Curso: Engenharia Civil

Disciplina: Introdução a ciência dos materiais

Período: 3º

Turma: C

Turno: Noturno

Faculdade Pitágoras

Unidade Maceió

Estrutura Atômica e ligação interatômica

Profº Dr. José Atalvanio

atalvanioacademico@gmail.com

Estrutura Atômica – Conceitos fundamentais

Átomo => prótons e nêutrons, rodeado por elétrons em movimento.

Modelo hipotético de um átomo

Prótons = + 1,602 x 10-19 CElétrons = - 1,602 x 10-19 CNêutrons = eletricamente neutros

Cargas das partículas subatômicas

Massas das partículas subatômicas

Prótons = 1,67 x 10-27 KgElétrons = 9,11 x 10 -31 kgNêutrons = 1,67 x 10-27 Kg

Número Atômico (Z) e número de massa (A)

Z representa o número de prótons presentes no núcleo do átomo; A representa a massa do átomo: é a soma dos prótons e nêutrons.

A = Z + N ou A = P + N

Isótopos: átomos com o mesmo número de P (8O16, 8O17, 8O18);Isóbaros: átomos com o mesmo número de A (19K40, 20Ca40);Isótonos: átomos com mesmo número de N (17Cl37, 20Ca40).

Exemplos:

1) Determine o número atômico e o número de massa de um átomo com 22elétrons e 26 nêutrons?

2) Para o cátion abaixo determine seu número de prótons, elétrons e nêutrons:

Modelos atômicos

Leucipo (500 a.C.) e Demócrito (460 a.C)John Dalton (1803)

J. J. Thomson (1906)

Ernest Rutherford (1911)

Esfera maciça e indivisível

Modelo de pudim de passasOrbitas circulares

Niels Bohr (1913)

Modelo atômico de Bohr.

Camadas eletrônicas e distribuição eletrônica

(a) Três primeiros estadosde energia eletrônicapara o átomo dehidrogênio de Bohr.

(b) Estados de energiaeletrônica para asprimeiras três camadasdo átomo de hidrogêniopela mecânicaondulatória/quântica.

Limitação do modelo:não explicavafenômenos queenvolviam elétrons.

Comparação do átomo de Bohr (a) eo modelo atômico da mecânicaquântica (b) para distribuiçãoeletrônica.

Números quânticos

Cada elétron é caracterizado por 4 parâmetros: n (tamanho), l (forma), m, s.

Representação esquemáticadas energias relativas doselétrons para várias camadase subcamadas.

Determine os 4números quânticospara um elétrons queapresenta a seguintecontribuição: 2p3

Princípio de exclusão de PaulingOs 4 números quânticos de umelétron nunca serão iguais paraqualquer átomo.

Dê a configuração eletrônica para oCa (Z = 20) e Fe+3 (Z = 26).

Tabela Periódica

A tabela periódica apresenta:

7 linhas ou períodos; Famílias;Metais; Ametais; Não-metais.

Ligação atômica nos sólidos

Energias e forças de ligação

Muitas propriedades físicas dosmateriais são entendidas peloconhecimento das forçasinteratômicas presentes.

(a) Dependência das forçasatrativas, repulsivas e líquidasna separação interatômicapara dois átomos isolados.

(b) Dependências das energiasrepulsivas, atrativas epotencial na separaçãointeratômica para dois átomosisolados.

Ligações interatômicas primárias

Ligação iônica: metal + não-metal; Atrações coulombicas.

Ligação não direcional: a magnitude da ligação é a mesmaem todas as direções.

É o tipo de ligação predominante nas cerâmicas.

São compostos que apresentam altas temperaturas defusão.

Representação esquemática da ligação iônica no NaCl.

F = força;Z1, Z2 = carga dos íons;e-= 1,602 x 10-19Ce0 = (8,85 x 10-12 F/m (ou J-1C2m-1)

Ligação covalente

Compartilhamento de elétrons entre osátomos ligantes. Ligação direcional: está entre átomosespecíficos podendo existir na direção entre umátomo e outro participantes docompartilhamento. Ligação que ocorre entre ametal com ametal,ou elementos muito eletronegativos e H.

Representação esquemática de ligação covalente na molécula de

metano.

H2, Cl2 ,F2, etc.;

CH4, H2O, HNO3;

HF, HCl, HBr, HI

Podem ser muito fortes como no diamante(Tf > 3550ºC) ou muito fracas como nobismuto (Tf ≈ 270º C); Polímeros apresentam basicamente estetipo de ligação.

Ligação metálica

Ligação formada entre metais;

Os elétrons de valência não encontram-se em

um átomo particular, distribuem-se no metal

inteiro;

Formação de uma nuvem de elétron ou mar de

elétron.

Esquema de ilustração para ligação metálica.

Os elétrons livres blindam os íons centrais deforças eletrostáticas repulsivas;

Estes elétrons atuam como cola mantendo osíons centrais ligados.

As ligações podem ser fracas ou fortes: mercúrio(Tf = -39 ºC) e tungstênio (Tf = 3410 ºC)

Ligação secundária/ligação de van der Waals ou físicas

são ligações fracas quando comparadas com as

ligações primárias.

são ligações evidentes em gases inertes e em

moléculas covalentemente ligadas.

A ligação resulta de atração coulombica entre

a extremidade positiva de um dipolo e a

extremidade negativa de outro dipolo.

Ilustração sistemática de ligação devan der Waals entre dois dipolos.

Ligações dipolo induzido

O dipolo induzido pode ser criado ou induzido.

Representações esquemáticas de(a) um átomo eletricamentesimétrico e (b) um dipoloinduzido.

Ligação dipolo induzido – molécula polar

Momentos de dipolo permanente existe em moléculas

com arranjo assimétrico de suas regiões positivas ou

negativas.

São moléculas polares;

A molécula de HCl apresenta um dipolo permanente

que se origina das cargas positivas e negativas.

Moléculas polares podem induzir dipolos em moléculas

apolares;

As energias destas ligações são maiores que as dos

dipolos induzidos.

Representaçãoesquemática deuma moléculapolar de HCl.

Ligações de dipolo permanente

Este tipo de dipolo aparece em moléculas que formam ligações de hidrogênio.

H2O, NH3 e HF

Arranjo das moléculas de água (H2O) no(a) gelo e na (b) água líquida.

Exemplos gerais

1) Indique o número de prótons, nêutrons e elétrons presentes em cada átomo dosseguintes elementos:

6C129F19

26Fe56

2) Os átomos M e N são isóbaros e apresentam as seguintes características:

10 + xM5x

11 + xN4x + 8

Determine os números atômicos e os números de massa de M e N.

3)

X é

Isótopo do 20Ca41

Isótono do 19K41

Determine o número de massa de X.

4) “Quando um átomo se transforma em um íon, a variação do número de elétrons,‘ganho ou perda’, ocorre sempre na camada (nível) mais externa, chamada camada devalência.” Com base nessa informação, faça a distribuição eletrônica do 26Fe2+.

5) O titânio é metal utilizado na fabricação de motores de avião e de pinos parapróteses. Quantos elétrons há no último nível da configuração eletrônica desse metal?(Dado: Ti, Z = 22)

6) Determine os 4 números quânticos para o elétron de valência do átomo com Z = 29.

7) O átomo de alumínio e o átomo de oxigênio formam um composto denominadode trióxido de alumínio. Determine o tipo de ligação existente e dê a fórmula docomposto.

8) Determine o tipo de ligação entre os compostos a seguir:

N2, H2O, NH3, CH4