CAPTULO 2 -ESTRUTURA ATMICACincia dos Materiais - PPGE3M - EE - UFRGSProf. C. P. Bergmann PPGE3M - EE UFRGS -20132. ESTRUTURA ATMICA2-1INTRODUO2-2CONCEITOS ELEMENTARES2-3A ESTRUTURA DOS TOMOS2-4A ESTRUTURA ELETRNICA DOS TOMOS2-5LIGAES PRIMRIAS FORTES ENTRE TOMOS2-6LIGAES SECUNDRIAS2-7 RESUMO DAS LIGAES2-8 COMPRIMENTO, FORA E ENERGIA DE LIGAO2-9EXERCCIOSCincia dos Materiais - PPGE3M - EE - UFRGS2-1 INTRODUOCincia dos Materiais - PPGE3M - EE - UFRGSantes de entender fenmenos que determinam propriedades nos materiais a partir da MICROESTRUTURAdeve-se primeiramente entender a ESTRUTURA ATMICA (e ESTRUTURA CRISTALINA) dos materiaisporque estas definemalgumas de suas propriedades de interesse em ENGENHARIAESTRUTURA PROPRIEDADESCINCIA DOS MATERIAISESTRUTURA ATMICAESTRUTURA CRISTALINAMICROESTRUTURAO que promove as ligaes?Quais so tipos de ligaes existem?O tipo de ligao interfere em quais propriedades do material?IMPORTNCIA: A estrutura atmica dos tomos determina anatureza das ligaes atmicas e define propriedades nosmateriais.Propriedades: fsicas, pticas, eltricas, mecnicas,trmicasOrdem de grandeza da estrutura atmica 10-15a 10-10m2-2 CONCEITOS ELEMENTARES Por que os elementos no se decompem formando novos elementos? Por que as substncias se decompem formando novas substncias? Por que o nmero de elementos pequeno comparado ao nmero de substncias?Surgimento de TEORIAS ATMICAS:Cincia dos Materiais - PPGE3M - EE - UFRGSJOHN DALTON 1803-1808J.J. THOMPSON (1887)- tomo (indivisvel de Demcrito!) e guardando sua identidade qumica;- igual em todas as suas propriedades: tomos de elementos possuem propriedades fsicas e qumicas diferentes;- substncia formada pela combinao de dois ou mais tomosRUTHERFORD (1911)- tomo de Dalton no explicava fenmenos eltricos (raios catdicos = e-);- modelo do pudim de passas: uma esfera positiva com e-na superfcie;- Eugene Goldstein sups o prton contrariando a teoria de Thomson.- dando um tiro em uma caixa fechada, se a bala passar, ela est vazia, ou tem um material pouco consistente dentro.- experimento: partculas alfa contra uma fina lmina de ouro (0,0001 cm - dez mil tomos) a grande maioria das partculas atravessava a lmina, 1 para cada 10.000 ricocheteavam(!): tamanho do tomo 10.000 vezes maior que o tamanho do ncleo).- o tomo tem no macio (muitos espaos vazios): ncleo - cargas positivas; - eletrosfera: e- (1836 vezes mais leves que p+);- no explica os espectros atmicos!2-2 CONCEITOS ELEMENTARESMODELO RUTHERFORD-BOHR (1913)- os eltrons circundam orbitalmente e cada nvel tem um valor quantizado de energia (no possvel permanecer entre os nveis); quanto mais perto do ncleo maior a energia;- excitao do eltron: passa de um nvel para o outro e volta emitindo energia; se arrancado, forma on;- quantizao da energia dos eltrons. Se o eltron receber energia ele pula para uma rbita maisafastada do ncleo. Por irradiao de energia, o eltron pode cair numa rbita mais prxima do ncleo.Mais tarde, Sommerfeld postulou a existncia de rbitas no s circulares mas elpticas tambm.Cincia dos Materiais - PPGE3M - EE - UFRGSHEISENBERG(1927): Princpio da Incerteza- o eltron bem mais caracterizado pela sua energia do que por sua posio, velocidade ou trajetria.Pode-se determinar a probabilidade relativa de encontrar o eltron numa certa regio ao redor doncleo. Contraps as rbitas circulares de Bohr;- como com um termmetro