3. Introdução
• Na natureza a maioria dos átomos são
encontrados combinados formando milhões
de substâncias.
• Por que os átomos se ligam ?
Se ligue meu rapaz ...
3
4. Ligações Químicas
Como ocorre ?
Uma ligação química é estabelecida entre
as espécies apenas se o arranjo final de
Mas afinal, por que seus núcleos e de seus elétrons conferir ao
os átomos se ligam par uma energia potencial menor que a
(espontaneamente)? soma das energias dos átomos ou íons
isolados. Em outras palavras: podemos
dizer que um composto químico é formado
apenas se proporcionar uma situação de
estabilidade termodinâmica maior que
aquela envolvendo seus constituintes
isoladamente. Assim, podemos dizer que
quando uma ligação química é formada,
energia é liberada!
4
6. Ligações Químicas
Regra do Octeto
Gás nobre K L M N O P
Hélio – 2 2
Neônio – 10 2 8
Argônio – 18 2 8 8
Criptônio – 36 2 8 18 8
Xenônio – 54 2 8 18 18 8
Radônio – 86 2 8 18 32 18 8
6
7. Ligações Químicas
Será que as ligações
químicas entre os
átomos interfere nas
propriedades dos
materiais?
8. Engenharia Materiais
Introdução
• Ciência dos materiais faz
parte do conhecimento básico
para todas as engenharias
As propriedades dos materiais
definem:
• o desempenho de um
determinado componente e o
processo de fabricação do mesmo
8
9. Engenharia Materiais
Introdução
Propriedades dos
Materiais Engenharia
Microestrutura
Engenharia
Composição e
Processo de
Fabricação
11. Quantos materiais existem ?
Como
escolher ?
Entre 40.000 e 80.000
diferentes, contando
as variantes
de tratamento térmico
e composição
de cada material
12. Engenharia Materiais
Classificação
A classificação tradicional dos materiais é geralmente
baseada na estrutura atômica e química destes.
Semi
Metais Cerâmicas Polímeros Compósitos
condutores
Biomateriais
Classificação tradicional
13. Engenharia Materiais
Classificação
Materiais metálicos são
Metais
geralmente uma combinação de
elementos metálicos.
Os elétrons não estão ligados a
nenhum átomo em particular e por
isso são bons condutores de calor
e eletricidade
Não são transparentes à luz visível
Têm aparência lustrosa quando
polidos
Geralmente são resistentes e
deformáveis
São muito utilizados para
aplicações estruturais
14. Os Metais na Tabela Periódica
1 H ← Gasoso 18
1 2
C ← Sólido
1 He
H 2 13 14 15 16 17
Hg ← Líquido
3 4 5 6 7 8 9 10
2 Rf ← Desconhecido
Li Be B C N O F Ne
11 12 ┌───────────── Elementos de transição ─────────────┐ 13 14 15 16 17 18
3 Ar
Na Mg 3 4 5 6 7 9 11 12 Al Si P S Cℓ
19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36
4 Kr
K Ca Sc Ti V Cr Mn Fe Co Ni Cu Zn Ga Ge As Se Br
37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54
5 Xe
Rb Sr Y Zr Nb Mo Tc Ru Rh Pd Ag Cd In Sn Sb Te I
55 56 57 - 71 52 53 74 75 76 77 78 79 80 81 82 83 84 85 86
6 Rn
Cs Ba * Hf Ta W Re Os Ir Pt Au Hg Tl Pb Bi Po At
87 88 104 105 106 107 108 109 110 111 112 113 114 115 116 117 118
89-103
7 Uuo
Fr Ra ** Rf Db Sg Bh Hs Mt Uun Uuu Uub Uut Uuq Uup Uuh Uus
57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70 71
* 6 Lu
La Ce Pr Nd Pm Sm Eu Gd Tb Dy Ho Er Tm Yb
89 90 91 92 93 94 95 96 97 98 99 100 101 102 103
** 7 Lw
Ac Th Pa U Np Pu Am Cm Bk Cf Es Fm Md No
Elementos metálicos
15. Engenharia Materiais
Classificação
Cerâmicas
ALUMINA
São geralmente uma combinação
de elementos metálicos e não-
metálicos.
