ASSUNTO

1. ASSUNTO 2.Ligação química nos sólidos -Energias e forças de ligações -Ligações interatômicas primárias -Ligação de Van der Waals

2. LIGAÇÕES QUÍMICAS EM MATERIAIS SÓLIDOS(Breve Revisão) Por quê estudar? O tipo de ligação interatômica geralmente explica a propriedade do material. Exemplo: o carbono pode existir na forma de grafite que é mole, escuro e “gorduroso” e na forma de diamante que é extremamente duro e brilhante. Essa diferença nas propriedades é diretamente atribuída ao tipo de ligação química que é encontrada no grafite e não no diamante. Veja mais informações no site www.cimm.com.br (material didático)

3. 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

4. TIPOS DE LIGAÇÕES • Metálica • Covalente • Iônica • Van der Waals A eletronegatividade dos átomos é o que determina o tipo de ligação

5. FORÇAS E ENERGIAS DE LIGAÇÃO

6. FORÇA E DISTÂNCIA DE LIGAÇÕES • A distância entre 2 átomos é determinada pelo balanço das forças atrativas e repulsivas • Quanto mais próximos os átomos maior a força atrativa entre eles, mas maior ainda são as forças repulsivas devido a sobreposição das camadas mais internas • Quando a soma das forças atrativas e repulsivas é zero, os átomos estão na chamada distância de equilíbrio.

7. FORÇA DE LIGAÇÕES E RIGIDEZ • A inclinação da curva no ponto de equilíbrio dá a força necessária para separar os átomos sem promover a quebra da ligação. • Os materiais que apresentam uma inclinação grande são considerados materiais rígidos,. Ao contrário, materiais que apresentam uma inclinação mais tênue são bastante flexíveis. • A rigidez e a flexibilidade também estão associadas com módulo de elasticidade (E) que é determinado da inclinação da curva tensãoxdeformação obtida no ensaio mecânico de resistência à tração. Tensão () Inclinação fornece Módulo E Deformação medida ()

8. ENERGIA DE LIGAÇÃO • 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 • A menor energia é o ponto de equilíbrio Quanto mais profundo o poço de potencial maior a temperatura de fusão do material Devido as forcas de repulsão aumentarem muito mais com a aproximação dos átomos a curva não é simétrica. Por isso, a maioria dos materiais tendem a se expandir quando aquecidos Filme

9. ENERGIA DE LIGAÇÃO • Quando energia é fornecida a um material, a vibração térmica faz com que os átomos oscilem próximos ao estado de equilíbrio. • Devido a assimetria da curva de energia de ligaçãoxdistância interatômica, a distância média entre os átomos aumenta com o aumento da temperatura. • Então, quanto mais estreito e mais profundo o mínimo de potencial menor é o coeficiente de expansão térmica do material

10. Metálica Covalente Iônica Van der Waals Forma-se com átomos de baixa eletronegatividade (apresentam no máximo 3 elétrons de valência) Então, os elétrons de valência são divididos com todos os átomos (não estão ligados a nenhum átomo em particular) e assim eles estão livres para conduzir A ligação metálica não é direcional porque os elétrons livres protegem o átomo carregado positivamente das forças repulsivas eletrostáticas A ligação metálica é geralmente forte (um pouco menos que a iônica e covalente)= 20-200 Kcal/mol Ex: Hg e W TIPOS DE LIGAÇÕES Elétrons de valência Átomo+elétrons das camadas mais internas

11. Covalente Metálica Iônica Van der Waals Os elétrons de valência são compartilhados Forma-se com átomos de alta eletronegatividade A ligação covalente é direcional e forma ângulos bem definidos (apresenta um certo grau de ligação iônica) A ligação covalente é forte = 125-300 Kcal/mol Esse tipo de ligação é comum em compostos orgânicos, por exemplo em materiais poliméricos e diamante. TIPOS DE LIGAÇÕES Ex: metano (CH4)

12. Figura copiada do material do Prof. Sidnei Paciornik do Departamento de Ciência dos Materiais e Metalurgia da PUC-Rio

