO-CERÂMICOS Formados inicialmente como amorfos e tratados termicamente Os cerâmicos avançados são baseados em óxidos, carbonetos e nitretos com elevados graus de pureza O Silício e o Oxigênio formam cerca de 75% da crosta terrestre, sendo materiais de ocorrência comum na natureza e de baixo custo!
CERÂMICOS CRISTALINOS DE SILICATOS Composição (% em peso) SiO 2 Al 2 O 3 K 2 O MgO CaO Outro s Sílica refractária 96 4 Tijolo refractário 50-70 45-25 5 Mulita refractária 28 72 ---- Porcelana eléctrica 61 32 6 1 Porcelana steatite 64 5 30 1 Cimento Portland 25 9 64 2 Os cerâmicos cristalinos à base de Silicatos não são usados como materiais estruturais (não são considerados cerâmicos avançados)