medir a temperatura de uma: piscina, copo de gua, ou gotcula de gua;- a luz interage com o eltron, logo no possvel ter certeza de sua posio;2-4 ESTRUTURA ELETRNICA DOS TOMOS2.4.1Nmeros qunticosNMERO QUNTICO PRINCIPAL (n): representa os nveis principais de energia para o eltron, pode ser imaginado como uma camada no espao onde a probabilidade de encontrar um eltroncom valor particular de n muito alta.NMERO QUNTICO SECUNDRIO (l): especifica subnveis de energia dentro de um nvel de energia, tambm especifica uma subcamada onde a probabilidade de se encontrar o eltron bastante elevada. l = 0123ou l = spdf.Cincia dos Materiais - PPGE3M - EE - UFRGSNMERO QUNTICO MAGNTICO (ml): especifica a orientao espacial de um orbital atmico e tem pouco efeito na energia do eltron. Genericamente: m= 2l + 1.NMERO QUNTICO DO SPIN DO ELTRON (ms): especifica as duas condies permitidas para um eltron girar em torno de seu prprio eixo. As direes so no sentido horrio e anti-horrio: + 1/2e-1/2.2-4 ESTRUTURA ELETRNICA DOS TOMOS2.4.2Configurao eletrnica dos elementosCONFIGURAO ELETRNICA: descreve o modo com o qual os eltrons esto arranjados nos orbitais do tomo. A configurao escrita por meio de uma notao convencional: lista o n quntico principal, seguido pela letra do orbital, e o ndice sobrescrito acima da letra do orbital. Exemplo de configurao eletrnica: 1s22s22p6 3s23p64s23d104p65s2 SrCincia dos Materiais - PPGE3M - EE - UFRGSVALNCIA: definida a partir da ltima camada no completa. A camada de valncia a camada mais afastada do ncleo.Est relacionada com a capacidade de umtomo em se combinar quimicamente comoutros elementos para obter a estabilidade de8 (ou 2) eltrons na ltima camada.2.4 ESTRUTURA ELETRNICA DOS TOMOS2.4.6Tabela Peridica e eletronegatividadeCincia dos Materiais - PPGE3M - EE - UFRGSELETRONEGATIVIDADE: Intervalo de 0.7 a 4.0 Valores maiores: tendncia a receber e-, menor de ceder e-.LIGAES QUMICAS: Busca de umestado de mais baixa energia livre.Estabilidade de 8 (ou 2 eltrons naltima camada). IMPORTNCIA:Definio de propriedadesintrnsecas nos materiais.TIPOS DE LIGAES FORTES: Para um elemento adquirir a configurao estvel de 8e-na ltima camada, pode:(1) receber e-extras(2) ceder e-(3) compartilhar e-formando ons + ou -associao entre tomosLigaes Primrias InicasMetlicasCovalentesLIGAO INICA: Os eltrons de valncia so transferidos entre tomos produzindo onsForma-se com tomos de diferentes eletronegatividades (alta e baixa)Elementos menos eletronegativos: cedem e-formam ction ctionsElementos mais eletronegativos: recebem e-formam nionsA ligao inica no direcional, a atrao mtua em todas as direesA ligao forte= 150-300 Kcal/mol (por isso o PF dos materiais com esse tipo de ligao geralmente alto)2-5 LIGAES PRIMRIAS FORTES ENTRE TOMOSCincia dos Materiais - PPGE3M - EE - UFRGSPropriedades de compostos inicos Os ons em um slido inico so ordenados na rede, formando uma forte atrao eltrica entre eles Sais e xidos metlicos so tipicamente compostos inicos. A forte ligao responsvel por:- Elevada dureza (e frgil)- Elevado pontos de fuso e ebulio- Cristalinos slidos a Tambiente- Podem ser solveis em gua Os cristais inicos no conduzem eletricidade a baixas temperaturas: os ons no esto livres transportar corrente eltrica. Compostos inicos fundidos ou dissolvidos em gua sero condutores de eletricidade, pois os ons podem mover-se na estrutura.LIGAES