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Engenharia e Cincia dos Materiais Prof.: Benigno Roberto Zaki

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Materiais I2.Estrutura Atmica e Ligaes Interatmica

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1. IntroduoQuando efetuamos um estudo sobre ligaes atmicas e interatmicas nos slidos nos prmite explicar as propriedades de um material. Algumas das propriedades importantes dos materiais slidos dependem dos arranjos dos tomos e das iteraes existentes entre tomos/molculas constituintes.

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ANH ANHANGUERA EDUCACIONALDesta forma, so conceitos fundamentais e importantes neste estudo: Estrutura atmica, Configuraes eletrnicas dos tomos, Tabela peridica e As ligaes primrias

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2. Estrutura atmicaConceitos fundamentais O tomo composto basicamente de nutrons, prtons e eltrons.

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ANH ANHANGUERA EDUCACIONAL Nutrons, Prtons e Eltronsmassa do e- = 1/1836 x massa do nutron carga do e - = - 1,6 x 10-19 = carga do prton x (-1) Massa Atmica e Nmero Atmico A massa atmica proporcional ao nmero de prtons e nutrons no ncleo. Cada elemento ou tomo caracterizado pelo nmero de prtons no seu ncleo, ou seja, pelo nmero atmico (Z).

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ANH ANHANGUERA EDUCACIONAL O nmero atmico (Z) varia em unidades inteiras, de 1 (prton) para o Hidrognio (H) e 94 (prtons e eltrons) para o Plutnio (Pu). A partir desse elemento, os demais se situam no grupo dos actindeos sintetizados aps bombardeamento ao Pu. (em 5 de dezembro de 2011 o Ununhxio (Unun-hxio) foi oficializado como Livermrio (Lv), peso atmico 116) Para tomos eletricamente neutro o nmero de eltrons igual ao nmero de prtons.

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ANH ANHANGUERA EDUCACIONAL A massa atmica (A) de um tomo expressa como o somatrio das massas dos prtons e dos nutrons no interior do ncleo. O nmero de prtons (Z) uma constante para cada elemento, no entanto o nmero de nutrons (N) pode variar de algumas unidades, cujos elementos so chamados de istopos. Desta forma, a massa atmica (A) de um elemento Estrutura Atmica e Ligao Interatmica a mdia ponderada das massas atmicas de todos os istopos daquele elemento que ocorrem na natureza.Prof.: Roberto Zaki

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ANH ANHANGUERA EDUCACIONAL A Unidade de Massa Atmica (UMA) empregada para clculos de peso atmico. Por definio 1 UMA representa 1/12 da massa do istopo de carbono mais comum, o carbono 12 (12C) (massa atmica A = 12,00000). No entanto, neste mtodo, as massas reais dos prtons e dos nutrons so ligeiramente maiores do que a unidade, e A Z (prtons) + N (nutons)

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ANH ANHANGUERA EDUCACIONAL Especifica-se tambm o peso atmico (A) de um elemento ou peso molecular em UMA por tomo/molcula ou massa por mol de material. 1 mol = 6,023 x 1023 tomos ou molculas

ou seja,1 UMA/tomo = 1 g/mol O significado disto que 55,85 UMA/tomo de ferro ou 55,85 g / mol de ferro existem exatamente 6,023 x 1023 tomos de ferro, pois esse a seu peso atmico ou massa atmica.Prof.: Roberto Zaki

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ANH ANHANGUERA EDUCACIONAL Verificando o entendimento1) a)Qual a massa, em gramas, de um tomo de Cu ? b) Quantos tomos de Cu h em 1 g de Cu ? Dados: massa atmica Cu = 63,54 g/mol Soluo:

a) b)

