propriedades gerais dos metais são maleáveis e dúcteis são excelentes condutores de eletricidade...
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Propriedades Gerais dos Metais• São maleáveis e dúcteis• São excelentes condutores de eletricidade e calor.• Apresentam brilho metálico característico.• Têm altos índices de reflexão.• Suas estruturas cristalinas são invariavelmente do
tipo cúbico de empacotamento compacto, hexagonal compacto, ou cúbico de corpo centrado.
• Formam ligas com facilidade.
LIGAÇÃO METÁLICALIGAÇÃO METÁLICA
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Quadro 1: Condutividade Elétrica de Quadro 1: Condutividade Elétrica de Vários SólidosVários Sólidos
Substância Tipo de Ligação
Condutividade (ohm. cm-1)
Prata Metálica 6,3 x 105
Cobre Metálica 6,0 x 105
Sódio Metálica 2,4 x 105
Zinco
Metálica 1,7 x 105
NaCl Iônica 1,0 x 10-7
Diamante Covalente 1,0 x 10-14
Quartzo Covalente 1,0 x 10-14
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Elemento eletropositivo + Elemento eletronegativo → ligação iônica
Elemento eletronegativo + Elemento eletronegativo → ligação covalente
Elemento eletropositivo + Elemento eletropositivo → ligação metálica.
Estes tipos de ligações são representações idealizadas.
Por exemplo, o LiCl é considerado um composto iônico, mas ele é solúvel em álcool, o que sugere um certo caráter de ligação covalente.
TIPOS DE LIGAÇÕESTIPOS DE LIGAÇÕES
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TABELA 1 : INTERAÇÕES ENTRE TABELA 1 : INTERAÇÕES ENTRE AS ESPÉCIES QUÍMICASAS ESPÉCIES QUÍMICAS
ESPÉCIE QUÍMICA INTERAÇÃO INTENSIDADE
Átomos Ligação Covalente muito forte
Íons Ligação Iônica muito forte
Íon-Molécula polar Íon-Dipolo forte
Molécula polar-Molécula polar
Dipolo-Dipolo média
Moléculas Ligação de Hidrogênio média
Todas Forças de Dispersão deLondon
fraca
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A ligação iônica envolve a transferência completa de um ou mais elétrons de um átomo para outro.
A ligação covalente envolve em geral o compartilhamento de um par de elétrons entre dois átomos.
Na ligação metálica metálica os elétrons de valência são livres para se deslocar através de todo o cristal.
COMPARAÇÃO ENTRE AS LIGAÇÕES
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TRANSIÇÃO ENTRE OS PRINCIPAIS TIPOS DE LIGAÇÃO: IÔNICA, COVALENTE E METÁLICA
AS LIGAÇÕES QUÍMICAS SÃO INTERMEDIÁRIAS ENTRE ESSES TRÊS TIPOS E POSSUEM ALGUMAS CARACTERÍSTICAS DE DUAS DELAS, AS VEZES DAS TRÊS LIGAÇÕES.
I2 - ClF – OF2 - NF3 – CCl4 – BF3 – BeF2 – Na2O
Li –Na3Bi–Na3Sb – Na3As – Na3P – Na3N – Na2O– CsF Lin – Agn – Snn – Asn – Ten – Sn – I2
LIGAÇÃO METÁLICA
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LIGAÇÃO METÁLICALIGAÇÃO METÁLICA
Os metais são formados por íons positivos empacotados, normalmente segundo um dos três arranjos
Cúbico de corpo centrado: elementos do grupo 1 e Bário Cúbico de face
centrada:Cu e Ca
Denso hexagonal: Be e Mg
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Modelo de Mar de Elétrons para a Ligação Metálica
• Utilizamos um modelo deslocalizado para os elétrons em um metal.
– Os cátions metálicos estão imersos num mar de elétrons.
– Nenhum elétron é localizado entre dois átomos de metal.
– Assim, os elétrons podem fluir livremente através do metal.
LIGAÇÃO METÁLICALIGAÇÃO METÁLICA
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– Sem quaisquer ligações definidas, os metais são fáceis de deformar (são maleáveis e dúcteis).
• Problemas com o modelo do mar de elétrons:
– À medida que o número de elétrons aumenta, a força da ligação deveria aumentar e o ponto de fusão deveria aumentar.
LIGAÇÃO METÁLICALIGAÇÃO METÁLICA
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LIGAÇÃO METÁLICALIGAÇÃO METÁLICAILUSTRAÇÃO DO MODELO DO MAR ILUSTRAÇÃO DO MODELO DO MAR
DE ELÉTRONSDE ELÉTRONS
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LIGAÇÃO METÁLICA – OUTRA ILUSTRAÇÃO LIGAÇÃO METÁLICA – OUTRA ILUSTRAÇÃO DO MODELO DO MAR DE ELÉTRONSDO MODELO DO MAR DE ELÉTRONS
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Na ilustração esquemática do modelo do mar de elétrons cada esfera é um íon metálico carregado positivamente.