COVALENTES: Os eltrons de valncia so compartilhados: forma-se com tomos que tm tendncia em recebere-(tomos com alta eletronegatividade). A ligao covalente direcional e forte (semelhante inica)= 125-300 Kcal/mol.Esse tipo de ligao comum em compostos orgnicos, por exemplo em materiais polimricos, e no diamante. Pode sercoordenada ou dativaCovalncia entre ametais (Ex. F2, O2, Cl2): baixo PFCovalncia entre mais tomos (Ex. Diamante): alto PF2-5 LIGAES PRIMRIAS FORTES ENTRE TOMOSCincia dos Materiais - PPGE3M - EE - UFRGSPar de eltrons no ligadosMetanoAmniaMolcula simples: pequeno grupo de tomos ligados por foras covalentes. Propriedades:- Podem ser lquidos ou slidos(no cristalinos) a Tambiente- Insolveis em gua, mas solveis em outros solventes- Isolantes eltricosApresentam baixo ponto de fuso e ebulio: foras entre tomos so fortes, mas as foras entre molculas so fracas e facilmente rompidas para temperaturas mais elevadas.- So maus condutores de eletricidade devido a ausncia de eltrons (ou ons) livresMacromolcula: molculas grandes com um grande nmero de tomos ligados covalentemente em uma estrutura contnua. Propriedades:- Slidos com alto ponto de fuso: elementos podem formar ligaes simples com outros tomos, formando uma estrutura muito estvel. Ex. Diamante- Cristalinos, frequentemente- No conduzem eletricidade (exceo Cgrafite): eltrons no esto livresPropriedades: LIGAO METLICA: Forma-se com tomos de baixa eletronegatividade (em torno de 3 eltrons de valncia), com tendncia para ceder e-. Os eltrons de valncia so divididos por todos os tomos (no esto ligados a nenhum tomo em particular) e assim eles esto livres para conduzir. A ligao metlica no direcional porque os eltrons livres protegem o tomo carregado positivamente das foras repulsivas eletrostticas. A ligao metlica forte (um pouco menos que a inica e covalente)= 20-200 Kcal/mol.Eltrons externos dos tomos do metal esto livres para mover-se entre os centros positivos.2-5 LIGAES PRIMRIAS FORTES ENTRE TOMOSCincia dos Materiais - PPGE3M - EE - UFRGSPropriedades: Fora eltrica de atrao entre eltrons mveis e imveis define a ligao metlica. Forte ligao resulta em: materiais densos, resistentes com alto ponto de fuso e ebulio.So bons condutores de eletricidade: eltrons livres so transportadores de carga e corrente eltrica sob um campo eltrico.So bons condutores de calor: choques de eltrons livre, transferindo EcSo opacos e de superfcie prateada, sujeita corroso.LIGAES SECUNDRIAS: So de natureza fsica. A ligao de van der Waals no direcional e fraca (< 10 Kcal/mol). A polarizao (formao de dipolos) devido estrutura da ligao produz foras atrativas e repulsivas entre tomos e molculas. Podem ser originadas por dipolos flutuantes ou dipolos permanentes (PONTES DE HIDROGNIO - H ligado a F, O e N) por assimetria (NH3, CH3Cl) da molcula. Esto relacionadas com a quantidade de energia envolvida (PE dos halognios: F2, Cl2, Br2, I2cresce com a massa molecular. PE dos haletos dos halognios.2-6 LIGAES SECUNDRIASCincia dos Materiais - PPGE3M - EE - UFRGSQuando a distncia entre as molculas maior que a distncia entre as cargas nas molculas, a energia de atrao pode ser dada por :UDD= 2/3 . 4/ r6 . 