Autor: Prof. Dr. Carlos Alberto R. Brito Júnior

São Luís – MA/Brasil

2015

Agenda

1. Introdução

2. Conceitos fundamentais

3. Ligações Atômicas nos Sólidos

4. Moléculas

Grafite ou Grafita: Cinza escuro baixa dureza, macio ponto de fusão: 3550 °C conduz corrente elétrica Mal condutor de calor

Diamante: Incolor Elevada dureza ponto de fusão: Indeterminado não conduz corrente elétrica Bom condutor de calor

Grafite ou Grafita: -Anéis hexagonais no mesmo plano; -Duplas ligações conjugadas

Diamante: - Cada átomo de carbono está ligado a outros quatro; - Arranjo tetraédrico.

Entender como as propriedades físicas e químicas dos materiais estão associadas aos mecanismos de ligações químicas; Identificar as ligações químicas em diferentes materiais;

A estrutura eletrônica dos átomos determina a natureza das ligações químicas e define algumas das propriedades dos materiais.

Átomo

Núcleo

Elétrons (-)

Nêutrons

Prótons (+)

Ordem de magnitude

de 1,602 X 10-19 C

Massa dos Prótons ~ Massa dos Nêutrons = 1,67 X 10-27 kg Massa de elétrons = 9,11 X 10-31 Kg Um elemento químico se diferencia de outro pelo número de prótons ou número atômico (Z) Se o átomo estiver eletricamente neutro ou completo: Z = número de elétrons Massa atômica (A) de um átomo específico: A = massa de prótons + massa dos nêutrons

Para um mesmo elemento químico: -Sempre temos o mesmo número de prótons; - O número de nêutrons (N) pode variar. Quando isso acontece o mesmo elemento apresenta diferentes massas atômicas (isótopos). Para elementos químicos distintos: - Isóbaros: elementos com o mesmo número de massa (A) e diferentes números atômicos (Z); - Isótonos: diferentes Z, diferentes A e mesmo número de nêutrons.

Modelo Atômico de Bohr: - Físico Dinamarquês Niels Bohr – Prêmio Nobel em 1922 - 07 camadas (ou níveis) de energia; -Cada camada possui um número máximo de elétrons; - Salto quântico.

Modelo Atômico de Bohr Vs. Mecânica Quântica

-Bohr considera o átomo como partícula. Na mecânica quântica o átomo assume o principio da dualidade onda-partícula. - No modelo de Bohr as camadas (K, L, M, N, O, P, Q) são orbitas. Na mecânica quântica são níveis de energia (1, 2, 3, 4, 5, 6, 7).

O primeiro número quântico chamado “Principal” representa o nível de energia do elétron, definido por sua distância média do núcleo. O segundo número quântico chamado de “Momento Angular ou Azimutal” correspondem aos subníveis (s, p, d, f) e define a forma dos orbitais dos elétrons.

Elementos eletropositivos -

Cedem elétrons de valência

Elementos eletronegativos -

Recebem elétrons de valência;

Maior tendência dos átomos

em aceitar elétrons se suas

camadas mais externas

estiverem quase preenchidas.

Interação atômica hipotética:

Dois átomos isolados separados infinitamente. Interações entre eles desprezíveis.

À medida que se aproximam:

Cada átomo irá exercer sobre o outro forças atrativas FA e forças repulsivas FR. Magnitude da Força = f(distância interatômica) Força Líquida (força total) entre os átomos:

FL = FA + FR

Na+ Cl-

Na+ Cl-

A energia também é função da separação interatômica. Matematicamente, energia e força estão relacionadas como:

Relação da força em função da separação interatômica para átomos ligados tanto fracamente como fortemente. Maior inclinação da curva – material rígido Menor inclinação da curva – material flexível E = módulo de elasticidade

A magnitude da Energia de Ligação e a forma a curva de Energia em função da separação interatômica variam de material para material; A energia de ligação está diretamente relacionada com o ponto de fusão do material; Os materiais que possuem grandes energias de ligação, em geral, possuem temperatura de fusão elevadas.

O ponto em que a força de ligação é zero corresponde ao ponto de mínima energia; Valores típicos para a energia de ligação são entre 600 e 1500 kJ/mol; Os átomos estão constantemente vibrando ao redor da posição de equilíbrio; A distância interatômica de equilíbrio, ao, só é bem definida quando a temperatura é 0 K (-273,15 °C).

Três tipos de ligações químicas são encontradas nos sólidos: Ligação iônica

Ligação Covalente

Ligação Metálica

Van Der Waals:

Ligações de Dipolo Induzido (Forças de London) Ligações de Dipolo Permanente (Pontes de Hidrogênio)

São sempre encontradas em compostos formados por metais e não metais, situados horizontalmente na tabela periódica; Os átomos metálicos cedem facilmente os elétrons de valência aos elementos não metálicos;

Adquirem configuração estável semelhante aos gases inertes e consequentemente os átomos passam a ser íons (ganham carga elétrica); As forças de ligação atrativa são de Coulomb; íons positivos e negativos se atraem.

Para dois átomos isolados a Energia atrativa Ea é uma função da distância interatômica de acordo com a relação:

A ligação iônica é não direcional (atração eletroestática estende-se igualmente em todas as direções); Materiais muito duros. Alto ponto de fusão e ebulição; Compostos iônicos conduzem corrente quando a substância se encontra fundida ou dissolvida. No estado sólido conduzem somente quando apresentam defeitos. Reações de compostos iônicos são geralmente rápidas, pois basta a colisão entre as espécies. Quando solúveis, serão dissolvidos preferencialmente em solventes polares (água, ácidos minerais). Os grupo IA, IIA, VIA e VIIA são fortemente iônicos; outros compostos inorgânicos são parcialmente iônico-covalente (SiO2).

1) Calcule a força de atração entre um íon K+ e um íon O2- cujo centros encontram-se separados por uma distância de 1,5 nm.

Adote: e = 1,6 X 10 -19 C e0 = 8,85 X 10 -12 F/m

2) Para um par iônico K+ - Cl- , as energias atrativa e repulsiva, EA e ER, dependem da distância entre os íons r, de acordo com as expressões:

As energias estão expressas em elétrons volt (eV) por par K+ - Cl- e

r representa a distância entre íons em nanômetros. (a) Superponha em um único gráfico EL, EA e ER em função de r até

uma distância de 01 nm. (b) Com base neste gráfico determine o espaçamento r0 entre os

íons K+ e Cl- em condições de equilíbrio e, a magnitude E0 entre os dois íons.