63,54 g/mol Cu = x g Cu 23 tomos/mol 6,023. 10 1tomo

x = 1,05. 1022

6,023. 1023 tomos/mol = x tomo Cu 63,54 g/mol Cu 1 g Cu

x = 9,47. 1021 tomos

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ANH ANHANGUERA EDUCACIONAL2) Em uma liga 75% em peso de Cu e 25% em peso de Ni, qual aproporo atmica de Cu e Ni ? Dados: massa atmica Cu = 63,54 g/mol , massa atmica Ni = 58,69 g/mola) Num. Moles Cu = 75g = 1,1803 mol 63,54 g/mol Num. Moles Ni = 25g = 0,4260 mol 58,71 g/mol Grama/ mol total = 1,1803 + 0,4260 = 1,6063 mol

b) % atmica Cu = 1,1803 mol x 100 = 73,5% 1,6063 mol % atmica Ni = 0,4260 mol 1,6063 molProf.: Roberto Zaki

x 100 = 26,5%

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ANH ANHANGUERA EDUCACIONALEletrons nos tomos Modlos Atmicos No final do sculo XIX inmeros fenmenos associados aos eltrons no podiam ser explicados em termos da mecnica Ento, foram estabelecidos uma srie de princpios e leis que governam as entidades atmicas e subatmicas, conhecidas como mecnica quntica.

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ANH ANHANGUERA EDUCACIONAL O modelo atmico de Bohr assume que os eltrons orbitam ao redor do ncleo atmico em orbitais distintas, mas muito bem definidas.

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ANH ANHANGUERA EDUCACIONAL Os estados (ou nveis) energticos no variam continuamente com a energia, esto separados por energia finitas. Exemplo: figura do tomo de H de Bohr. O zero de referncia o eltron livre. O modelo tenta descrever os eltrons nos tomos em termos da posio (orbitais eletrnicos); e da energia (nveis de energia quantizado). Modelo limitado, incapaz de explicar vrios fenmenos envolvento eletrons0

n=3 n=2

-1,5 -3,4-5 Energia (eV) -10

n=1-13,6-15

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ANH ANHANGUERA EDUCACIONAL O Modelo Mecnico Ondulatrioconsidera que o eltron exibe caractersticas tanto de onda como de partcula. No considera o e- como partcula que move em um orbital distinta. A posio do e- descrita por uma distribuio de probabilidades ou nuvem eletrnica. criada a idia de sub-orbitais para cada nvel primrio de energia;Prof.: Roberto Zaki

ANH ANHANGUERA EDUCACIONAL Nmeros qunticos No modlo ondulatrio, cada eletron caracterizado por quatro nmeros qunticos. O tamanho, a forma e a orientao espacial da densidade de eltrons so especificados por trs destes nmeros qunticos. Nmero Quntico Principal (n): Assume nmeros inteiros a partir da unidade, algumas vezes associados a letras maisculas K, L, M, N, O, P e Q, ou n = 1, 2, 3, 4, 5, 6 e 7.Prof.: Roberto Zaki

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ANH ANHANGUERA EDUCACIONAL Este nmero est associado ao modelo de Bohr que est relacionado a distncia de um eltron a partir do ncleo.

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ANH ANHANGUERA EDUCACIONAL Nmeros qunticos secundrios (I) Significa subcamada, sendo identificado pelas letras minsculas s, p, d e f .

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ANH ANHANGUERA EDUCACIONAL Ele est associado a forma da subcamada eletrnica. A quantidade de subcamada permitidas est associada ao valor de n.

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ANH ANHANGUERA EDUCACIONALCsio

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ANH ANHANGUERA EDUCACIONAL Nmeros qunticos Magntico (ml) Determina o nmero de camadas energticas para cada subcamada.

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ANH ANHANGUERA EDUCACIONAL Para uma subcamada s, existe um nico estado energtico e para as subcamadas p, d e f so 3, 5 e 7 estados ou orbitais. Na ausncia de campos magnticos os estados so idnticos.

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ANH ANHANGUERA EDUCACIONAL Camadas Energticas de um tomo Formada de uma at sete camadas

Podemos notar que somente a camada perifrica de um tomo pode apresentar-se incompleta; as demais esto completas.