1/kTonde UD-D a energia de interao, o momento do dipolo, T a temperatura (absoluta ou temperatura termodinmica), k a constante de Boltzmann, e r a distncia.na presena de campo eltricoEstrutura do gelo Gelo menos denso que a gua : as ligaes de hidrognio mantm as molculas de gua mais afastadas no slido do que no lquido, onde h uma ligao hidrognio a menos por molcula). Da decorrentes:- elevado calor de vaporizao- forte tenso superficial- alto calor especfico - propriedadessolventes- efeito hidrofbico Cincia dos Materiais - PPGE3M - EE - UFRGSINICACOVALENTEMETLICA SECUNDRIAS- Muito poucos compostos exibem ligao inica e covalentepuras.- A maioria das ligaes inicas tem um certo grau de ligaocovalente e viceversa: transferem e compartilham e-.- O grau do tipo de ligao depende da eletronegatividadedos tomos constituintes.- Muitos cermicos e semicondutores so formados pormetais e no-metais, e so na verdade uma mistura deligaes inicas e covalente.- Quanto maior a diferena de eletronegatividade entre ostomos aumenta o carter inico.- O carter inico aumenta em elementos com distribuioeletrnica de final spFC = exp(-0,25 E2)onde E a diferena nas eletronegatividades dos tomosEx: SiO2ESi= 1,8 EO= 3,5Frao covalente FC = 0,486= 48,6%FI = 1 - FCFI: frao inicaFRAO COVALENTE2-7 RESUMO DAS LIGAES2-7 RESUMO DAS LIGAESCincia dos Materiais - PPGE3M - EE - UFRGSInicaCovalenteMetlicaIntermolecularIntensidade de ligaofortemuito forte moderada e varivelfraca Durezamoderada a alta muito duro, frgilbaixa a moderada; dctil e malevelmole e plsticoCondutividade eltricaconduo por transporte de ons, somente quando dissociadoisolante em slido e lquidobom condutor por tramnsporte de eltronsisolantes no estado slido e lquidoPonto de fuso moderado a alto baixogeralmente altobaixo Solubilidade solvel em solventes polaressolubilidade muito baixainsolveis solveis em solventes orgnicosExemplosmuitos minerais diamante, oxignio, molculas orgnicasCu, Ag, Au, outros metaisgelo,slidos orgnicos(cristais) Comparao entre o tipo de ligao e propriedades esperadasExceo do diamanteCincia dos Materiais - PPGE3M - EE - UFRGSMateriais metlicosMetais como alumnio ou ligas de bronzeEstrutura de ctions metlicos em um mar de eltronsCondutor de eletricidade e calor no estado slido e lquidoPossuem aparncia lustrosa e podem ser dcteisGrande range de pontos de fuso: mercrio (-39C), tungstnio 3407CPodem formar ligas uns com os outrosMateriais Moleculares (van der Waals)Materiais moleculares como CH4Pequenas molculasLigao intramolecular forte-dentro da molcula- ligao covalenteLigao intermolecular fraca-entre molculas- ligaes de ligao de van der WaalsBaixo ponto de fuso e ebulio: lquidos e gases a 25CIsolantesSolveis em polar ou no polar solventesMateriais de rede covalenteRede de fortes ligaes covalentesPontos de fuso muito altos >1500CInsolveis e isolantesMateriais inicos:Sais inicos como cloreto de sdiorede de nions e ctions eletrostaticamente atrados Usualmente solveis em guaIsolantes quando slidosCondutores eltricos quando fundidosCondutores eltricos quando em soluo aquosaPontos de fuso intermedirios ~300 1000CTetraedro de Laingtringulos de Arkel e Ketelaar2-7 RESUMO DAS LIGAES A distncia entre 2 tomos determinada pelo balano das foras atrativas e repulsivas As foras atrativas variam com o quadrado da distncia entre os 2 tomos As foras repulsivas variam inversamente proporcional a distncia interatmica Quando a soma das foras atrativas e repulsivas zero, a distncia entre os tomos est em equilbrio.2-8 COMPRIMENTO, FORA E ENERGIA DE LIGAO2.8.1 Comprimento