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Profa. Adélia
Aula 5: Propriedades e Ligação Química
Relacionar o tipo de ligação química com as propriedades dos materiais
Um entendimento de muitas propriedades físicas dos materiais é previsto através do conhecimento das forças interatômicas que ligam os átomos entre si.
As l igações ent re á tomos será i lus t rada considerando a interação entre dois átomos isolados `a medida que eles são colocados em estreita proximidade um do outro a partir de uma distância infinita de separação entre os mesmos.
Forças de Ligação e Energias
Profa. Adélia
Em grandes distâncias as interações são desprezíveis, mas `a medida que os á tomos se aprox imam mutuamente, cada átomo exerce força sobre o outro.
FN = FA + FB
Energia de Ligação (Eo) é a energia mínima potencial necessária para separar dois átomos
Tipos de Ligação e Materiais
Profa. Adélia
• O tipo de ligação (metálica, iônica e covalente) influencia
na classificação e propriedades dos materiais (metais,
cerâmicos e polímeros).
• As propriedades macroscópicas dos materiais
dependem essencialmente do tipo de ligação entre os
átomos.
• O tipo de ligação depende fundamentalmente dos
elétrons da camada de valência.
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Ligação Iônica
• Exemplo clássico: NaCl.
ELE1060 – Introdução a Nanotecnologia – 2010/01 PUC-Rio
Ligações Iônicas
Ocorre entre elementos metálicos que tendem a perder elétrons (cátions) e não-metálicos que tendem a ganhar elétrons (ânions).
Ligações Iônicas
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• No processo todos os á t o m o s a d q u i r e m configurações estáveis ou de um gás inerte.
• São l igações não-direcionais.
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Ligação Iônica
• As forças de ligação são de Coulomb, isto é, forças atrativas de cargas opostas.
EA = -A r
• A energia de atração e de repulsão são funções da distância interatômica, que dependem das constantes A, B e n (n≈8)
ER = B rn
• A ligação predominantemente nos materiais cerâmicos é a iônica.
A energia de ligação são relativamente elevadas, na faixa de 600 a 1500 kJ/mol.
Propriedades de Compostos Iônicos
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• Apresentam elevados pontos de fusão e ebulição;
• São duros e frágeis
• São isolantes eletricamente e termicamente
• São eletrólitos em meio de alta constante dielétrica
Características de Materiais Iônicos
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• Possuem pontos de fusão e ebulição elevados; • São sólidos devido à disposição do seu arranjo cristalino. • São compostos duros, ou seja, que impõem resistência,
mas podem ser maleáveis e dúcteis. • Conduzem eletricidade quando dissolvidos em água. Existe
a presença de íons, ou seja, cargas negativas e positivas que permitem a passagem de corrente elétrica.
Ligação Covalente
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• Configuração estável devido ao compartilhamento de elétrons entre átomos;
• Cada átomo contribue com pelo menos um elétron para formar uma ligação;
• Os elétrons pertencem a ambos os átomos
Molécula do Metano
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Características das Ligações Covalente
• A ligação covalente é direcional, isto é, entre dois átomos só pode existir apenas uma direção no compartilhamento eletrônico.
• Nos materiais existe uma tendência a reduzir a expansão térmica e a densidade em relação aos materiais iônicos com massa atômica semelhante.
Propriedades dos Compostos Covalentes
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• Podem ser polares (os átomos apresentam diferença de eletronegatividade) ou apolares (sem diferença de eletronegatividade);
• Apresentam pontos de fusão e ebulição infereiores aos compostos iônicos;
• Não conduzem corrente elétrica; • Apresentam solubilidade variada • Apresentam baixa tenacidade, sendo sólidos
quebradiços.
Compostos formados por ligações covalentes
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• Muitas moléculas elementares não-metálicas
• (H2, Cl2, O2, N2)
• Muitas moléculas contendo diferentes átomos
• (H2O, NH3, CH4, HCN, CH2O)
• Encontrado em sólidos elementares C (diamante, grafite), sílicio, germânio
• Compostos não-metálicos como GaAs, InSb, SiC
� Formada por íons positivos e elétrons livres de valência que formam uma “nuvem eletrônica” que circula livremente entre os íons positivos;
� Encontrada em metais e suas ligas
� Materiais metálicos têm 1, 2 ou 3 elétrons de valência, que se encontram livres para se movimentarem ao longo do metal
Ligação Metálica
Propriedades associadas as ligações metálicas
� Alta condutividade elétrica e térmica: os elétrons podem se mover na presença de uma f.e.m. ou de um gradiente de temperatura.
� Permitem grande deformação plástica pois as ligações são móveis ou seja não são rígidas como as iônicas e as covalentes
� Possuem o brilho metálico, como os elétrons são muito móveis trocam de nível energético com facilidade emitindo fótons
� São sempre opacos: pela mesma razão acima mas nesse caso absorvendo a luz incidente
Ligações Secundárias
• É possível obter ligação sem troca ou compartilhamento de elétrons nas ligações secundárias ou de van der Waals
• A ligação é gerada por pequenas assimetrias na distribuição de cargas dos átomos que criam dipolos
• Um dipolo é um par de cargas opostas que mantém uma distância entre si;
• Dipolo permanente • Dipolo induzido
• São ligações fracas. As energias de ligação são da ordem de 10kJ/mol
Representação esquemática de uma molécula polar
� Dipolos elétricos ocorrem quando os centros das cargas positivas não coincidem com o centro das cargas negativas em uma molécula
Permanente Induzido
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Tipos de Dipolos 60
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Dipolos Permanentes e Induzidos • Dipolo Permanente
Gerado pela estrutura da molécula.
Energias de ligação 20kJ/mol Ex: Pontes de Hidrogênio em
H2O
• Dipolo Induzido A separação de cargas é pequena Energias de ligação são muito
pequenas ( 1kJ/mol)
O
H H
Átomos isolados de Ar
(os centros das cargas positivas e negativas
coincidem)
+ +
Átomos deformados pela presença do outro
+ - + -
Magnitude do dipolo Os átomos se ligam pela atração entre os dipolos induzidos
60 S.
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Dipolos Permanentes e Induzidos • Dipolo Permanente
Gerado pela estrutura da molécula.
Energias de ligação 20kJ/mol Ex: Pontes de Hidrogênio em
H2O
• Dipolo Induzido A separação de cargas é pequena Energias de ligação são muito
pequenas ( 1kJ/mol)
O
H H
Átomos isolados de Ar
(os centros das cargas positivas e negativas
coincidem)
+ +
Átomos deformados pela presença do outro
+ - + -
Magnitude do dipolo Os átomos se ligam pela atração entre os dipolos induzidos
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