Nesse modelo o metal é visualizado como uma rede de cátions metálicos imersos em um mar de elétrons como ilustrado na figura anterior.
LIGAÇÃO METÁLICA – MODELO LIGAÇÃO METÁLICA – MODELO DO MAR DE ELÉTRONSDO MAR DE ELÉTRONS
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O modelo do mar de elétrons não explica adequada-mente todas as propriedades.
De acordo com o modelo, a força da ligação entre os átomos metálicos deveria aumentar à medida que o número de elétrons de valência aumenta, aumentando consequentemente o PF à medida que o número de elétrons de valência aumenta.
LIGAÇÃO METÁLICA – MODELO LIGAÇÃO METÁLICA – MODELO DO MAR DE ELÉTRONSDO MAR DE ELÉTRONS
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DIFICULDADE:
Entretanto, os metais do grupo 6 (Cr, Mo,W), que estão no centro dos metais de transição, têm os mais altos PF em seus respectivos períodos.
LIGAÇÃO METÁLICA – MODELO LIGAÇÃO METÁLICA – MODELO DO MAR DE ELÉTRONSDO MAR DE ELÉTRONS
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LIGAÇÃO METÁLICA – LIGAÇÃO METÁLICA – MODELO MODELO
DO MAR DE ELÉTRONSDO MAR DE ELÉTRONS
Tabela 2 - Pontos de Fusão de Alguns Metais de Transição
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Modelo do Orbital Molecular Para os Metais
• A ligação deslocalizada requer que os orbitais atômicos em um átomo interajam com orbitais atômicos de átomos vizinhos.
• Exemplo: os elétrons da grafita estão deslocalizados sobre um plano inteiro, as moléculas de benzeno têm elétrons deslocalizados sobre um anel.
LIGAÇÃO METÁLICALIGAÇÃO METÁLICA
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Modelo do Orbital Molecular Para os Metais
• Lembre-se: o número de orbitais moleculares é igual ao número de orbitais atômicos.
• Nos metais há um número muito grande de orbitais.
LIGAÇÃO METÁLICALIGAÇÃO METÁLICA
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OS ELÉTRONS PI DESLOCALIZADOS OS ELÉTRONS PI DESLOCALIZADOS NO ANEL BENZÊNICONO ANEL BENZÊNICO
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Modelo do Orbital Molecular Para os Metais
• À medida que o número de orbitais aumenta, sua diferença de energia diminui e eles formam uma banda contínua de estados de energia permitidos.
• O número de elétrons não preenche completamente a banda de orbitais.
LIGAÇÃO METÁLICALIGAÇÃO METÁLICA
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Modelo do Orbital Molecular Para os Metais
• Conseqüentemente, os elétrons podem ser promovidos para bandas de energia desocupadas.
• Uma vez que as diferenças de energia entre os orbitais são pequenas, a promoção de elétrons ocorre com um pequeno gasto de energia.
LIGAÇÃO METÁLICALIGAÇÃO METÁLICA
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•
Orbitais moleculares ligantes
Orbital molecular ligante
Orbital molecular antiliganteOrbitais atômicos
FORMANDO ORBITAIS MOLECULARES A PARTIR DE ORBITAIS ATÔMICOS
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LIGAÇÃO METÁLICALIGAÇÃO METÁLICA
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A ilustração anterior mostra que a medida que o número de orbitais moleculares aumenta diminui a
separação energética entre estes orbitais.
Nos metais a interação de um número muito grande de orbitais forma uma banda aproximadamente contínua de orbitais moleculares deslocalizados
por toda a rede metálica.
O número de elétrons disponível não preenche completamente esses orbitais.
LIGAÇÃO METÁLICALIGAÇÃO METÁLICA
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Modelo do Orbital Molecular Para os Metais
• Ao movermos ao longo da série de metais de transição, a banda antiligante começa a ficar preenchida.
• Desta forma, a primeira metade da série de metais de transição tem apenas interações ligante-ligante, a segunda metade tem interações ligante-antiligante.
LIGAÇÃO METÁLICA LIGAÇÃO METÁLICA
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Modelo do Orbital Molecular Para os Metais
• Espera-se que o meio da série de metais de transição tenha os pontos de fusão mais altos.
• O intervalo de energia entre as bandas é chamado de intervalo de bandas, nível proíbido ou lacuna de banda.