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ANH ANHANGUERA EDUCACIONAL Regra de Distribuio das Camadas Energticas: 1 - Existem sete camadas energticas, sendo que cada camada permite uma quantidade de eltrons. (ver quadro anterior). 2 - Quando se tem mais de 8 eltrons, na ltima camada, cancela-se o nmero escrito e coloca-se em seu lugar o n 8 ou 18; dos dois, aquele que for imediatamente inferior ao nmero cancelado. 3 - A diferena colocada na camada seguinte. A - tomo de antimnio (Sb), nmero atmico 51:K-L- M- N-O 2 - 8 - 18 23 2 - 8 - 18 - 18 - 5

B - tomo de Sdio (Na), nmero atmico 11.K- LM 29 2- 8 - 1 Prof.: Roberto Zaki

ANH ANHANGUERA EDUCACIONAL Nmeros qunticos Spin (m3) Associado a cada eltron est um momento de spin (momento de rotao) que deve est orientado para cima ou para baixo, com valores possveis de +1/2 e -1/2.

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ANH ANHANGUERA EDUCACIONAL Desta forma o modelo de Bohr foi subseqentemente refinado pela mecnica ondulatria, a introduo de trs novos nmeros qunticos d origem a subcamadas eletrnicas dentro de cada camada.

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ANH ANHANGUERA EDUCACIONAL O Princpio de excluso de Pauli: Cada estado ou orbital eletrnico pode comportar um mximo de dois eltrons, e devem possuir valores de spins opostos. um eltron pode ser caracterizado por 4 nmeros qunticos: n - nmero quntico principal l - segundo nmero quntico ml - terceiro nmero quntico ms - quarto nmero qunticoProf.: Roberto Zaki

ANH ANHANGUERA EDUCACIONAL Neste caso, as subcamadas s, p, d e f podem acomodar cada uma um total de 2, 6, 10 e 14 eltrons, respectivamente.

E n e r g i a

n=4 n=3 n=2 n=1

4p 4s 3s 2s 1s 3p 2p

3d

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ANH ANHANGUERA EDUCACIONAL Configuraes estveis Observada quando a camada mais externa, ou camada de valncia, est completamente preenchida com eltrons; Alguns tomos possuem configuraes eletrnicas estveis, cuja camada mais externa ou de valncia encontrase completamente preenchida. Tendem a ser no reativos.

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ANH ANHANGUERA EDUCACIONAL Normalmente, corresponde a ocupao dos orbitais s e p. Estes elementos so He (hlio), Ne (non), Ar (argnio), Estrutura Atmica e Ligao Interatmica Kr (cripton), Xe (xennio) e Rn (radon).

os eltrons que ocupam a camada de valncia so responsveis pelas ligaes interatmicas; Prof.: Roberto Zaki

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ANH ANHANGUERA EDUCACIONALTabela Peridica Os elementos foram classificados na tabela

peridica de acordo com a sua configurao eletrnica. Elementos posicionados em ordem crescente de nmero atmico (Z), em sete fileiras horizontais chamadas perodos. Os elementos localizados em uma dada coluna ou grupo possuem estruturas semelhantes dos eltrons de valncia bem como propriedades fsicas e qumicas semelhantes.Prof.: Roberto Zaki

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ANH ANHANGUERA EDUCACIONALTabela Peridica Grupo 0: gases inertes Grupo VIIA (halognios) e VIA possuem, respectivamente, deficincia de 1 e 2 eltrons para completarem estruturas estveis Grupos IA e IIA (metais alcalinos e alcalinoferrosos): 1 e 2 eltrons alm das estruturas estveis

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ANH ANHANGUERA EDUCACIONAL Grupos IIIB a IIB (metais de transio): orbitais d parcialmente preenchidos e em alguns casos 1 ou 2 eltrons na camada energtica imediatamente mais alta. Como por exemplo o Vandio (nmero atmico 23), conforme indicado na tabela anterior. Grupos IIIA, IVA e VA apresentam caractersticas intermedirias entre os ametais e metais em virtude das estruturas dos seus eltrons de valncia.

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ANH ANHANGUERA EDUCACIONAL Metais: so Elementos Eletropositivos, pois cedem seus poucos eltrons de valncia para se tornarem ons positivos. Ametais ou No Metais: Elementos Eletronegativos, situados a direita da tabela peridica aceitam eltrons para se tornar ons carregados negativamente. A elotronegatividade aumenta da esquerda para

direita e de baixo para cima na tabela.

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ANH ANHANGUERA EDUCACIONAL Os tomos apresentam maior tendncia em aceitar eltrons se suas camadas mais externas estiverem quase totalmente preenchidas e menos protegidas, isto , mais prximas do ncleo.

