Arquivo sobre aulas de introdução a ciência dos materiais

1. Profª. Fabiana Fim
fabifim@gmail.com
fabianafim@ct.ufpb.br
Sala: CTJ 206
Universidade Federal da Paraíba
Centro de Tecnologia
Departamento de Engenharia de Materiais
Aula 2: Estrutura Atômica e Ligação
Interatômica

2. Estrutura Atômica e Ligação Interatômica
• O tipo de ligação nos permite explicar as propriedades dos materiais.
Ex: Grafite e diamante (carbono)
Grande disparidade de propriedades
Estrutura
atômica
Ligação
Química Propriedades
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2

3. A evolução da teoria atômica
John
Dalton
Faraday/
Crookes
Gregos
(Demócrito/Leucipo)
Thomson
Teoria Quântica
atual
450 a.C
O elétron é descoberto!
Rutherford
Niels Bohr
Max Planck
Einstein
Louis de Broglie
Schrödinger Atualidade
Sec. XIX Por que tantas teorias?
Átomo = não divisível
2000 anos
Modelo planetário
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3

4. Resumo – Modelos Atômicos
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4

5. Átomo de Bohr
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Núcleo: Z = número de prótons
orbital electrons:
n = principal
quantum number
n=3 2 1
= 1 (hidrogênio) a 94 (plutônio)
N = número de Nêutrons
Massa Atômica (A) ≈ Z + N 5

6. :
=3 2 1
Átomo de Bohr
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• Energia dos elétrons quantizada.
E = h ;  = c/
h = constante de Plank
 = frequência do fóton
c = velocidade do fóton no vácuo
 = comprimento de onda do fóton
• A mudança de energia de um elétron está
associada a um salto quântico. Com
absorção ou emissão de energia.
E = Ef – Ei = h 6

7. Modelo Mecânico-Ondulatório
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7
• Os elétrons têm propriedades ondulatórias e particuladas.
• Duas das características ondulatórias são:
- os elétrons estão em orbitais definidos por uma probabilidade.
- cada orbital no nível de energia discreto é determinado por
números quânticos.
“a todo elétron em movimento está
associada uma onda característica”

8. Modelo Mecânico-Ondulatório
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8

9. Modelo Mecânico-Ondulatório
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9
Princípio da incerteza, por Werner Heisenberg, que afirmava
“não ser possível determinar, simultaneamente, a posição e a
velocidade de uma partícula em um mesmo instante”.
Não é possível determinar a posição e
velocidades exatas de um elétron!

10. Modelo Mecânico-Ondulatório
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10
Schrödinger determinou, através de uma infinidade de
operações matemáticas (cálculos e equações do movimento
de ondas), as regiões no espaço que apresentariam máxima
probabilidade de se encontrar um elétron.

11. Modelo Mecânico-Ondulatório
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11
O modelo atômico de Schrödinger apresentou um
modelo de orbital tridimensional para cada um
dos subníveis de energia e possibilitou a compreensão
do fenômeno da hibridação em átomos de carbono,
permitindo a determinação da geometria molecular de
diversas substâncias químicas.

12. Comparação entre modelo de Bohr e
Mecânico-Ondulatório
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(a) Os três primeiros estados de
energia eletrônicos para o
átomo de hidrogênio de
Bohr.
(b) Estados de energia
eletrônicos para as três
primeiras camadas do
átomo de hidrogênio
segundo o modelo
mecânico-ondulatório.

13. Números Quânticos
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4 números quânticos representam a localização espacial e a energia de um elétron
13

14. Números Quânticos
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14

15. Profª. Fabiana Fim
Como distribuir os elétrons nos orbitais?
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16. Configuração Eletrônica
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Princípio de exclusão de Pauli
Num orbital existem no máximo 2 elétrons com spins
opostos.
Regra de Hund
Os orbitais de um mesmo subnível são preenchidos de
modo que se obtenha o maior número possível de elétrons
isolados (desemparelhados).

