Capítulo 6: Estrutura dos Materiais
Ligação química e propriedades
Questões a abordar...
• O que promove a ligação química?
• Que tipos de ligações químicas existem?
• Que propriedades dependem da ligação química?
Capítulo 6 - 1
Estrutura Atómica
•  átomo –
electrões – 9.11 x 10-31 kg
protões
-27 kg
1.67
x
10
neutrões
}
•  número atómico = nº protões no núcleo do átomo
= nº electrões
•  unidade de massa atómica = uma = 1/12 massa de 12C
(6 protões + 6 neutrões)
Peso atómico = peso de 1 mole (6,023 x 1023) moléculas ou
átomos
1 uma/átomo = 1g/mol
Capítulo 6 - 2
Estrutura Atómica
•  Os electrões de valência determinam
as seguintes propriedades
1)  químicas
2)  eléctricas
3)  térmicas
4)  ópticas
Capítulo 6 - 3
Estrutura Electrónica
•  Electrões têm comportamento de onda e partícula
–  Isto significa que os electrões estão em orbitais definidas
por uma probabilidade
–  Cada orbital é definida por um nível de energia discreto
determinado por números quânticos
Nº Quântico
Designação
n = principal (nível de energia-camada)
l = secundário (orbitais)
ml = magnético
ms = spin
K, L, M, N, O (1, 2, 3,…7)
s, p, d, f (0, 1, 2, 3,…, n -1)
1, 3, 5, 7 (-l a +l)
½, -½
Capítulo 6 - 4
Estados de Energia dos Electrões
Electrões...
• têm estados de energia discretos
• tendem a ocupar o estado de menor energia disponível
4d
4p
camada N n = 4
3d
4s
Energia
3p
3s
camada M n = 3
2p
2s
camada L n = 2
1s
camada K n = 1
Capítulo 6 - 5
ELEMENTOS
• Maioria dos elements tem configuration electrónica não estável. Porquê?
Elemento
Hidrogénio
Hélio
Lítio
Berílio
Boro
Carbono
...
Nº Atómico
1
2
3
4
5
6
Neon
Sódio
Magnesio
Alumínio
...
10
11
12
13
1s
1s
1s
1s
...
Árgon
...
Kripton
18
...
36
1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6
...
1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 3d
Configuração electrónica
1s 1
1s 2
(estável)
1s 2 2s 1
1s 2 2s 2
1s 2 2s 2 2p 1
1s 2 2s 2 2p 2
...
2 2s 2 2p 6
(estável)
2 2s 2 2p 6 3s 1
2 2s 2 2p 6 3s 2
2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 1
(estável)
10
4s 2 4p
6
(estável)
• A camada de valência não está completamente preenchida.
Capítulo 6 - 6
Configuração electrónica
•  Electrões de valência (em camadas não totalmente
preenchidas)
•  Camadas preenchidas mais estáveis
•  Electrões de valência estão mais disponíveis para
ligação e tendem a controlar as propriedades
químicas
•  exemplo: C (nº atómico = 6)
1s2 2s2 2p2
electrões de valência
Capítulo 6 - 7
Configuração electrónica
ex: Fe - nº atómico= 26 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 3d 6 4s2
4d
4p
Camada N n = 4
electrões de
valência
3d
4s
Energia
3p
3s
Camada M n = 3
2p
2s
Camada L n = 2
1s
Camada K n = 1
Capítulo 6 - 8
A Tabela Periódica
H
aceitam 2e
aceitam 1e
Gases inertes
dão 1e
dão 2e
dão 3e
• Colunas: Estrutura de valência semelhante
He
Li Be
O
F Ne
Na Mg
S
Cl Ar
K Ca Sc
Rb Sr
Y
Cs Ba
Se Br Kr
Te
I
Xe
Po At Rn
Fr Ra
Elementos Electropositivos:
cedem electrões
tornando-se iões +
Elementos Electronegativos:
aceitam electrões
tornando-se iões Capítulo 6 - 9
Electronegatividade
• Varia de 0.7 a 4.0,
• Valores elevados: tendência para aceitar electrões.
electronegatividade baixa
electronegatividade elevada
Capítulo 6 - 10
Tipos de Ligações Químicas
Ligações Primárias (fortes)
• 
• 
• 
• 
Ligação iónica
Ligação covalente
Ligação metálica
Ligações mistas
Ligações Secundárias (fracas)
•  Ligação de Van der Waals
•  Ligação de Hidrogénio
Capítulo 6 - 11
Ligação iónica – metal
+
cede
electrões
não-metal
aceita
electrões
Electronegatividades diferentes
ex: MgO
Mg
1s2 2s2 2p6 3s2
[Ne] 3s2
Mg2+ 1s2 2s2 2p6
[Ne]
O
1s2 2s2 2p4
O2- 1s2 2s2 2p6
[Ne]
Capítulo 6 - 12
Ligação Iónica
•
•
•
•
Ocorre entre iões + e Requer transferência de electrões
Requer elevada diferença de electronegatividades
Exemplo: NaCl
Na (metal)
instável
Cl (não-metal)
instável
electrão
Na (catião)
estável
+
Atracção
de Coulomb
Cl (anião)
estável
Capítulo 6 - 13
Ligação Iónica
•  Energia – mínimo de energia -> mais estável
–  Balanço de energia entre os termos atractivo e repulsivo
Energia repulsiva ER
Distância interiónica, r
Energia total ET
ET = EA + ER
Energia atractiva EA
Capítulo 6 - 14
Exemplos: Ligação Iónica
• Ligação química predominante nos Materiais Cerâmicos
NaCl
MgO
CaF 2
CsCl
Cedem electrões
Aceitam electrões
Capítulo 6 - 15
Ligação Covalente
•  electronegatividades semelhantes ∴ partilha de electrões
•  ligações determinadas pela valência – orbitais s e p
dominam a ligação
•  Exemplo: CH4
e -,
C: tem valência 4
necessita mais 4 e-
CH 4
H: tem valência 1 e-,
necessita mais 1 e-
H
H
C
H
electrões partilhados
do átomo de carbono
H
electrões partilhados
dos átomos de
hidrogénio
Capítulo 6 - 16
Ligação Metálica
•  Ligação Metálica - deslocalizada como nuvem de
electrões
“Núcleos” positivos
Electrões livres (fracamente ligados
aos núcleos) podem mover-se
facilmente
•  Elevada condutividade
térmica e eléctrica
Mar de electrões livres (electrões de valência)
Capítulo 6 - 17
Ligações Mistas
•  Ligação mista iónica-covalente
% carácter iónico =

