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Propriedades Gerais dos Metais
• São maleáveis e dúcteis
• São excelentes condutores de eletricidade e calor.
• Apresentam brilho metálico característico.
• Têm altos índices de reflexão.
• Suas estruturas cristalinas são invariavelmente do
tipo cúbico de empacotamento compacto, hexagonal
compacto, ou cúbico de corpo centrado.
• Formam ligas com facilidade.
LIGAÇÃO METÁLICA
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Quadro 1: Condutividade Elétrica de Vários Sólidos
Substância Tipo de
Ligação
Condutividade
(ohm. cm-1)
Prata Metálica 6,3 x 105
Cobre Metálica 6,0 x 105
Sódio Metálica 2,4 x 105
Zinco Metálica 1,7 x 105
NaCl Iônica 1,0 x 10-7
Diamante Covalente 1,0 x 10-14
Quartzo Covalente 1,0 x 10-14
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Elemento eletropositivo + Elemento eletronegativo → ligação iônica
Elemento eletronegativo + Elemento eletronegativo → ligação
covalente
Elemento eletropositivo + Elemento eletropositivo → ligação
metálica.
Estes tipos de ligações são representações idealizadas.
Por exemplo, o LiCl é considerado um composto
iônico, mas ele é solúvel em álcool, o que sugere
um certo caráter de ligação covalente.
TIPOS DE LIGAÇÕES
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TABELA 1 : INTERAÇÕES ENTRE AS ESPÉCIES QUÍMICAS
ESPÉCIE QUÍMICA INTERAÇÃO INTENSIDADE
Átomos Ligação Covalente muito forte
Íons Ligação Iônica muito forte
Íon-Molécula polar Íon-Dipolo forte
Molécula polar-Molécula
polar
Dipolo-Dipolo média
Moléculas Ligação de Hidrogênio média
Todas Forças de Dispersão de
London
fraca
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A ligação iônica envolve a transferência completa de um ou mais elétrons de um átomo para outro.
A ligação covalente envolve em geral o compartilhamento de um par de elétrons entre dois átomos.
Na ligação metálica metálica os elétrons de valência são livres para se deslocar através de todo o cristal.
COMPARAÇÃO ENTRE AS LIGAÇÕES
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TRANSIÇÃO ENTRE OS PRINCIPAIS TIPOS DE LIGAÇÃO: IÔNICA, COVALENTE E METÁLICA
AS LIGAÇÕES QUÍMICAS SÃO INTERMEDIÁRIAS ENTRE ESSES TRÊS TIPOS E POSSUEM ALGUMAS CARACTERÍSTICAS DE DUAS DELAS, AS VEZES DAS TRÊS LIGAÇÕES.
I2 - ClF – OF2 - NF3 – CCl4 – BF3 – BeF2 – Na2O
Li –Na3Bi–Na3Sb – Na3As – Na3P – Na3N – Na2O– CsF
Lin – Agn – Snn – Asn – Ten – Sn – I2
LIGAÇÃO METÁLICA
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LIGAÇÃO METÁLICA
Os metais são formados por íons positivos
empacotados, normalmente segundo um
dos três arranjos
Cúbico de corpo
centrado:
elementos do
grupo 1 e Bário
cccCúbico de face centrada
:Cu e Ca cfc ou acc
Agrupamento compacto
hexagonal: Be e Mg
ach
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Modelo de Mar de Elétrons para a Ligação Metálica
• Utilizamos um modelo deslocalizado para os elétrons em um metal.
– Os cátions metálicos estão imersos num mar de elétrons.
– Nenhum elétron é localizado entre dois átomos de metal.
– Assim, os elétrons podem fluir livremente através do metal.
LIGAÇÃO METÁLICA
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– Sem quaisquer ligações definidas, os metais são
fáceis de deformar (são maleáveis e dúcteis).
• Problemas com o modelo do mar de elétrons:
– À medida que o número de elétrons aumenta, a
força da ligação deveria aumentar e o ponto de
fusão deveria aumentar.
LIGAÇÃO METÁLICA
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LIGAÇÃO METÁLICAILUSTRAÇÃO DO MODELO DO MAR
DE ELÉTRONS
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LIGAÇÃO METÁLICA – OUTRA ILUSTRAÇÃO DO MODELO DO MAR DE ELÉTRONS
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Na ilustração esquemática do modelo do mar de
elétrons cada esfera é um íon metálico carregado
positivamente.