Geralmente são óxidos, nitretos e
carbetos
São geralmente isolantes de calor
e eletricidade
São mais resistêntes à altas
temperaturas e à ambientes
severos que os metais e polímeros
Com relação às propriedades
mecânicas as cerâmicas são
duras, porém frágeis
Em geral são leves
16. Os Cerâmicos na Tabela Periódica
1 H ← Gasoso 18
1 2
C ← Sólido
1 He
H 2 13 14 15 16 17
Hg ← Líquido
3 4 5 6 7 8 9 10
2 Rf ← Desconhecido
Li Be B C N O F Ne
11 12 ┌───────────── Elementos de transição ─────────────┐ 13 14 15 16 17 18
3 Ar
Na Mg 3 4 5 6 7 9 11 12 Al Si P S Cℓ
19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36
4 Kr
K Ca Sc Ti V Cr Mn Fe Co Ni Cu Zn Ga Ge As Se Br
37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54
5 Xe
Rb Sr Y Zr Nb Mo Tc Ru Rh Pd Ag Cd In Sn Sb Te I
55 56 57 - 71 52 53 74 75 76 77 78 79 80 81 82 83 84 85 86
6 Rn
Cs Ba * Hf Ta W Re Os Ir Pt Au Hg Tl Pb Bi Po At
87 88 104 105 106 107 108 109 110 111 112 113 114 115 116 117 118
89-103
7 Uuo
Fr Ra ** Rf Db Sg Bh Hs Mt Uun Uuu Uub Uut Uuq Uup Uuh Uus
57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70 71
* 6 Lu
La Ce Pr Nd Pm Sm Eu Gd Tb Dy Ho Er Tm Yb
89 90 91 92 93 94 95 96 97 98 99 100 101 102 103
** 7 Lw
Ac Th Pa U Np Pu Am Cm Bk Cf Es Fm Md No
Os cerâmicos são constituídos de metais + não-metais (Si e Ge)
17. Engenharia Materiais
Classificação
Polímeros
São geralmente compostos
orgânicos baseados em carbono,
hidrogênio e outros elementos não-
metálicos.
São constituídos de moléculas
muito grandes (macro-
moléculas)
Tipicamente, esses materiais
apresentam baixa densidade e
podem ser extremamente
flexíveis
Materiais poliméricos incluem
plásticos e borrachas
18. Os Polímeros na Tabela Periódica
1 H ← Gasoso 18
1 2
C ← Sólido
1 He
H 2 13 14 15 16 17
Hg ← Líquido
3 4 5 6 7 8 9 10
2 Rf ← Desconhecido
Li Be B C N O F Ne
11 12 ┌───────────── Elementos de transição ─────────────┐ 13 14 15 16 17 18
3 Ar
Na Mg 3 4 5 6 7 9 11 12 Al Si P S Cℓ
19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36
4 Kr
K Ca Sc Ti V Cr Mn Fe Co Ni Cu Zn Ga Ge As Se Br
37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54
5 Xe
Rb Sr Y Zr Nb Mo Tc Ru Rh Pd Ag Cd In Sn Sb Te I
55 56 57 - 71 52 53 74 75 76 77 78 79 80 81 82 83 84 85 86
6 Rn
Cs Ba * Hf Ta W Re Os Ir Pt Au Hg Tl Pb Bi Po At
87 88 104 105 106 107 108 109 110 111 112 113 114 115 116 117 118
89-103
7 Uuo
Fr Ra ** Rf Db Sg Bh Hs Mt Uun Uuu Uub Uut Uuq Uup Uuh Uus
57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70 71
* 6 Lu
La Ce Pr Nd Pm Sm Eu Gd Tb Dy Ho Er Tm Yb
89 90 91 92 93 94 95 96 97 98 99 100 101 102 103
** 7 Lw
Ac Th Pa U Np Pu Am Cm Bk Cf Es Fm Md No
Constituídos por não-metais e H
19. Engenharia Materiais
Classificação
Compósitos
São constituídos de mais de um
tipo de material insolúveis entre si.