13. Iônica Metálica Covalente Van der Waals Os elétrons de valência são transferidos entre átomos produzindo íons Forma-se com átomos de diferentes eletronegatividades (um alta e outro baixa) A ligação iônica não é direcional, a atração é mútua A ligação é forte= 150-300 Kcal/mol (por isso o PF dos materiais com esse tipo de ligação é geralmente alto) A ligação predominante nos materiais cerâmicos é iônica TIPOS DE LIGAÇÕES

14. LIGAÇÃO IÔNICA • As forças atrativas eletrostáticas entre os átomos é não-direcionalos átomos num material iônico arranjam-se de forma que todos os íons positivos têm como vizinho mais próximo íons negativos, sendo as forças atrativas igual em todas as direções. • A magnitude da força obedece a Lei de Coulomb

15. Figura copiada do material do Prof. Sidnei Paciornik do Departamento de Ciência dos Materiais e Metalurgia da PUC-Rio

16. FORÇAS DE ATRAÇÃO E REPUSÃO ENVOLVIDAS EM SÓLIDOS IÔNICOS • FA= -A/r2 • FR= B/rn • A, B e n são valores que dependem do sistema iônico em questão

17. LEI DE COULOMB • Forças atrativas • r é a distância interatômica • z1 e z2 são as valências dos 2 tipos de íons • e é a carga do elétron (1,602x10-19 C) • 0é a permissividade do vácuo (8,85x10-12 F/m) FA

18. CONSIDERAÇÕES SOBRE LIGAÇÃO IÔNICA E COVALENTE • Muito poucos compostos exibem ligação iônica e covalente puras • A maioria das ligações iônicas tem um certo grau de ligação covalente e vice –versa transferem e compartilham elétrons • O grau do tipo de ligação depende da eletronegadividade dos átomos constituintes. • Quanto maior a diferença nas eletronegatividades mais iônica é a ligação • Quanto menor a diferença nas eletronegatividades mais covalente é a ligação

19. Fração de ligação covalente= onde E é a diferença nas eletronegatividades dos átomos Ex: SiO2 Eletronegatividade do Si= 1,8 Eletronegatividade do O= 3,5 Fração de ligação covalente= 0,486= 48,6% CONSIDERAÇÕES SOBRE LIGAÇÃO IÔNICA E COVALENTE

20. TIPOS DE LIGAÇÕES • São ligações secundárias ou físicas • A polarização (formação de dipólos) devido a estrutura da ligação produz forças atrativas e repulsivas entre átomos e moléculas • A ligação de van der Waals não é direcional • A ligação é fraca< 10 Kcal/mol • Exemplo desse tipo de ligação acontece entre átomos de H e em estrut. moleculares e moléc. polares • Van der Waals • Metálica • Covalente • Iônica A ligação é gerada por pequenas assimetria na distribuição de cargas

21. A molécula de água apresenta polarização de carga (formação de dipólos): positiva proxima aos átomos de H e negativa onde os elétrons de valência do oxigênio estão localizados Isto produz forças de van der Waals entre as moléculas, fazendo com que as mesmas tendam a alinhar-se os pólos negativos com positivos. Como o angulo de ligação 109,5o, as moléculas formam uma estrutura quase hexagonal (veja figura) O gelo tem estrutura hexagonal devido a este tipo de ligação. Ë menos denso por isso flutua sobre a água. LIGAÇÃO DE VAN DER WAALS EXEMPLO: MOLÉCULA DE ÁGUA o H H água

22. DIAMANTE GRAFITA Ligação forte Ligação fraca Os átomos de carbono na grafita 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 grafita é importante lubrificante!

23. NANOTUBOS DE CARBONO • Foi descoberto em 1991 por um japonês • São 100 mil vezes mais finos que um fio de cabelo • A espessura é de apenas um átomo • O diâmetro é de cerca de um nanômetro — a bilionésima parte do metro • Possuem a maior resistência mecânica dentre todos os materiais conhecidos — não quebram nem deformam quando dobrados ou submetidos à alta pressão. • Destacam-se também como dos melhores condutores de calor que existem e, para completar, podem ser capazes de transportar eletricidade Fonte: B.Piropo