Nesse modelo o metal é visualizado como uma rede
de cátions metálicos imersos em um mar de
elétrons como ilustrado na figura anterior.
LIGAÇÃO METÁLICA – MODELO DO MAR DE ELÉTRONS
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O modelo do mar de elétrons não explica adequada-
mente todas as propriedades.
De acordo com o modelo, a força da ligação entre os
átomos metálicos deveria aumentar à medida que o
número de elétrons de valência aumenta,
aumentando consequentemente o PF à medida que
o número de elétrons de valência aumenta.
LIGAÇÃO METÁLICA – MODELO DO MAR DE ELÉTRONS
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DIFICULDADE:
Entretanto, os metais do grupo 6 (Cr, Mo,W), que
estão no centro dos metais de transição, têm os mais
altos PF em seus respectivos períodos.
LIGAÇÃO METÁLICA – MODELO DO MAR DE ELÉTRONS
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LIGAÇÃO METÁLICA – MODELODO MAR DE ELÉTRONS
Tabela 2 - Pontos de Fusão de Alguns Metais de Transição
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• A ligação deslocalizada requer que os orbitais
atômicos em um átomo interajam com orbitais
atômicos de átomos vizinhos.
• Exemplo: os elétrons da grafita estão deslocalizados
sobre um plano inteiro, as moléculas de benzeno têm
elétrons deslocalizados sobre um anel.
LIGAÇÃO METÁLICA
Modelo do Orbital Molecular Para osMetais
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• Lembre-se: o número de orbitais moleculares é igual
ao número de orbitais atômicos.
• Nos metais há um número muito grande de orbitais.
LIGAÇÃO METÁLICA
Modelo do Orbital Molecular Para osMetais
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OS ELÉTRONS PI DESLOCALIZADOS
NO ANEL BENZÊNICO
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• À medida que o número de orbitais aumenta,
sua diferença de energia diminui e eles
formam uma banda contínua de estados de
energia permitidos.
• O número de elétrons não preenche
completamente a banda de orbitais.
LIGAÇÃO METÁLICA
Modelo do Orbital Molecular Para osMetais
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• Conseqüentemente, os elétrons podem ser
promovidos para bandas de energia
desocupadas.
• Uma vez que as diferenças de energia entre os
orbitais são pequenas, a promoção de elétrons
ocorre com um pequeno gasto de energia.
LIGAÇÃO METÁLICA
Modelo do Orbital Molecular Para osMetais
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•
Orbitais moleculares ligantes
Orbital molecular ligante
Orbital molecular antiliganteOrbitais atômicos
FORMANDO ORBITAIS MOLECULARES A PARTIR DE ORBITAIS
ATÔMICOS
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LIGAÇÃO METÁLICAModelo do Orbital Molecular Para os
Metais
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A ilustração anterior mostra que a medida que o
número de orbitais moleculares aumenta diminui a
separação energética entre estes orbitais.
Nos metais a interação de um número muito grande
de orbitais forma uma banda aproximadamente
contínua de orbitais moleculares deslocalizados
por toda a rede metálica.
O número de elétrons disponível não preenche
completamente esses orbitais.
LIGAÇÃO METÁLICA Modelo do Orbital Molecular Para os
Metais
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• Ao movermos ao longo da série de metais de
transição, a banda antiligante começa a ficar
preenchida.
• Desta forma, a primeira metade da série de
metais de transição tem apenas interações
ligante-ligante, a segunda metade tem interações
ligante-antiligante.
LIGAÇÃO METÁLICA Modelo do Orbital Molecular Para os
Metais
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• Espera-se que o meio da série de metais de
transição tenha os pontos de fusão mais altos.
• O intervalo de energia entre as bandas é
chamado de intervalo de bandas, nível proíbido
ou lacuna de banda.
LIGAÇÃO METÁLICAModelo do Orbital Molecular Para os
Metais
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ISOLANTES, CONDUTORES E SEMICONDUTORES INTRÍNSECOS
Tabela 3 :
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ISOLANTES, CONDUTORES ESEMICONDUTORES INTRÍNSECOS
Banda de Banda de Banda de
Banda deBanda de Banda de
Grande lacuna
entre as bandas Pequena lacuna
entre as bandas
Ex: SilícioEx: LítioEx: Diamante
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A condutividade elétrica de um semicondutor pode ser
modificada adicionando-se pequenas quantidades de
outras substâncias.