LIGAÇÃO METÁLICA LIGAÇÃO METÁLICA
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ISOLANTES, CONDUTORES E ISOLANTES, CONDUTORES E SEMICONDUTORES INTRÍNSECOSSEMICONDUTORES INTRÍNSECOS
Tabela 3 :
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ISOLANTES, CONDUTORES EISOLANTES, CONDUTORES E SEMICONDUTORES INTRÍNSECOSSEMICONDUTORES INTRÍNSECOS
Banda de Banda de Banda de
Banda de Banda de Banda de
Grande lacuna Grande lacuna entre as bandasentre as bandas Pequena lacuna
entre as bandas
Ex: Silício Ex: Lítio Ex: Diamante
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A condutividade elétrica de um semicondutor pode ser modificada adicionando-se pequenas quantidades de outras substâncias.
Esse processo é denominado dopagem.Consideremos o que acontece quando o Si é dopado
com elementos do grupo 15 como P, As, Sb ou Bi.Os átomos de P substitui o Si em posições aleatórias
na estrutura.Entretanto o P possui 5 elétrons de valência por
átomo, enquanto o Si possui 4 elétrons de valência.
SEMICONDUTORES EXTRÍNSECOSSEMICONDUTORES EXTRÍNSECOS
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Em um semicondutor do tipo “n” (por exemplo Si dopado com As) um nível doador está próximo da banda de condução em termos de energia.
Em um semicondutor do tipo “p” ( por exemplo Si dopado com Ga) a condutividade elétrica é devida a um nível receptor ser populado termicamente o que deixa vazios (buracos positivos) na banda inferior
SEMICONDUTORES EXTRÍNSECOSSEMICONDUTORES EXTRÍNSECOS
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Semicondutores Extrínsecos
Os semicondutores extrínsecos contêm dopantes; um dopante é uma impureza introduzida em um semicondutor em quantidades mínimas para reforçar a sua condutividade elétrica.
SEMICONDUTORES EXTRÍNSECOSSEMICONDUTORES EXTRÍNSECOS
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Semicondutores Íntrínsecos:Se um material se comporta como um semicondutor
sem a adição de dopantes, ele é um semicondutor intrínseco.
NÍVEL DE FERMIO nível de energia do orbital mais alto ocupado em
um metal no zero absoluto é chamado nível de Fermi
SEMICONDUTORES INTRÍNSECOSSEMICONDUTORES INTRÍNSECOS
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SEMICONDUTORES INTRÍNSECOS E SEMICONDUTORES INTRÍNSECOS E EXTRÍNSECOSEXTRÍNSECOS
BANDA DE CONDUÇÃO
BANDA DE VALÊNCIA
Nível doador
Nível receptor
Silício puroSilício dopado com Fósforo .Semicondutordo tipo “n”
Silício dopado comGálio.Semicondutordo tipo “p”
BANDA DE CONDUÇÃO
INTRÍNSECO EXTRÍNSECO EXTRÍNSECO
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No silício puro (semicondutor intrínseco) os elétrons da banda de valência apenas preenchem a banda de energia permitida de mais baixa energia.
No Si dopado com P (semicondutor extrínseco) o excesso de elétrons ocupa os orbitais de mais baixa energia na banda de condução. Esses elétrons são capazes de conduzir corrente elétrica.
SEMICONDUTORES INTRÍNSECOS E SEMICONDUTORES INTRÍNSECOS E EXTRÍNSECOSEXTRÍNSECOS
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No Si dopado com Ga ( semicondutor extrínseco) não existem elétrons em número suficiente para ocupar completamente a banda de valência. A presença de orbitais vazio nessa banda permite a passagem de corrente.
SEMICONDUTORES EXTRÍNSECOSSEMICONDUTORES EXTRÍNSECOS
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Se o Si é dopado com um elemento do grupo 13 como o Ga, In e Tl , a banda de valência está preenchida de maneira incompleta porque o Ga, In e Tl tem 3 elétrons na camada de valência.
Nesse caso os elétrons podem mover-se dos orbitais moleculares ocupados para aqueles que estão vazios na banda de valência.
SEMICONDUTORES EXTRÍNSECOSSEMICONDUTORES EXTRÍNSECOS
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O Si dopado com Ga, In ou Tl é chamado semicondutor do tipo “p” porque esta dopagem cria sítios vagos de elétrons que podem ser tratados como buracos positivos no sistema.
SEMICONDUTORES EXTRÍNSECOSSEMICONDUTORES EXTRÍNSECOS
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As ligas têm mais de um elemento com características de metais.
• Os metais puros e as ligas têm propriedades físicas diferentes.
• Na joalheria, usa-se uma liga de ouro e cobre (a liga é bastante dura; o ouro puro é muito macio).
• As ligas de solução são misturas homogêneas.• Ligas heterogêneas: os componentes não estão
dispersos uniformemente (por exemplo, aço de perlita tem duas fases: Fe quase puro e cementita, Fe3C).