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ANH ANHANGUERA EDUCACIONALForas e Energias de Ligao Quando dois tomos se aproximam, eles

exercem uma fora um no outro:FL = F A + FR

onde: FA fora de atrao FR fora de repulso FL fora lquida ou resultante

Dois tomos distantes: a fora de interao

praticamente nulaProf.: Roberto Zaki

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ANH ANHANGUERA EDUCACIONAL A medida que eles se aproximam, cada tomo

exerce uma fora sobre o outroAtrativa Repulsiva Magnitude: distncia entre os tomos

-ro - distncia de equilbrio da ligao -FA + FR = 0 Estado de Equilbrio0

-Para muitos tomo: ro = 0,3 nm (3 A )

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Energia Potencial E

Fora F

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ANH ANHANGUERA EDUCACIONAL Ligaes Interatmicas Primrias Ligaes Ionicas Elementos metlicos com no metlicos (extremidades da tabela) Envolvem a transferncia de eltrons de um tomo para outro, assim que adquirem cargas, ou seja, se tornam ons. Os tomos metlicos perdem seus eltrons de valncia para os no-metlicos, adquirindo configuraes estveis de gases inertes. O Cloreto de Sdio (NaCl) o material inico clssico. O sdio assume configurao eletrnica do Nenio (Ne), pela transferncia do seu eltron de valncia 3s.Prof.: Roberto Zaki

ANH ANHANGUERA EDUCACIONAL O eltron de valncia do sdio cedido ao cloro.

Para o cloreto de sdio, tanto o ction Na+ quanto o nion Cl- ficam com seus orbitais externos completos.

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ANH ANHANGUERA EDUCACIONAL a ligao predominante nos materiais cermicos Temperatura de fuso elevada Os materiais so duros e quebradios So bons isolantes trmicos e eltricos

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ANH ANHANGUERA EDUCACIONAL Ligaes covalentes Caracteriza pelo compartilhamento dos eltrons de valncia de dois tomos adjacentes

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ANH ANHANGUERA EDUCACIONAL O hidrognio (H) adquire a configurao do hlio (He), (2e- na 1s), o carbono (C) adquire a configurao do nenio (Ne) (8e- nas 2s e 2p) uma ligao tpica de polmeros, sendo a estrutura molecular bsica uma longa cadeia de tomos de carbono (C) ligados entre si por ligao covalente atravs de duas das quatro ligaes disponveis em cada tomo, As duas restantes so compartilhadas com outros tomos.

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ANH ANHANGUERA EDUCACIONAL Normalmente as ligaes interatmicas so parcialmente inicas e parcialmente covalentes, poucos compostos exibem ligaes com carter que seja exclusivamente inico ou covalente; Quanto maior for a diferena entre as eletronegatividades mais inica ser a ligao. De modo contrrio, quanto menor for a diferena de eletronegatividade maior ser o grau de covalncia.

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ANH ANHANGUERA EDUCACIONAL Ligaes metlicas So encontradas geralmente em metais e suas ligas. Os metais apresentam um a trs eltrons de valncias no ligados a nenhum elemento, que encontram-se livres para se movimentar ao logo de todo o metal - nuvem eletrnica. Os os ncleos e os eltrons restantes formam o ncleo inico carregados positivamente Os eltrons livres protegem os ncleos inicos das foras repulsivas (cola)Prof.: Roberto Zaki

ANH ANHANGUERA EDUCACIONAL So bons condutores eltricos e trmicos devido aos eltrons livres. Ruptura dctil na temperatura ambiente .

Ilustrao esquemtica da ligao metlica

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ANH ANHANGUERA EDUCACIONAL Ligaes Secundrias de Van Der Waals Ligaes fsicas, so fracas em relao s primrias ou qumicas (Energia de ligao 10 kJ(quilojoule)/mol 0,1 eV (eltrons-volts )/tomo), quando comparadas as ligaes primrias Ocorrem atraes entre dipolos gerados pela assimetria de cargas. Ocorrem entre dipolos induzidos, entre dipolos induzidos e molculas polares (que possuem dipolos permanentes) e entre molculas polares.Prof.: Roberto Zaki

ANH ANHANGUERA EDUCACIONAL Ligaes de Dipolo Induzido Flutuante Um dipolo pode ser criado ou induzido num tomo ou molcula que seja normalmente simtrico. A distribuio espacial dos eltrons simtrica em relao ao ncleo. Todos os tomos apresentam constantes movimentos vibracionais, que podem causar distores instantneas e de cura durao com a conseqente criao de pequenos dipolos eltricos.