Esse processo é denominado dopagem.
Consideremos o que acontece quando o Si é dopado
com elementos do grupo 15 como P, As, Sb ou Bi.
Os átomos de P substitui o Si em posições aleatórias
na estrutura.
Entretanto o P possui 5 elétrons de valência por átomo,
enquanto o Si possui 4 elétrons de valência.
SEMICONDUTORES EXTRÍNSECOS
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Em um semicondutor do tipo “n” (por exemplo Si
dopado com As) um nível doador está próximo da
banda de condução em termos de energia.
Em um semicondutor do tipo “p” ( por exemplo Si
dopado com Ga) a condutividade elétrica é devida a
um nível receptor ser populado termicamente o que
deixa vazios (buracos positivos) na banda inferior
SEMICONDUTORES EXTRÍNSECOS
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Semicondutores Extrínsecos
Os semicondutores extrínsecos contêm dopantes; um
dopante é uma impureza introduzida em um
semicondutor em quantidades mínimas para reforçar
a sua condutividade elétrica.
SEMICONDUTORES EXTRÍNSECOS
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Semicondutores Íntrínsecos:
Se um material se comporta como um semicondutor
sem a adição de dopantes, ele é um semicondutor
intrínseco.
NÍVEL DE FERMI
O nível de energia do orbital mais alto ocupado em um
metal no zero absoluto é chamado nível de Fermi
SEMICONDUTORES INTRÍNSECOS
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SEMICONDUTORES INTRÍNSECOS E EXTRÍNSECOS
BANDA DE
CONDUÇÃO
BANDA DE
VALÊNCIA
Nível doador
Nível receptor
Silício puro
Silício
dopado com
Fósforo .
Semicondutor
do tipo “n”
Silício
dopado com
Gálio.
Semicondutor
do tipo “p”
BANDA DE
CONDUÇÃO
INTRÍNSECO EXTRÍNSECO EXTRÍNSECO
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No silício puro (semicondutor intrínseco) os elétrons
da banda de valência apenas preenchem a banda de
energia permitida de mais baixa energia.
No Si dopado com P (semicondutor extrínseco) o
excesso de elétrons ocupa os orbitais de mais baixa
energia na banda de condução. Esses elétrons são
capazes de conduzir corrente elétrica.
SEMICONDUTORES INTRÍNSECOS E EXTRÍNSECOS
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No Si dopado com Ga ( semicondutor extrínseco) não
existem elétrons em número suficiente para ocupar
completamente a banda de valência. A presença de
orbitais vazio nessa banda permite a passagem de
corrente.
SEMICONDUTORES EXTRÍNSECOS
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Se o Si é dopado com um elemento do grupo 13 como
o Ga, In e Tl , a banda de valência está preenchida
de maneira incompleta porque o Ga, In e Tl tem 3
elétrons na camada de valência.
Nesse caso os elétrons podem mover-se dos orbitais
moleculares ocupados para aqueles que estão vazios
na banda de valência.
SEMICONDUTORES EXTRÍNSECOS
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O Si dopado com Ga, In ou Tl é chamado
semicondutor do tipo “p” porque esta dopagem cria
sítios vagos de elétrons que podem ser tratados
como buracos positivos no sistema.
SEMICONDUTORES EXTRÍNSECOS
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Uma liga é uma mistura íntima ou, em certos casos,
um composto de dois ou mais metais, ou metais e
não metais.
A liga melhora propriedades físicas como a resistência
corrosão ao calor, a dureza, a maleabilidade e
dutilidade do material.
LIGAS
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• Os metais puros e as ligas têm propriedades físicas diferentes.
• Na joalheria, usa-se uma liga de ouro e cobre (a liga é bastante dura; o ouro puro é muito macio).
• Ligas de Solução são misturas homogêneas.
• Ligas Heterogêneas: os componentes não estão dispersos uniformemente (por exemplo, aço de perlita tem duas fases: Fe quase puro e cementita, Fe3C).
LIGAS
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QUADRO 2 - ALGUMAS LIGAS COMUNS
• .
