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Ligações químicas
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.
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.
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
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.
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
Ligações químicas
Ligações fortes:
 Iônicas
 Covalentes
 Metálicas
Ligações fracas:
 Van der waals
Modelos de ligações químicas
Eletronegatividade - afinidade que um átomo tem por elétrons.
Eletronegatividade
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.
Energia interatômica versus
separação para dois átomos
© 2003 Brooks/Cole Publishing / Thomson
Learning™
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
Ligação iônica
r
Q
Q
E Cl
Na 


Curva de força de ligação para um par de Na+ Cl- mostrando um
comprimento de ligação de equilíbrio de a0 = 0,28 nm.
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
NaCl – ligação iônica
Fonte: http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/Chemical/bond.html#c4
Ligação iônica
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
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Ligação iônica
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.
Energia interatômica versus separação
para dois átomos
Energia de rede
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
Energia de rede X Ponto de fusão
Propriedades de materiais com
ligação iônica
 São duros e frágeis
 Isolantes – Íons não podem se mover.
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.
Ligação covalente
Pequena diferença de eletronegatividade entre os elementos.
Ligação covalente
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.
Semicondutores extrínsecos
tipo p e tipo n
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.
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.
 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.
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
Ligação química – Ponto de fusão
Quanto mais forte a força de ligação, maior o ponto de
fusão.
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.
Ligações secundárias
A formação de um dipolo elétrico permanente no PVC é muito
mais forte do que o dipolo induzido no polietileno.
PVC
PE
Ligações secundárias
Policloreto de
vinila
PVC
Célula unitária para o polietileno – geometria
ortorrômbica
Polimorfismo do carbono –
diamante e grafita
Estrutura do diamante
Átomos de
carbono unidos
por ligação
covalente em
um arranjo
tetraédrico
Estrutura da grafite
Arranjos dos átomos
de carbono em uma
camada.
Arranjos das camadas.
Ligação
forte
Ligação
fraca
Ligação
forte
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.
Coeficiente de expansão térmica
Forças de ligação de alguns materiais

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  • 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
  • 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
  • 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
  • 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
  • 19.
  • 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
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 38. A formação de um dipolo elétrico permanente no PVC é muito mais forte do que o dipolo induzido no polietileno. PVC PE
  • 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.
  • 47. Forças de ligação de alguns materiais