17. Configurações Eletrônicas Estáveis
• Subníveis s e p completos
• São não reativos.
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18. Configurações Eletrônicas Não-Estáveis
Camada de Valência geralmente não preenchida.
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19. A Tabela Periódica
• Colunas: Estrutura de Valência similar
Eletropositivos: perdem elétrons,
tornando-se cátions
Eletronegativos: ganham elétrons,
tornando-se ânions.
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20. Eletronegatividade
• Varia de 0.7 a 4.0,
Menor eletronegatividade Maior eletronegatividade
• Maiores valores: tendência a atrair elétrons.
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21. Exercícios
(1) Fazer a distribuição eletrônica:
a) Carbono - 6C
b) Potássio - 19K
c) Cobre - 29Cu
a) 1s2 2s2 2p2
b) 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s1
c) 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 3d10 4s1
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22. Exercícios
(2) Determine os números quânticos dos elétrons do átomo de lítio (3Li) em
seu estado fundamental.
Dica: fazer a distribuição eletrônica!
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1s2 2s1
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23. Forças e Energia de Ligação
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r0
• O núcleo positivo de um íon atrai a nuvem eletrônica negativa do outro íon e vice-
versa.
• Como resultado, a distância interiônica diminui e eles ficam mais próximos.
• A medida que os íons se aproximam, as nuvens eletrônicas, carregadas
negativamente, irão gerar uma força de repulsão.

24. Forças e Energia de Ligação
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➢ Quando a soma das forças
atrativas e repulsivas é zero,
os átomos estão na chamada
distância de equilíbrio.
r0
➢ Energia no ponto de
mínimo ela representa a
energia que seria
necessária para separar
esses dois átomos até uma
distância de separação
infinita.

25. Forças e Energia de Ligação
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➢ Algumas vezes é mais conveniente trabalhar com energia
(potencial) do que forças de ligações.
➢ Matematicamente, energia (E) e força de ligações (F) estão
relacionadas por : E= F.dr
Quanto mais profundo o poço de
potencial maior a temperatura de
fusão do material

26. Profª. Fabiana Fim
LIGAÇÕES ATÔMICAS
• A força motriz da formação de ligações entre átomos é que
qualquer um deles procura se fixar em seu estado mais estável.
• Por meio das ligações com outros átomos, a energia potencial
de cada átomo participante da ligação é diminuída, resultando
em um estado mais estável.
Ligações
Primárias
Secundárias
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27. Profª. Fabiana Fim
LIGAÇÕES PRIMÁRIAS
• Existem três combinações de ligações primárias: metal-não
metal; não metal-não metal; metal-metal.
Primárias
Iônicas
Metálicas
Covalentes
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28. • Ocorre entre íons (cátions e ânions)
• Envolve transferência de elétrons
Ligação Iônica
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• Ex: NaCl
Não
estável
Estável
Cl (não
metal)
Não estável
Cl (não metal)
Estável
• Ocorre entre átomos com grande diferença de eletronegatividade
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29. Ligação Iônica
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• Ex: NaCl
Átomo de
sódio
Na
Íon de
sódio
Na+
Átomo de
cloro
Cl
Íon
cloreto
Cl-
29

30. Ligação Iônica
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30
• A ligação iônica é não direcional
✓A força de ligação é igual em todas as direções
✓Para formar um material 3D é necessário que cada íon de
um tipo esteja cercado de íons do outro tipo

31. • Ligação predominante em Cerâmicas
Eletropositivos Eletronegativos
He
-
Ne
-
Ar
-
Kr
-
Xe
-
Rn
-
F
4.0
Cl
3.0
Br
2.8
I
2.5
At
2.2
Li
1.0
Na
0.9
K
0.8
Rb
0.8
Cs
0.7
Fr
0.7
H
2.1
Be
1.5
Mg
1.2
Ca
1.0
Sr
1.0
Ba
0.9
Ra
0.9
Ti
1.5
Cr
1.6
Fe
1.8
Ni
1.8
Zn
1.8
As
2.0
CsCl
MgO
CaF2
NaCl
O
3.5
Ligação Iônica
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31

32. Outras características: maus condutores de eletricidade no estado sólido
(têm apreciável condutividade iônica a altas temperaturas), elevadas energias
de ligação e elevados pontos de fusão.
Por que os sólidos iônicos são quebradiços?
Profª. Fabiana Fim
Interação entre íons
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33. Ligação Covalente
• Compartilhamento de elétrons
• Ex: CH4
C: 4 e- valência,
H: 1 e- valência
As eletronegatividades são
similiares.
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33
Compartilhou elétron 1s do
átomo de carbono
compartilhou elétron 1s
do segundo átomo de
hidrogênio

34. Ligação Covalente
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34
❖ A ligação covalente é direcional e forma ângulos bem definidos: ocorre entre
átomos específicos e pode existir somente na direção entre um átomo e o outro
que participa do compartilhamento.
Tem uma grande faixa de energias de ligação pontos de fusão
• Energias da ordem de centenas de kJ/mol
• Ex: Carbono na estrutura do diamante PF= 3550°C
• Ex: Bismuto PF = 270°C

35. Ligação Covalente
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35
Ligação forte
Ligação fraca entre planos
Os átomos de carbono na grafite também são unidos fortemente através
de ligações covalentes, mas só dentro de um plano, diferentemente da
rede 3D das ligações do diamante. Estes planos de átomos de carbono
simplesmente empilham-se uns sobre os outros, sendo as forças de
união entre os planos, muito fracas. Os planos de átomos de carbono
podem então deslizar facilmente uns sobre os outros, e por isto, a grafite
é um importante lubrificante!

