V - PROPRIEDADES GERAIS DOS MATERIAIS
5.1- Ligação química nos sólidos
- Energias e forças de ligações
- Ligações interatômicas primárias
- Ligação de Van der Waals
• 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.
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2
3
4
Somente no início do séc. XX, surgiram os primeiros modelos
consistentes de ligações químicas, quando o químico norteamericano Lewis e o químico alemão Kossel propuseram,
respectivamente, as teorias da ligação covalente e da ligação
iônica. Alguns pontos comuns podem ser destacados entre
essas teorias:
a) Só participavam das ligações os elétrons da última camada,
posteriormente chamados de elétrons de valência.
b) Os átomos ligavam-se obedecendo a uma mesma norma
geral: a regra do octeto.
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Na natureza, os únicos elementos químicos formados por átomos isolados e
estáveis são os gases nobres. Foi devido ao fato de esses gases, com exceção do
hélio, possuírem oito elétrons na última camada, que surgiu a regra do octeto.
Segundo Lewis e Kossel, os gases nobres seriam verdadeiros referenciais de
estabilidade para os demais elementos químicos. Assim, os átomos participariam
de ligações químicas com uma única meta: adquirir estabilidade semelhante à de
um gás nobre. Para tanto, deveriam sofrer modificações em sua eletrosfera, de
modo que ficassem com oito elétrons na última camada, como a maioria dos
gases nobres. Atualmente, são conhecidas muitas exceções à regra do octeto. A
maioria dos metais de transição, por exemplo, não adquire configuração de gás
nobre em seus compostos. Por isso, a regra do octeto deve ser encarada como
orientação geral, mas não pode ser considerada como lei natural.
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5.2 - Classificação de acordo com a natureza da ligação
química
● Metais:
– Ligação “metálica” Þ elétrons localizados na banda de condução
mantém os caroços catiônicos unidos
● Polímeros:
– Formado por elementos leves com ligações ao longo da cadeia
de natureza covalente e, portanto, forte.
– Ligação entre as cadeias do polímero é fraca
● Semicondutores:
– Ligações covalentes
● Cerâmicas (Isolantes inorgânicos):
– Ligações iônicas e/ou covalentes
7
8
9
Esse diagrama originou-se no modelo atômico idealizado por Niels Bohr, em
que os elétrons estariam girando ao redor do núcleo em órbitas de energia
quantizada. Essas órbitas seriam infinitas, mas são estudadas apenas 7,
denominadas: K, L, M, N, O, P e Q.
Cada uma delas suporta um número máximo de elétrons, conforme se observa
no diagrama acima. A última camada preenchida pelos elétrons de um átomo
recebe o nome de camada de valência e os elétrons ali contidos, elétrons de
valência. São eles que participam diretamente das interações entre átomos.
10
Configuração eletrônica do estado fundamental dos elementos
11
5.3 - CLASSIFICAÇÃO PERIÓDICA DOS ELEMENTOS
QUÍMICOS
O agrupamento de todos os átomos iguais, isto é, com o mesmo número de
prótons, recebe o nome de elemento químico. O elemento cloro, por exemplo,
é encontrado na natureza nas formas 35Cl e 37Cl.
Uma maneira interessante de se tabelar todos os elementos foi através da
Classificação Periódica, que obedece ao princípio do número atômico
(quantidade de prótons) crescente.
Essa disposição dos elementos é feita obedecendo a quantidade de camadas
de energia preenchidas pelos elétrons de um determinado elemento e a
quantidade de elétrons na camada de valência.
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Cada linha horizontal da tabela periódica (período) tem todos os
elementos que possuem a quantidade de camadas representada pelo
número dessa linha. Por exemplo, o 1º período da Tabela Periódica tem
dois elementos, H e He, os dois preenchem apenas a camada K de
energia com seus elétrons. E assim por diante.
Cada linha vertical da Tabela Periódica (família) tem todos os
elementos com a mesma quantidade de elétrons na camada de
valência. Por exemplo, os elementos F, Cl, Br, I e At (pertencentes à
família 17/7A) têm, todos eles, 7 elétrons de valência (o número da
família "A“ indica a quantidade de elétrons na última camada).
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Uma família bastante peculiar da Classificação Periódica é a 18
(antiga 8A ou família 0), que é a família dos gases nobres. Todos
os elementos pertencentes a essa família têm 8 elétrons de
valência (exceção feita ao He que possui apenas 2 elétrons de
valência em virtude de possuir somente a camada K) e são
bastante estáveis, dificilmente participando de ligações
químicas.
Das 18 famílias da Classificação Periódica, interessam-nos
apenas as antigas famílias "A" (1A, 2A, 3A, 4A, 5A, 6A e 7A).
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5.4 - TABELA PERIÓDICA
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Metais na tabela periódica
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Cerâmicas na tabela periódica
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Polímeros na tabela periódica
18
Semicondutores na tabela periódica
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RAIO ATÔMICO
É a medida da distância entre o núcleo e a camada de valência de um
determinado átomo. Varia de acordo a ilustração abaixo:
Na família, o raio atômico aumenta conforme se desce na família, pois nesse
sentido aumenta-se a quantidade de camadas preenchidas pelos elétrons.
No período, o raio atômico aumenta da direita para a esquerda. No período,
todos os elementos possuem a mesma quantidade de camadas, porém, com
o aumento da quantidade de prótons (número atômico), a força de atração
aumenta, diminuindo a distância entre prótons e elétrons.
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ELETRONEGATIVIDADE
É a medida da capacidade que um determinado átomo tem em atrair os
elétrons de uma ligação para si.
Varia conforme a ilustração abaixo:
Observe que a eletronegatividade varia contrariamente ao raio atômico.
Quanto menor o raio, maior será a atração dos prótons para com os elétrons da
ligação, pois o núcleo está mais próximo.
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• 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
5.5 - TIPOS DE LIGAÇÕES
•
•
•
•
Metálica
Covalente
Iônica
Van der Waals
A eletronegatividade dos átomos é o que determina o tipo de ligação
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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.
23
FORÇA DE LIGAÇÃO 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.
Inclinação
fornece
Módulo E
Deformação medida ()
24
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
Filme
Devido as forças 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 aquecidos25
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
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TIPOS DE LIGAÇÕES
• 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
Átomo+elétrons das camadas mais internas
Elétrons de valência
27
Ligação Metálica