de ligaoCincia dos Materiais - PPGE3M - EE - UFRGSFatrao= - Z1Z2e240a2Frepulso= - nban+1Fresultante= - Z1Z2e2- nb40a2an+1 a soma das foras atrativas e repulsivas entre os tomos No ponto de equilbrio a soma das duas foras zeroFresultante= 0 Quando os tomos se aproximam as foras de atrao e repulso aumentam (mas as foras de repulso aumentambemmais) Algumas vezes mais conveniente trabalhar comenergia (potencial) do que foras de ligaes. Matematicamente energia (E) e fora de ligaes (F)esto relacionadas por : E= F.dr A menor energia o ponto de equilbrio2-8 COMPRIMENTO, FORA E ENERGIA DE LIGAO2.8.2 Energia de ligaoCincia dos Materiais - PPGE3M - EE - UFRGSEatrao=Z1Z2e240aErepulso=nbanEresultante= Z1Z2e2+nb40a an 1/a 1/an2.8.2 Energia de ligao a mnima energia necessria para formar ou romper uma ligao. Esto relacionados com a energia de ligao propriedades como:- mdulo de elasticidade;- coeficiente de expanso trmica;- ponto de fuso;- calor latente- resistncia mecnicaCincia dos Materiais - PPGE3M - EE - UFRGS2-8 COMPRIMENTO, FORA E ENERGIA DE LIGAO Quanto mais profundo o poo de energia maior a temperatura de fuso do material Devido s foras de repulso aumentarem muito mais com a aproximao dos tomos a curva no simtrica. Por isso, a maioria dos materiais tendem a se expandir quando aquecidosQuando energia fornecida a um material, a vibrao trmica faz com que os tomos oscilem prximos ao estado de equilbrio.Devido a assimetria da curva de energia de ligao x distncia interatmica, a distncia mdia entre os tomos aumenta com o aumento da temperatura.Ento, quanto mais estreito o mnimo de potencial menor o coeficiente de expanso trmica do material2-8 FORAS E DISTNCIAS INTERATMICAS2.8.2 Energia de ligaoCincia dos Materiais - PPGE3M - EE - UFRGS2-9 EXERCCIOSCincia dos Materiais - PPGE3M - EE - UFRGS(Data de entrega: DATA DA 1a PROVA)1Defina nmero de Avogadro e d seu valor.2Qual a massa em repouso e a carga de um eltron, prton e nutron? Qual a relao deste valores entre estas partculas?3O que istopo? E isbaro?4Compare o raio inico de um mesmo elemento com o raio inico de seu tomo neutro (faa para um ction e um nion). Porque isso ocorre?.5O que so os nmeros qunticos de um tomo?6Qual o princpio de excluso de Linus Pauling?7Os elementos 21 a 29, 39 a 47 e 72 a 79 so conhecidos como elementos de transio. Qual caractersticas comuns apresenta a distribuio de eltrons na eletrosfera destes elementos?8Escreva a configurao eletrnica (ex. 1s2, ...) para Be, F, Fde, Co e Ni. Quantos eltrons h no subnvel 3d destes trs ltimos elementos? e como esto alinhados os spins dos seus eltrons nesse subnvel?9Caracterize: ligao inica; ligao covalente e ligao metlica.10Descreva as ligaes conhecidas por foras de van der Waals e por pontes de hidrognio.11Compare os tipos de ligaes em termos de energia de ligao envolvida.12 possvel a presena de mais de um tipo de ligao entre tomos? Explique e d exemplos.13Explique as foras (e energias envolvidas) entre dois tomos em funo da distncia interatmica (faa grficos das relaes solicitadas).14D e explique que propriedades intrnsecas podem ser definidas pelo grficos da questo anterior.15Porque materiais com elevado ponto de fuso tem elevado mdulo de elasticidade e baixa dilatao trmica?16 A presena de foras de van der Waals modificam o PE e o PF de substncias que se ligam com o F, O , N. Justifique esta afirmativa.