ASSUNTO
2. Ligação química nos
sólidos
- Energias e forças de ligações
- Ligações interatômicas primárias
- Ligação de Van der Waals
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)
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
TIPOS DE LIGAÇÕES
 Metálica
 Covalente
 Iônica
 Van
der Waals
A eletronegatividade dos átomos é o que determina o tipo de
ligação
FORÇAS E ENERGIAS DE
LIGAÇÃO
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.
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.
Inclinação
fornece
Módulo E
Deformação medida ()
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 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
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
TIPOS DE LIGAÇÕES

Metálica


Covalente
 Iônica
 Van der Waals



Elétrons de valência
Átomo+elétrons das camadas mais internas

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

Covalente
 Metálica
 Iônica
 Van der Waals





Ex: metano (CH4)
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.
Figura copiada do material do Prof. Sidnei Paciornik do
Departamento de Ciência dos Materiais e Metalurgia da PUC-Rio
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
LIGAÇÃO IÔNICA

As forças atrativas eletrostáticas entre os átomos é

não-direcional
os 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
Figura copiada do material do Prof. Sidnei Paciornik do
Departamento de Ciência dos Materiais e Metalurgia da PUC-Rio
FORÇAS DE ATRAÇÃO E REPUSÃO
ENVOLVIDAS EM SÓLIDOS IÔNICOS
-A/r2
 FR= B/rn
 A, B e n são valores que
dependem do sistema iônico em
questão
 FA=
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)
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
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%
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 assimetria
na distribuição de cargas
LIGAÇÃO DE VAN DER WAALS
EXEMPLO: MOLÉCULA DE ÁGUA
á
g
u
a
H
o
H

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.
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!
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