Os compósitos são “projetados”
para apresentarem a combinação
das melhores características de
cada material constituinte
Exemplo clássico é o compósito de
matriz polimérica com fibra de
vidro. O material compósito
apresenta a resistência da fibra de
vidro associado a flexibilidade do
polímero
20. Engenharia Materiais
Classificação
Semicondutores
Apresentam propriedades
elétricas que são
intermediárias entre metais e
isolantes
Os semicondutores tornaram
possível o advento do circuito
integrado que revolucionou
as indústrias de eletrônica e
computadores
Ex: Si, Ge, GaAs, InSb, GaN InP
21. Engenharia Materiais
Classificação
Biomateriais
Biomateriais são empregados em
componentes para implantes de
partes em seres humanos
Esses materiais não devem
produzir substâncias tóxicas e
devem ser compatíveis com o
tecido humano (não deve causar
rejeição).
Metais, cerâmicos, compósitos e
polímeros podem ser usados
como biomateriais
22. Ligações Químicas
Tipos de Ligações
Ligações
Químicas
Interatômicas Intermoleculares
Forças van der Ponte
Iônica Covalente Metálica
Waals de H
Dipolo- Dipolo–dipolo Dipolo–dipolo
Polar Apolar dipolo induzido instantâneo
23. Ligações Químicas
Tipos de Ligações
Iônica Metal Ametal
Tipos de
Covalente Ametal Ametal
Ligações
Metálica Metal Metal
24.
25. Ligações Químicas
Ligação Iônica
Considere a reação entre o sódio e o cloro:
Na(s) + ½Cl2(g) NaCl(s) DHºf = -410,9 kJ
26. Ligações Químicas
Ligação Iônica
• A reação é violentamente exotérmica.
• Inferimos que o NaCl é mais estável do que os elementos
que o constituem. Por quê?
• O Na perdeu um elétron para se transformar em Na+ e o
cloro ganhou o elétron para se transformar em Cl-.
Observe: Na+ tem a configuração eletrônica do Ne e o Cl-
tem a configuração do Ar.
• Isto é, tanto o Na+ como o Cl- têm um
octeto de elétrons circundando o íon central.
27. Ligações Químicas
Ligação Iônica
• O NaCl forma uma estrutura muito regular na qual cada íon
Na+ é circundado por 6 íons Cl-.
• Similarmente, cada íon Cl- é circundado por seis íons Na+.
• Há um arranjo regular de Na+ e Cl- em 3D.
• Observe que os íons são empacotados o mais próximo
possível.
• Observe que não é fácil encontrar uma fórmula molecular
para descrever a rede iônica.
29. Ligação Iônica - NaCl
+ -
Na Cl
Átomo de sódio, 11Na Átomo de cloro, 17Cl
Íon sódio – 11Na+ Íon cloro – 17Cl-
Cloreto de sódio - NaCl
29
30. Ligações Iônica
Formação
F 2+ -
Ca Ca F
1 2
F Composto de A fluorita (CaF2) é um mineral do qual se
fórmula CaF2 obtém, industrialmente, o elemento flúor.
O
Al 2-
3+
O Al O
Al 2 3
O Composto de A safira consiste em um cristal de
fórmula Al2O3 Al2O3 (incolor) contendo “impurezas”
responsáveis pela cor azul.
30
31. Ligações Iônica
Fórmula
+ 2-
Vejamos um exemplo: K O
• 19K: 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s1 (perde1e-) = 19K+ 2 1
Composto de
• 8O: 1s2 2s2 2p6 (ganha 2e-) =8 O2- fórmula K2O
31
36. Propriedades dos compostos iônicos
• São sólidos nas condições ambientes;
• São duros e quebradiços;
• Possuem altos P.F. e P.E.;
• Conduzem corrente elétrica quando fundidos ou em
solução aquosa (não conduzem corrente elétrica no
estado sólido) ;
• Formam retículos cristalinos. Cl- Na+
Na+ Cl-
Na+ Cl-
Cl- Na+
39. Ligações Químicas
Ligação Iônica
Energias envolvidas na
formação da ligação iônica
• Energia de rede: é a energia necessária para separar
completamente um mol de um composto sólido iônico em
íons gasosos.