É o tipo de ligação que ocorre entre os átomos de metais.
 Os átomos dos elementos metálicos apresentam forte
tendência a doarem seus elétrons de última camada.
 Quando muitos destes átomos estão juntos num cristal
metálico, estes perdem seus elétrons da última camada.
 Forma-se então uma rede ordenada de íons positivos
mergulhada num mar de elétrons em movimento aleatório
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Propriedade dos metais





Brilho metálico característico;
Resistência à tração;
Condutibilidade elétrica e térmica elevadas;
Alta densidade;
Maleabilidade(se deixarem reduzir à chapas e
lâminas finas);
 Ductilidade(se deixarem transformar em fios);
 Ponto de fusão elevado;
 Ponto de ebulição elevado.
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TIPOS DE LIGAÇÕES
• 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.
Ex: metano (CH4)
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TIPOS DE LIGAÇÕES
• 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
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LIGAÇÃO IÔNICA
• As forças atrativas eletrostáticas entre os átomos é nãodirecional
os átomos num material iônico arranjamse 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
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Figura copiada do material do Prof. Sidnei Paciornik do
Departamento de Ciência dos Materiais e Metalurgia da PUC-Rio
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FORÇAS DE ATRAÇÃO E REPULSÃO
ENVOLVIDAS EM SÓLIDOS IÔNICOS
-A/r2
 FR= B/rn
 A, B e n são valores que
dependem do sistema iônico em
questão
 FA=
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LEI DE COULOMB
• Forças atrativas
FA
• 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)
•
0 é a permissividade do vácuo (8,85x10
-12
F/m)
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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
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CONSIDERAÇÕES SOBRE LIGAÇÃO IÔNICA E
COVALENTE
• 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%
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TIPOS DE LIGAÇÕES

 Van
der Waals


Metálica
 Covalente
 Iônica



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
A ligação é gerada por pequenas assimetrias na distribuição de cargas
LIGAÇÃO DE VAN DER WAALS
EXEMPLO: MOLÉCULA DE ÁGUA
á
g
u
a
H
OH
• 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 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.
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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!
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NANOTUBOS DE CARBONO

Foram descobertos 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
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