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ANH ANHANGUERA EDUCACIONAL Ligaes entre Molculas Polares e Dipolos Induzidos Momentos dipolo permanentes existem em algumas molculas em virtude de um arranjo assimtrico, tais molculas so chamada de molculas polares. As molculas polares podem induzir dipolos em molculas apolares adjacentes, desse modo se forma uma ligao. A magnitude dessa ligao ser maior que a de dipolo induzido.

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ANH ANHANGUERA EDUCACIONAL Ligaes de Dipolos Permanentes As Fora de Van der Waals iro existir entre molculas polares adjacentes. A magnitude dessa ligao ser significativamente maior que as ligaes envolvendo dipolo induzido. Ligaes de hidrognio o tipo mais forte de ligao secundria. Ocorre entre molculas nas quais o H est ligado covalentemente ao F (HF), ao O (H2O) e ao N (NH3). maior que a de dipolo induzido.Prof.: Roberto Zaki

ANH ANHANGUERA EDUCACIONAL Forma uma ponte de hidrognio com magnitude de ligao maior que para os outros tipos de ligao secundria.

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ANH ANHANGUERA EDUCACIONAL EXERCCIOS PROPOSTOS 1.) Qual a massa, em gramas, de um tomo de Zn ? Quantos tomos de Zn h em 1 g de Zn ? Dados: massa atmica Zn = 65,37 g/mol 2.) Qual a massa, em gramas, de um tomo de Nb ? Quantos tomos de Nb h em 1 g de Nb ? Dados: massa atmica Cu = 92,91 g/mol 3.) Em uma liga 55% em peso de Fe e 45% em peso de Cr, qual a proporo atmica de Fe e Cr ? Dados: massa atmica Fe = 65,85 g/mol , massa atmica Cr = 51,97 g/molProf.: Roberto Zaki

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ANH ANHANGUERA EDUCACIONAL4.) Em uma liga 85% em peso de Mn e 15% em peso de Zn, qual a proporo atmica de Mn e Zn ? Dados: massa atmica Mn = 54,94 g/mol , massa atmica Zn = 65,37 g/mol 5.) Em uma liga 73% em peso de U e 27% em peso de Pu, qual a proporo atmica de U e Pu ? Dados: massa atmica U = 238,03 g/mol , massa atmica Zn = 242 g/mol 6.) Cite de forma resumida as principais diferenas entre ligao inica, covalente e metlica. 7.) Qual o tipo de ligao qumica usualmente presente nos seguintes materiais? Metais Cermicos Polmeros Compsitos Semicondutores Biomateriais (Mat. Biocompatveis))

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ANH ANHANGUERA EDUCACIONAL8.) D a sua opinio sobre a seguinte afirmao : Quanto maior a diferena nas eletronegatividades mais covalente a ligao. 9.) Por que em geral os metais apresentam alta condutividade trmica e eltrica? 10.) Explique porque geralmente materiais covalentes so menos densos que metlicos e inicos. 11.) Com base nas ligaes qumicas, explique porque a gua se expande quando solidifica. 12.) Explique porque os metais geralmente se expandem ao serem aquecidos. 13.) Considerando a seguinte afirmao correta quantos mais prximos os tomos maior a fora de atrao entre eles, explique ento porque estes no se chocam.Prof.: Roberto Zaki

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ANH ANHANGUERA EDUCACIONAL13.) O que determina a distncia de equilbrio entre dois tomos? 14.) O que voc entende por fora de ligao? 15.) Como a energia e fora de ligaes esto relacionadas? 16.) Uma solda contm 52% em peso de estanho e 48% em peso de chumbo. Quais so as porcentagens atmicas de Sn e Pb na solda?

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