• A energia de rede depende das cargas nos íons e dos
tamanhos dos íons:
Q1Q2
El k
d
k é uma constante (8,99 x 109 J m/C2), Q1 e Q2 são as
cargas nas partículas e d é a distância entre seus centros.
40. Ligações Químicas
Energia Envolvida
3ª. etapa:
Energia de atração eletrostática dos íons Na+ Cℓ- )
• Pela lei de Coulumb: F = k .(q1 . q2) / d2
• Na+(g) + Cℓ -(g) NaCℓ (s), Eliberada = 787 kJ/mol
40
41. Ligações Químicas
Energia Envolvida
Conclusão
• A energia de uma ligação iônica abaixa (reduz)
quando a atração entre os íons for maior que a
energia necessária para fazê-los
41
42. Ligações Químicas
Ligação Covalente
E quando a
ligações formam
compostos
moleculares ...
42
43.
44. Ligações Químicas
Ligação Covalente
• Quando dois átomos similares se ligam, nenhum deles quer
perder ou ganhar um elétron para formar um octeto.
• Quando átomos similares se ligam, eles compartilham pares
de elétrons para que cada um atinja o octeto.
• Cada par de elétrons compartilhado constitui uma ligação
química.
• Por exemplo: H + H H2 tem elétrons em uma linha
conectando os dois núcleos de H.
47. Polaridade da ligação e
eletronegatividade
Eletronegatividade
• Eletronegatividade: é a habilidade de um átomo de atrair
elétrons para si em certa molécula .
• Pauling estabeleceu as eletronegatividades em uma escala
de 0,7 (Cs) a 4,0 (F).
• A eletronegatividade aumenta:
• ao logo de um período e
• ao descermos em um grupo.
49. Ligações Químicas
Ligação Covalente
Ocorre geralmente entre ametais e hidrogênio ou ametais entre si,
desde que a de eletronegatividade < 1,7.
Hidrogênio
Ametal Hidrogênio
Ametal
51. Polaridade da ligação e
eletronegatividade
Eletronegatividade e
polaridade de ligação
• Não há distinção acentuada entre os tipos de ligação.
• A extremidade positiva (ou polo) em uma ligação polar é
representada por + e o polo negativo por -.
52. Ligações Covalentes
Apolar
Ligação Covalente Apolar: Ocorre entre átomos iguais. Dessa forma, os
átomos possuem mesma eletronegatividade e atraem, consequentemente,
o par eletrônico compartilhado com a mesma intensidade.
Ex.: H2, O2, N2
O par O par
eletrônico é eletrônico é
equidistante equidistante
aos dois aos dois
núcleos núcleos
53. Ligações Covalentes
Polar
Ligação Covalente Polar: Ocorre entre átomos diferentes. Dessa forma, o
átomo que possui maior eletronegatividade atrai o par eletrônico compartilhado
com maior intensidade.
Ex.: HCl. O par eletrônico fica mais próximo do cloro pois este átomo atrai mais
fortemente os elétrons da ligação covalente (porque é mais eletronegativo).
54. Ligações Covalentes
Propriedades
São, em geral, líquidos ou gasosos nas condições
ambientes (se sólidos, fundem-se facilmente);
Possuem baixos P.F. e P.E.;
Não conduzem corrente elétrica (exceção para
Ácidos, em solução aquosa e Carbono Grafite) ;
São formados por moléculas.
55. Ligações Químicas
Ligação Metálica
E quando a
ligações formam
compostos
metálicos ...
55
56.
57. Ligações Químicas
Ligação Metálica
Ocorre entre metais e possui como
principal característica, elétrons
livres em torno de cátions e átomos
neutros no retículo (Mar de elétrons).
A teoria do octeto não explica a ligação metálica.