ELEMENTO
PRIMÁRIO
NOME DA LIGA COMPOSIÇÃO EM
MASSA
BISMUTO METAL DE
MADEIRA
50% Bi, 25% Pb,
12,5% Sn, 12,5% Cd
COBRE LATÃO AMARELO 67% Cu, 33% Zn
FERRO AÇO INOXIDÁVEL 80,6 Fe, 0,4%C,
18% Cr, 1% Ni
CHUMBO SOLDA DE
CHUMBO
67% Pb, 33% Sn
PRATA PRATA ESTERLINA 92,5% Ag, 7,5% Cu
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Existem dois tipos de ligas de solução :
– Liga substitucional (os átomos do soluto tomam
as posições do solvente);
– Liga intersticial (o soluto ocupa sítios
intersticiais na rede metálica).
• Nas ligas substitucionais:
– os átomos devem ter raios atômicos
semelhantes, e características de ligação
química.
– Um exemplo é a prata esterlina.
LIGAS DE SOLUÇÃO
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• Nas ligas intersticiais:
– um elemento deve ter um raio
significativamente menor do que o outro (para
que caiba no sítio intersticial), por exemplo,
um não-metal.
– A liga é bem mais forte do que o metal puro
(ligação fortalecida entre não-metal e metal).
– Exemplo: aço (contém até 3% de carbono).
LIGAS DE SOLUÇÃO
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• NA LIGA HETEROGÊNEA OS
COMPONENTES NÃO ESTÃO DISPERSOS
UNIFORMEMENTE.
• EM GERAL, AS PROPRIEDADES DAS LIGAS
HETEROGÊNEAS DEPENDEM NÃO APENAS
DA COMPOSIÇÃO SÃO TAMBÉM
DEPENDENTES DA MANEIRA PELA QUAL O
SÓLIDO É FORMADO A PARTIR DA
MISTURA FUNDIDA.
LIGAS HETEROGÊNEAS
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– O RESFRIAMENTO RÁPIDO LEVA A
PROPRIEDADES DISTINTAS DAQUELAS
QUE SÃO OBTIDAS PELO
RESFRIAMENTO LENTO.
LIGAS HETEROGÊNEAS
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LIGA SUBSTITUCIONAL A ESQUERDA E INTERSTICIAL A DIREITA
LIGA SUBSTITUCIONAL LIGA INTERSTICIAL
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OS COMPOSTOS INTERMETÁLICOS SÃO
LIGAS HOMOGÊNEAS QUE TÊM
PROPRIEDADES E COMPOSIÇÕES
DEFINIDAS.
– Ex: CuAl2, MgZn2, Cu3Au, NaTl, Na5Zn21.
– OUTROS EXEMPLOS : Ni3Al → PRINCIPAL
COMPONENTE DO MOTOR DE
AERONAVES A JATO DEVIDO A SUA
RESISTÊNCIA E BAIXA DENSIDADE.
– Cr3Pt → REVESTIMENTO DE LÂMINA DE NAVALHA
COMPOSTOS INTERMETÁLICOS
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TABELA 4 : TIPOS DE SÓLIDOS CRISTALINOS
TIPO DE SÓLIDO FORMA DAS
PARTÍCULAS
UNITÁRIAS
FORÇA ENTRE AS
PARTÍCULAS
EXEMPLOS
MOLECULAR ÁTOMOS E
MOLÉCULAS
FORÇAS DE
DISPERSÃO DE
LONDON,
FORÇAS DIPOLO-
DIPOLO,
LIGAÇÕES DE
HIDROGÊNIO
ARGÔNIO,
METANO,
SACAROSE,
GELO SECO, H2O
COVALENTE
ÁTOMOS
LIGADOS EM
UMA REDE DE
LIGAÇÕES
COVALENTES
LIGAÇÕES
COVALENTES
DIAMANTE,
QUARTZO, SiO2
SiC, Al2O3
IÔNICO
ÍONS POSITIVOS
E NEGATIVOS
LIGAÇÕES
IÔNICAS
CLORETO DE
SÓDIO, NITRATO
DE CÁLCIO
METÁLICO ÁTOMOS LIGAÇÕES
METÁLICAS
TODOS OS ELEMEN-
TOS METÁLICOS
Ex: Na, Ag, Fe, W