LIgações Químicas

1. Ligações químicas

2. Toda a matéria é feita de átomos. Cada átomo é formado por um
pequeno núcleo, carregado positivamente que é cercado por
elétrons.
As principais propriedades dos materiais dependem diretamente
do comportamento de seus elétrons de valência.
Os átomos buscam a configuração mais estável, com 2 ou 8
eletrons
Os elétrons são ligados ao núcleo carregado positivamente pela
atração Coulomb.
A energia de ligação do elétron é o trabalho que deve ser feito
para removê-lo do átomo.

3. Estrutura geral do átomo
 Para conhecer os fatores que governam as propriedades
dos materiais é necessário levar em consideração a
estrutura geral do átomo.
 A força de atração entre átomos resiste a tensão e
controla a deformação. A condutividade elétrica é
conseqüência da mobilidade dos elétrons livres do metal.
Esses e outros fenômenos são melhor explicados
considerando-se um modelo de átomo.

4. Ligações químicas em materiais
sólidos
Os elementos se ligam para formar os sólidos para atingir
uma configuração mais estável: oito elétrons na camada
mais externa.
A ligação química é formada pela interação dos elétrons de
valência através de um dos seguintes mecanismos:
- Ganho de elétrons
- Perda de elétrons
-Compartilhamento de elétrons

5. Ligações versus propriedades
Propriedades importante dos Materiais sólidos
- dependem das interação entre os átomos, íons ou moléculas
constituintes;
- dependem dos arranjos geométricos.
Ligações
-Propiciam resistência;
-Propiciam propriedades elétricas, térmicas, químicas, magnéticas,
aos materiais.
Entender as ligações interatômicas é o primeiro passo em direção à
compreensão/explicação das propriedades dos materiais.

6. Ligações químicas
As ligações químicas tem forte influência sobre diversas
propriedades dos materiais.
Os elétrons de valência (do último nível) são os que
participam das ligações químicas.
Os átomos buscam a configuração mais estável dos gases
nobres (com 2 ou 8 elétrons).
Dependendo da energia envolvida nas ligações elas podem
ser divididas em: Fortes
Fracas

7. Ligações químicas
Ligações fortes:
 Iônicas
 Covalentes
 Metálicas
Ligações fracas:
 Van der waals

8. Modelos de ligações químicas

9. Eletronegatividade - afinidade que um átomo tem por elétrons.
Eletronegatividade

10. Cientistas classificam os tipos de ligações de acordo com a
diferença de eletronegatividade (ΔEN).
• ΔEN entre 1.7 and 3.3:
ligação iônica
• ΔEN entre 0.4 and 1.7:
ligação covalente polar
• ΔEN entre 0.0 and 0.4: ligação
covalente não polar
Três categorias de ligações que foram
estabelecidas com base em ΔEN.

11. Energia interatômica versus
separação para dois átomos
© 2003 Brooks/Cole Publishing / Thomson
Learning™

12. Influência da energia da ligação em
algumas propriedades dos materiais
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

13. Ligação iônica
r
Q
Q
E Cl
Na 



14. Curva de força de ligação para um par de Na+ Cl- mostrando um
comprimento de ligação de equilíbrio de a0 = 0,28 nm.

15. Na+ Cl- Na+ Cl-
Na+ Cl-
Na+ Cl-
Na+ Cl-
Cl- Na+
Na+ Cl-
Cl- Na+
Na+
Na+
Cl-
Cl-
Força de ligação
de Coulomb
• É não-direcional.
 Empilhamento de íons
sem orientação
preferencial.
 O empilhamento é
governado pelo arranjo
geométrico dos íons e
pela necessidade de
manter a neutralidade
elétrica do sólido.
 A magnitude é igual
em todas as direções
ao redor do íon.
Ligação iônica

16. NaCl – ligação iônica

17. Fonte: http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/Chemical/bond.html#c4
Ligação iônica

18. Doam elétrons Recebem elétrons
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

20. Energia de ligação
Os materiais iônicos são
duros e quebradiços e,
além disso, isolantes
elétricos e térmicos.
É a ligação
predominante nos
materiais cerâmicos.
• É forte  PF dos materiais é geralmente
alto.
Sólido iônico E* (kJ/mol) PF (oC)
NaCl 766 801
MgO 3932 2800
Fonte: Smith, 1998.