58. Ligações Químicas
Ligação Metálica
- Sólidos nas condições ambientes, exceto Hg
- São bons condutores de calor e eletricidade (e- livres)
- São dúcteis (fios) e maleáveis (lâminas).
- Apresentam brilho metálico característico.
- Possuem altos Pontos de Fusão e Ebulição.
- São resistentes à tração
- São densos.
58
59. Ligações Químicas
Ligas Metálicas
Os metais podem se unir entre si ou a outros elementos e formar
misturas sólidas chamadas ligas metálicas: Por exemplo:
o aço é uma liga o bronze é o latão é o ouro de 18 Liga Leve
de ferro e uma liga de uma liga de quilates é
carbono: o aço • Magnésio
inoxidável é uma
cobre e cobre e uma liga de e Alumínio
liga de ferro e estanho; zinco; ouro e
carbono com cobre.
adição de cromo
e níquel;
59
61. Estrutura de Lewis - Regra
Exemplo 1: Difluoreto de Oxigênio – OF2
• Contar o número total de e- de valência na molécula/íon
1º. passo
F – 2 x 7 e- = 14 20 elétrons de
O – 1 x 6 e- = 6 valência
Total ........ = 20
61
62. Estrutura de Lewis - Regra
Exemplo 1: Difluoreto de Oxigênio – OF2
• Desenhe a estrutura do “esqueleto” da molécula
colocando no centro o átomo menos eletronegativo
(átomo central)
2º. passo
Átomo menos
eletronegativo
F O
F
62
63. Estrutura de Lewis - Regra
Exemplo 1: Difluoreto de Oxigênio – OF2
• Coloque ligações simples entre todos os átomos
conectando-os na estrutura desenhando linhas entre eles
3º. passo
Pelo menos
uma ligação
F O
F
63
64. Estrutura de Lewis - Regra
Exemplo 1: Difluoreto de Oxigênio – OF2
• Coloque os e- de valência restante (não contabilizados)
nos átomos individuais até satisfazer a regra do octeto.
4º. passo
Dica: comece
Coloque e-
pelos átomos
como pares
externos
F O isolados
Importante: verifique s cada
átomo satisfaz a regra do
F octeto se OK = estrutura
final, se não etapa 5
64
65. Estrutura de Lewis - Regra
2º. passo 4º. Passo
• Contar e- • Colocar
valência • Desenhar ligações • Satisfazer
estrutura regra octeto
1º. passo 3º. passo
2-
Exemplo 2: íon sulfato – SO4 2-
O
S – 1 x 6 e- = 6
O – 4 x 6 e- = 24 O S O
Íon carga = 2
Total ........ = 32
32 – 8 e- ligantes = 24 e- não ligantes
O
65
66. Estrutura de Lewis - Regra
Obs.: Em alguns casos, encontramos um ou mais
átomos que têm menos que um octeto completo
• Crie “ligações múltiplas” deslocando pares e- isolados
para a posição de ligação para qualquer átomo que não
tenha um octeto completo .
5º. passo
Exemplo 3: PTFE (PoliTetraFluoroEtileno) –
Teflon® - C2F4
66
67. Estrutura de Lewis - Regra
2º. passo 4º. Passo
• Contar e- • Colocar • Casos
valência • Desenhar ligações • Satisfazer complemen
estrutura regra octeto tares
1º. passo 3º. passo 5º. Passo
Teflon® - C2F4
F F
F – 4 x 7 = 28
e-
C – 2 x 4 e- = 8
Total ........ = 36 F C C F
36 – 10 e- ligantes = 26 e- não ligantes
67
68. Estrutura de Lewis - Regra
Teflon® - C2F4
F F F F
F C C F F C C F
• Crie “ligações múltiplas” deslocando pares e- isolados para a
posição de ligação para qualquer átomo que não tenha um octeto
completo .