LIGASLIGAS
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QUADRO 2 - ALGUMAS LIGAS COMUNSQUADRO 2 - ALGUMAS LIGAS COMUNS
• .ELEMENTOPRIMÁRIO
NOME DA LIGA COMPOSIÇÃO EMMASSA
BISMUTO METAL DE MADEIRA
50% Bi, 25% Pb, 12,5% Sn, 12,5% Cd
COBRE LATÃO AMARELO 67% Cu, 33% Zn
FERRO AÇO INOXIDÁVEL 80,6 Fe, 0,4%C,18% Cr, 1% Ni
CHUMBO SOLDA DE CHUMBO
67% Pb, 33% Sn
PRATA PRATA ESTERLINA 92,5% Ag, 7,5% Cu
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Existem dois tipos de ligas de solução :– Liga substitucional (os átomos do soluto tomam
as posições do solvente);– Liga intersticial (o soluto ocupa sítios
intersticiais na rede metálica).• Nas ligas substitucionais:
– os átomos devem ter raios atômicos semelhantes, e características de ligação química.
– Um exemplo é a prata esterlina.
LIGAS DE SOLUÇÃOLIGAS DE SOLUÇÃO
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• Nas ligas intersticiais:– um elemento deve ter um raio
significativamente menor do que o outro (para que caiba no sítio intersticial), por exemplo, um não-metal.
– A liga é bem mais forte do que o metal puro (ligação fortalecida entre não-metal e metal).
– Exemplo: aço (contém até 3% de carbono).
LIGAS DE SOLUÇÃOLIGAS DE SOLUÇÃO
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• NA LIGA HETEROGÊNEA OS COMPONENTES NÃO ESTÃO DISPERSOS UNIFORMEMENTE.
• EM GERAL, AS PROPRIEDADES DAS LIGAS HETEROGÊNEAS DEPENDEM NÃO APENAS DA COMPOSIÇÃO MAS TAMBÉM DA MANEIRA PELA QUAL O SÓLIDO É FORMADO A PARTIR DA MISTURA FUNDIDA.
LIGAS HETEROGÊNEASLIGAS HETEROGÊNEAS
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– O RESFRIAMENTO RÁPIDO LEVA A PROPRIEDADES DISTINTAS DAQUELAS QUE SÃO OBTIDAS PELO RESFRIAMENTO LENTO.
LIGAS HETEROGÊNEASLIGAS HETEROGÊNEAS
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LIGA SUBSTITUCIONAL A ESQUERDA LIGA SUBSTITUCIONAL A ESQUERDA E INTERSTICIAL A DIREITAE INTERSTICIAL A DIREITA
LIGA SUBSTITUCIONAL LIGA INTERSTICIAL
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OS COMPOSTOS INTERMETÁLICOS SÃO LIGAS HOMOGÊNEAS QUE TÊM PROPRIEDADES E COMPOSIÇÕES DEFINIDAS.– Ex: CuAl2, MgZn2, Cu3Au, NaTl, Na5Zn21.– OUTROS EXEMPLOS : Ni3Al → PRINCIPAL
COMPONENTE DO MOTOR DE AERONAVES A JATO DEVIDO A SUA RESISTÊNCIA E BAIXA DENSIDADE.
– Cr3Pt → REVESTIMENTO DE LÂMINA DE NAVALHA
COMPOSTOS INTERMETÁLICOSCOMPOSTOS INTERMETÁLICOS
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TABELA 4 : TIPOS DE SÓLIDOS CRISTALINOSTABELA 4 : TIPOS DE SÓLIDOS CRISTALINOSTIPO DE SÓLIDO FORMA DAS
PARTÍCULASUNITÁRIAS
FORÇA ENTRE ASPARTÍCULAS
EXEMPLOS
MOLECULAR ÁTOMOS EMOLÉCULAS
FORÇAS DE DISPERSÃO DE
LONDON, FORÇAS DIPOLO-
DIPOLO, LIGAÇÕES DE HIDROGÊNIO
ARGÔNIO, METANO,
SACAROSE,GELO SECO, H2O
COVALENTE
ÁTOMOS LIGADOS EM
UMA REDE DE LIGAÇÕES
COVALENTES
LIGAÇÕES COVALENTES
DIAMANTE, QUARTZO, SiO2
SiC, Al2O3
IÔNICOÍONS POSITIVOS
E NEGATIVOSLIGAÇÕESIÔNICAS
CLORETO DE SÓDIO, NITRATO
DE CÁLCIO
METÁLICO ÁTOMOS LIGAÇÕES METÁLICAS
TODOS OS ELEMEN-TOS METÁLICOSEx: Na, Ag, Fe, W