(X A −X B )2 
−


4
1− e
 x (100 %)




onde XA e XB são electronegatividades de Pauling
€
Ex: MgO
XMg = 1.3
XO = 3.5


2
(3.5 −1.3) 

−
 x (100%) = 70.2% iónico
4
% carácter iónico = 1− e






Capítulo 6 - 18
Ligações Secundárias
Surgem da interacção entre dipólos
• Dipólos flutuantes
ex: líquido H 2
H2
H2
Nuvem electrões assimétrica
+
-
ligação
secundária
+
-
H H
H H
ligação
secundária
• Dipólos permanentes - molécula induzida
-caso geral:
+
-ex: HCl líquido
H Cl
-ex: polímero
ligaçã
-
o sec
undá
ligação
secundária
+
ligação
secundária
H Cl
-
ria
Capítulo 6 - 19
Resumo: Ligações químicas
Tipo
Energia de ligação Observações
Iónica
Elevada!
Não-direccional (cerâmicos)
Covalente
Variável
Elevada-Diamante
Baixa-Bismuto
Direccional
(semicondutores, cerâmicos,
cadeias polímeros)
Metálica
Variável
Elevada-Tungsténio
Baixa-Mercúrio
Não-direccional (metais)
Secundária
Muito baixa
Direccional
entre-cadeias (polímeros)
inter-molecular
Capítulo 6 - 20
Propriedades dependentes da
Ligação Química: Tf
• Distância interatómica, r
• Temperatura de Fusão, Tf
Energia
r
• Energia de ligação, Eo
ro
Energia
r
Tf baixa
Distância interatómica
ro
r
Eo
Tf elevada
Tf é mais elevada se Eo for maior.
Capítulo 6 - 21
Propriedades dependentes da
Ligação química: α
• Coeficiente de expansão térmica, α
Lo
T1
ΔL
= α (T2 -T1)
Lo
ΔL
aquecido, T2
Energia
Distância interatómica
ro
r
Eo
Eo
α é elevado se Eo for baixo
elevado α
baixo α
Capítulo 6 - 22
Resumo: Ligações Primárias
Cerâmicos
Energia de ligação elevada
(Ligações iónica e covalente):
Metais
Tf elevada
E elevado
α baixo
Energia de ligação variável
(Ligação Metálica):
Tf moderada
E moderado
α moderado
Polímeros
Propriedades Direccionais
(Ligações covalente
e secundárias):
Ligação Secundária domina
Tf baixa
E baixo
α elevado
Ligaç
ão se
cund
ária
Capítulo 6 - 23