36. He
-
Ne
-
Ar
-
Kr
-
Xe
-
Rn
-
F
4.0
Cl
3.0
Br
2.8
I
2.5
At
2.2
Li
1.0
Na
0.9
K
0.8
Rb
0.8
Cs
0.7
Fr
0.7
H
2.1
Be
1.5
Mg
1.2
Ca
1.0
Sr
1.0
Ba
0.9
Ra
0.9
Ti
1.5
Cr
1.6
Fe
1.8
Ni
1.8
Zn
1.8
As
2.0
SiC
C(diamond)
H2O
C
2.5
H2
Cl2
F2
Si
1.8
Ga
1.6
GaAs
Ge
1.8
O
2.0
column
IVA
Sn
1.8
Pb
1.8
Materiais com ligações covalentes
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37. A maioria das ligações possui características intermediárias
%𝐶. 𝐼. = (1 − 𝑒−0,25 𝑥𝐴−𝑥𝐵 ²)x100
C.I % (LiF) = ?????
C. I % (LiF) =
89,5%
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CARÁTER IÔNICO
Ligações Iônicas versus Ligações
Covalentes
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38. Propriedades: sólidos maleáveis, dúcteis, bons
condutores térmicos e elétricos.
Cátions
Mar de elétrons de valência
Principal característica: mobilidade dos
elétrons de valência
Força da ligação metálica: Al > Mg > Na
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38
Ligação Metálica
Direcionalidade: A ligação metálica não é
direcional porque os elétrons protegem o átomo
carregado positivamente das forças repulsivas
eletrostáticas

39. Profª. Fabiana Fim
Ligações Metálicas
39

40. Profª. Fabiana Fim
40
Ligações Secundárias
➢É possível obter ligação sem troca ou compartilhamento de
elétrons nas denominada ligações secundárias ou de van der
Waals.
➢A ligação é gerada por pequenas assimetrias na
distribuição de cargas do átomos, que criam dipolos.
✓Um dipolo é um par de cargas opostas que mantém
uma distância entre si.
✓Dipolo permanente
✓Dipolo induzido
➢ Ligações de Hidrogênio: Um caso particular das interações dipolo-
dipolo é o das interações de dipolos que contêm o hidrogênio ligado
a elementos eletronegativos como o F, O, N e Cl.

41. Energias de ligação (E0) de algumas substâncias
Profª. Fabiana Fim
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42. Profª. Fabiana Fim
LIGAÇÕES MISTAS
Tipo de ligação Tipo de material
(a) Tetraedro de ligação: cada um dos quatro tipos de ligação extremos (ou puros) estão
localizados em um vértice do tetraedro; três tipos de ligações mistas estão incluídos ao
longo das arestas do tetraedro. (b) Tetraedro do tipo de material: correlação de cada
classificação de material (metais, cerâmicas, polímeros etc.) com seu(s) tipo(s) de ligação.
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43. Exercícios
(01) Determine o caráter iônico da alumina (Al2O3).
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Eletronegatividades: Al = 1,6
O = 3,4
%𝐶. 𝐼. = (1 − 𝑒−0,25 𝑥𝐴−𝑥𝐵 ²
)x100
%C.I. (Al2O3) = 55,5%
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44. Exercícios
Profª. Fabiana Fim
Qual dos elementos prefere perder dois
elétrons para formar uma ligação iônica?
o a
o b
o c
o d
⚫
44

45. Exercícios
Profª. Fabiana Fim
Qual não é um elemento químico?
o He
o N
o NaCl
o Mg
⚫
45

46. Exercícios
Profª. Fabiana Fim
Quais dos pares formaria
preferencialmente uma ligação iônica?
o Ne e S
o S e O
o Ca e O
o Ca e Ne
⚫
46

47. Exercícios
Profª. Fabiana Fim
Qual dos compostos é covalente?
o Cloreto de magnésio
o Fluoreto de lítio
o Cloreto de cálcio
o Dióxido de enxofre
⚫
47