5º. passo
68
69. Estrutura de Lewis
CO2
C – 1 x 4 e- = 4
O – 2 x 6 e- = 12
Total ........ = 16
16 – 4 e- ligantes =
12 e- não ligantes
69
70. Estrutura de Lewis
CH2O
C – 1 x 4 e- = 4
O – 1 x 6 e- = 6
H – 2 x 1 e- = 2
Total ........ = 12
12 – 6 e- ligantes =
6 e- não ligantes
70
71. Estrutura de Lewis
Se2F3
Se – 2 x 6 e- = 12
F – 3 x 7 e- = 21
Total ........ = 33
33 – 8 e- ligantes =
25 e- não ligantes
71
72. Estrutura de Lewis
Cl – 1 x 7 e- = 7 -
F–4x7e - = 28 ClF4 ClF5
Íon carga = 1 36 – 8 e- ligantes = 28 e- não ligantes
Total ........ = 36 42 – 10 e- ligantes = 32 e- não ligantes 72
73. Ressonância
Exemplo 4: Dióxido e enxofre – SO2 (poluente)
O S O O S O
S – 1 x 6 e- = 6
O – 2 x 6 e- = 12 O S O
Total ........ = 18
18 – 4 e- ligantes = 12 e- não ligantes
73
74. Ressonância
Exemplo 4: SO2 - Qual é a estrutura “real”?
O S O O S O
A estrutura “real” corresponde a uma média das
estruturas de Lewis: “híbrido de ressonância”
ATENÇÃO: Não é uma mistura das estruturas
74
75. Ressonância
Exemplo 5: C6H6 - Benzeno
H H
C C
H C C H H C C H
H C C H H C C H
C C
H H
75
76. Ressonância
Exemplo 5: C6H6 - Benzeno
H H
C C
H C C H H C C H
H C C H H C C H
C C
H H
Mais estável tem menor energia e é menos reativa
76
77. Estrutura de Lewis
• Par isolado: elétrons do par não envolvidos na ligação
• Par ligante: elétrons envolvidos na ligação
• Regra do octeto: tendência de moléculas e íons
poliatômicos de assumir estruturas onde cada átomo
fica com 8 elétrons na camada de valência, atingindo a
configuração de um gás nobre
• Há exceções a esta regra, como veremos adiante
77
78. Ligações Químicas
Regra Octeto – Exceção
Octeto incompleto
Elementos do segundo período da tabela periódica podem ter um máximo
de quatro ligações: possuem somente orbitais 2s e 2p
• Regra do octeto é válida para os elementos acima. Exceções: alguns
compostos de berílio e de boro. Exemplo:
Boro: 6 elétrons de valência
Trifluoreto de bório, BF3
78
79. Ligações Químicas
Regra Octeto – Exceção
Camada de valência expandida
Elementos do terceiro período, e além desse, têm orbitais d “vazios” que
podem ser usados para ligação. Assim eles podem formar mais que
quatro ligações covalentes. Exemplos:
Pentacloreto de fósforo, PCl5(s) Hexafluoreto de enxofre, SF6(s)
79
80. Ligações Químicas
Regra Octeto – Exceção
Radicais: moléculas com número ímpar de e−:
• apresentam e− desemparelhados
• altamente reativos :
• ocorre nas chamas durante a queima de
hidrocarbonetos combustíveis
● CH3 Elétron
desenparelhado
Radical metila
80
82. Na Próxima Aula Veremos ...
Química Geral e Exp
Aula – Ligações Intermoleculares e
Estrutura Molecular
82
83. Conteúdo da Apresentação
Conteúdo baseado no Livro
Texto
Click na imagem para visitar o
site do livro
BROWN, Theodore L - Química A Ciência Central (9ª.
Edição) – Pearson – Cap. 08 – Conceitos Básicos de Ligação
Química, 252
84. Onde Estudar a Aula de Hoje
Nos Livros
• Brown, James E. HUMISTON, Gerard E. Química Geral -
Vol.1. LTC, 2006. – Cap. 4 – Ligação Química Conceitos
Gerais e Cap. 5 – Ligação Covalente e Estrutura Molecular
• Química Geral Aplicada a Engenharia – Cap.7 – Ligação
Química e Estrutura Molecular
Na Internet
• Aí Tem Química – PUC-RIO
• http://web.ccead.puc-rio.br/condigital/portal/
84