21. Energia interatômica versus separação
para dois átomos

22. Energia de rede

23. Energia de rede
Composto Energia de Rede
(KJ/mol)
•MgF2 2957 Q = +2, -1
•MgO 3938 Q = +2, -2
•LiF 1036
•LiCl 853 r F< r Cl
Energia de rede aumenta quando:
Q e/ou r

24. Energia de rede X Ponto de fusão

25. Propriedades de materiais com
ligação iônica
 São duros e frágeis
 Isolantes – Íons não podem se mover.

26. Ligação covalente
 Compartilhamento de elétrons entre átomos
adjacentes.
C H
H
H
H
Elétron
compartilhado
do C
Elétron
compartilhado
do H
Molécula de
metano (CH4)
Ocorre entre átomos
com pequenas
diferenças de
eletronegatividade e
que estão próximos
uns dos outros na
tabela periódica.

27. Ligação covalente
Pequena diferença de eletronegatividade entre os elementos.

28. Ligação covalente

29. Ligação covalente
 É direcional.
Ocorre entre átomos
específicos e pode existir
somente na direção entre
um átomo e o outro que
participa no
compartilhamento de
elétrons.
Exemplos: diamante e
silício.

30. Semicondutores extrínsecos
tipo p e tipo n

31. Ligação metálica
 É encontrada nos metais e suas ligas.
 Forma-se com átomos de baixa eletronegatividade
(apresentam no máximo 3 elétrons de valência).
 Elétrons de valência não estão ligados a nenhum átomo
em particular, apresenta caráter não-direcional.

32. Ligação metálica
 Em geral, quanto menos elétrons de valência um átomo
possuir, mais fracamente eles estarão ligados ao "caroço"
iônico, e mais metálica será a ligação.
 À medida que crescem o número de elétrons de valência e
a rigidez com que eles se prendem ao núcleo, mais
localizados eles ficam no espaço.

33.  A energia pode ser fraca ou forte.
Energia de ligação
Elemento E
(kJ/mol
)
PF
(oC)
K+ 89,6 63,5
Ca2+ 177,0 851,0
Energia em função da distância entre
um par de átomos metálicos. Fonte: Smith, 1998.

34. Metal
Temperatura de
fusão (oC)
Módulo de
elasticidade (MPa)
Alumínio 660 70.000
Cobre 1085 127.000
Ferro 1538 210.000
As forças de ligação entre os átomos, e
consequentemente o módulo de elasticidade, são
maiores para metais com temperaturas de fusão
mais elevadas.
Fonte: Garcia, Spim e Santos, 2000.
Relação entre temperatura de
fusão e módulo de elasticidade

35. Ligação química – Ponto de fusão
Quanto mais forte a força de ligação, maior o ponto de
fusão.

36. Propriedades de materiais com
ligação metálica
 Maleável e dúctil - Quando é aplicada uma força a um
metal, as camadas de átomos podem deslizar facilmente
umas sobre as outras.

37. Ligações secundárias

38. A formação de um dipolo elétrico permanente no PVC é muito
mais forte do que o dipolo induzido no polietileno.
PVC
PE

39. Ligações secundárias
Policloreto de
vinila

40. PVC

41. Célula unitária para o polietileno – geometria
ortorrômbica

42. Polimorfismo do carbono –
diamante e grafita

43. Estrutura do diamante
Átomos de
carbono unidos
por ligação
covalente em
um arranjo
tetraédrico

44. Estrutura da grafite
Arranjos dos átomos
de carbono em uma
camada.
Arranjos das camadas.
Ligação
forte
Ligação
fraca
Ligação
forte

45. Coeficiente de expansão térmica
 é maior se Eo é menor.
=  (T2-T1)
DL
Lo
Coef. de expansão térmica
DL
comprimento, Lo
Não Aquecido , T 1
Aquecido T2
ro
r
maior 
menor 
Energia
E
E
Quanto mais profundo o poço de potencial
maior a energia de ligação.

46. Coeficiente de expansão térmica

47. Forças de ligação de alguns materiais