Disciplina : Ciência dos Materiais LOM 3013 – 2015M1

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1 Disciplina : Ciência dos Materiais LOM 3013 – 2015M1
3 - Ligação Interatômica Prof. Carlos Angelo Nunes

2 Ligação Atômica nos Sólidos
Sólidos  atração entre átomos; íons; moléculas

3 Alumina Ferro Diamante e grafite

4 Forças e Energias de Ligação
Como dois átomos isolados interagem conforme aproximam um do outro a partir de uma distância de separação infinita? A força atrativa depende do tipo de ligação particular que existe entre os dois átomos. A força repulsiva surge de interações entre as nuvens eletrônicas carregadas negativamente dos dois átomos e são importantes apenas para pequenos valores de r.

5 Força resultante da interação:
Na posição de equilíbrio: Os centros dos dois átomos permanecerão separados pela distância de equilíbrio r0. (r0~ 0,3 nm) Trabalhando com energia:

6 Na figura anterior, o mínimo da curva de energia resultante corresponde ao valor de r0.
A energia de ligação para esses dois átomos (E0) corresponde à energia nesse ponto de mínimo. Ela represente a energia necessária para separar esses dois átomos até uma distância infinita. Inúmeras propriedades dos materiais dependem do valor de E0, da forma da curva e do tipo de ligação. Quais características da curva (E vs r) estão associadas a alto ponto de fusão; alta rigidez mecânica; alta expansão térmica?

7 Ligações interatômicas primárias: Ligação Iônica
Ligação entre elementos metálicos (cedem elétrons) e não metálicos (recebem elétrons) => átomos se transformam em íons. Ex. NaCl As forças de ligação atrativas são do tipo Coulomb; isto é, íons positivos e negativos, em virtude de suas cargas elétricas resultantes, atraem-se mutuamente. A ligação iônica é não-direcional; isto é, a magnitude da ligação é igual em todas as direções ao redor do íon. Os íons positivos são rodeados por íons negativos e vice-versa. É a ligação predominante em materiais cerâmicos. Materiais normalmente duros e frágeis e isolantes elétricos e térmicos.

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9 Nas expressões acima, A, B e n são constantes cujos valores dependem de cada sistema iônico particular. O valor de n é aproximadamente 8.

10 Ligações interatômicas primárias: Ligação Covalente
Ligação onde a configuração eletrônica estável é adquirida pelo compartilhamento de elétrons entre átomos adjacentes. A ligação covalente é direcional; isto é, ela ocorre entre átomos específicos e pode existir apenas na direção entre um átomo e o outro que participa do compartilhamento dos elétrons. Esse tipo de ligação é encontrado em sólidos elementares, tais como o diamante (carbono),´silício, germânio. Assim como em compostos tais como arseneto de gálio (GaAs), antimoneto de índio (InSb).

11 Diamante Grafite Fulereno Nanotubo de carbono

12 A ligação covalente pode ser muito forte como no diamante
(Tf > 3550oC), ou muito fraca, como no bismuto (Tf ~ 270oC) Os materiais poliméricos são típicos deste tipo de ligação, sendo a estrutura molecular básica composta por uma longa cadeia de átomos de carbono que estão ligados covalentemente uns aos outros por meio de duas das quatro ligações disponíveis em cada átomo. Os materiais poliméricos são tipicamente isolantes elétricos e térmicos. PVC Nylon

13 É possível a existência de ligações interatômicas que são parcialmente iônica e parcialmente covalentes. Onde: %CI - % de caráter iônico de uma ligação entre dois elementos A e B; XA e XB são as eletronegatividades dos respectivos elementos.

14 Ligações interatômicas primárias: Ligação Metálica
Ligação encontrada nos metais e nas suas ligas. Os materiais metálicos possuem um, dois ou no máximo três elétrons de valência. Em um modelo simples, assume-se que esses elétrons não estão ligados a qualquer átomo em particular no sólido. Esses elétrons estão então livres para se movimentar ao longo de todo o material, como se formassem uma nuvem de elétrons.

15 A ligação pode ser fraca ou forte
A ligação pode ser fraca ou forte. Veja na tabela abaixo dados para o mercúrio e o tungstênio e compare. A boa condução de eletricidade e calor pelos metais é explicada em parte pela presença dos elétrons livres

16 Ligações interatômicas secundárias ou Ligações de Van der Waals
São ligações fracas quando comparadas às ligações primárias; A ligação secundária fica evidente nos gases inertes e ainda entre moléculas em estruturas moleculares que são ligadas covalentemente. As forças de ligação secundárias surgem a partir de dipolos atômicos ou moleculares. Essencialmente, um dipolo elétrico existe sempre que há alguma separação entre as partes positiva e negativa de um átomo ou molécula. A ligação resulta da atração de Coulomb entre a extremidade positiva de um dipolo e a região negativa de um dipolo adjacente. As interações de dipolo ocorrem entre dipolos induzidos; entre dipolos induzidos e moléculas polares (dipolos permanentes) e entre moléculas polares.

17 Ligações de dipolo induzido flutuantes
O dipolo flutuante aparece devido a distorções instantâneas e de curta duração na simetria elétrica em alguns átomos ou moléculas. E isto pode induzir a formação de dipolo em um átomo/molécula vizinho (a).

18 Ex. liquefação e, em alguns casos, a solidificação dos gases inertes e de outras moléculas eletricamente neutras e simétricas como o H2 e o Cl2

19 Ligações entre moléculas polares e dipolos induzidos
Dipolo Permanente

20 Ligações de dipolos permanentes
As energias de ligação associadas são significativamente maiores que para as ligações que envolvem dipolos induzidos. O tipo mais forte de ligação secundária, a ligação de hidrogênio, é um caso especial de ligação entre moléculas polares. Ex: H2O, HF, NH3

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