Estrutura Atômica e Ligações Químicas

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Aula 2:
Estrutura
Atômica e
Ligações
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Engenharia e Ciência dos Materiais - Aula 2:
Estrutura Atômica e Ligações Quı́micas
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12 de Março de 2020

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Estrutura Atômica: Conceitos Fundamentais
Modelo do pudim de ameixa de Thomson
Descobriu o elétron com o seu experimento de raios
catódicos
Determinou que os elétrons se propagam em linha reta.
Mediu uma carga de -1,76 x 10-8C/g.

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Modelo do pudim de ameixa de Thomson

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Experimento de Rutherford
Utilizou radiação contra uma folha de ouro.
Determinou que parte da radiação era desviada.
E uma pequena parte era refletida.

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Experimento de Rutherford

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Modelo de Rutherford - Teoria Nuclear
A maior parte da massa toda carga positiva ficam contidas
no núcleo.
A maior parte do volume do átomo é espaço vazio, onde
ficam dispersos os elétrons.
O átomo é eletricamente neutro.

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Modelo de Rutherford - Teoria Nuclear

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Modelo Atômico de Bohr
Determinou que os elétrons se movimentam ao redor do
núcleo em órbitas circulares.
Essas órbitas existem à distâncias fixas em relação ao
núcleo.
A energia de cada órbita também é fixa quantizada.

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Modelo Atômico de Bohr

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Modelo Quântico-Ondulatório

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Orbitais
Cada camada ou nı́vel de energia define um orbital.
Estes orbitais são conhecidos como s, p, d e f.
A forma de cada orbital é diferente.

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Orbitais

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Ligações atômicas nos sólidos
Forças e Energias de Ligação.
Considerando a força existente entre dois átomos que se
aproximam.
A grandes distâncias as interações são desprezı́veis.
Em distâncias pequenas cada átomo exerce força sobre o
outro.
Essas forças podem ser de atração (FA) ou repulsivas (FR)
A magnitude de cada uma depende da distância de
separação.

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As forças atrativas dependem do tipo de ligação entre os
dois átomos.
As forças repulsivas resultam de interações entre as nuvens
eletrônicas.
As forças repulsivas são relevantes apenas para pequenas
distâncias interatômicas.
A energia de ligação é dada por Eo e está representada na
figura como o ponto de mı́nimo.
A energia de ligação é a energia necessária para separar os
dois átomos até uma distância de separação mı́nima.

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Materiais são compostos por conjuntos de átomos que
interagem entre si.
Para cada ligação pode ser associada uma energia de
interação.
Energias de ligação maiores resultam em maior
temperatura de fusão.
À temperatura ambiente, maiores energias de ligação
favorecem a formação de sólidos.

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Ligações primárias.
3 tipos de ligações primárias são encontradas nos sólidos:
metálica, iônica e covalentes.
Cada tipo de ligação envolve os elétrons de valência.
E a natureza de cada ligação depende das estruturas
eletrônicas dos átomos constituintes.

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Ligações atômicas nos sólidos.
Ligações interatômicas primárias: Ligação iônica.
Ocorre em compostos formados pela combinação de
elementos metálicos e não metálicos.
Os átomos dos elementos metálicos perdem elétrons para
os átomos dos elementos não metálicos.
Neste processo, todos os átomos adquirem configurações
estáveis ou de gás nobre.
Um exemplo clássico dessa ligação é o cloreto de sódio
(NaCl).

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Lei de Coulomb.
Ea = −
A
r
(1)
A =
1
4πεo
(|Z1|e)(|Z2|e) (2)
εo representa a permissividade do vácuo (8,85 x 10-12
F/m).
|Z1| e |Z2| são os valores absolutos das valências dos dois
ı́ons, e é a carga de um elétron (1,602 x 10-19 C).

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A ligação iônica é não direcional.
Isto significa que a magnitude da ligação é igual em todas
as direções ao redor do ı́on.
Para que um material iônico seja estável, todos os ı́ons
positivos devem ter como vizinhos mais próximos ı́ons
negativos.
A ligação iônica é caracterı́stica de materiais cerâmicos.

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Ligação covalente.
É encontrada em materiais cujos átomos têm pequena
diferença de eletronegatividade.
Neste caso, a configuração eletrônica estável é obtida pelo
compartilhamento de elétrons.
Os elétrons compartilhados são considerados pertencentes
aos dois átomos.

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Na formação de uma ligação covalente, ocorre a
sobreposição de orbitais
Além disso, a ligação covalente é direcional.
Isto significa que ela ocorre entre átomos especı́ficos e
pode existir apenas na direção entre um átomo e outro.
Exemplos: Cl2, F2, CH4, polı́meros.

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A força da ligação varia bastante dependendo do
composto.
Para o diamante ela é muito forte (Tfusão = 3350oC).
Para o bismuto ela é mais fraca (Tfusão = 270oC).

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Os elétrons estão fortemente ligados aos átomos da
ligação, a maioria dos materiais covalentes é composta por
mateirais isolantes elétricos e semicondutores.
As propriedades mecânicas de materiais covalentes não
podem ser previstas apenas em função das caracterı́sticas
da ligação.

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Ligação covalente: hibridização.
A hibridização envolve a combinação de dois ou mais
orbitais atômicos.
O resultado a hibridização é uma maior sobreposição de
orbitais durante a ligação.

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A ligação de orbitais hı́bridos é direcional.
No caso do carbono, cada um dos quatro orbitais está
direcionado simetricamente do átomo de carbono para o
vértice de um tetraedro.
O ângulo entre cada conjunto de ligações adjacentes é de
109,5oC.

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Ligação metálica.
É encontrada em metais e suas ligas.
Os elétrons de valência não estão ligados a nenhum átomo
em particular no sólido e estão livres para se movimentar
ao longo do metal.
Os elétrons restantes formam núcleos iônicos juntamente
com os núcleos, que possuem uma carga positiva com
magnitude equivalente à carga total dos elétrons de
valência por átomo.

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Metais são bons condutores de eletricidade e calor.
Além disso, à temperatura ambiente a maioria dos metais
e suas ligas são dúcteis.

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Ligações secundárias ou de van der Waals.
São ligações fracas quando comparadas às ligações
primárias.
A energia de ligação varia entre 4 3 30 kJ/mol.
As ligações secundárias estão presentes em todos os
átomos e moléculas.
A força de ligações secundárias surge de dipolos atômicos
ou moleculares

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Ligações de dipolo induzido flutuantes.
Pode ser formado ou induzido em um átomo ou molécula,
que ,em geral, é eletricamente simétrico.
A liquefação e a solidificação dos gases inertes e de
algumas moléculas eletricamente simétricas são
consequências dessa ligação.
As temperaturas de fusão e de ebulição de compostos em
que os dipolos induzidos flutuantes predominam são muito
baixas.

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Ligações entre moléculas polares e dipolos induzidos.
As moléculas polares apresentam um arranjo assimétrico
de regiões carregadas positivamente e negativamente.
Essas moléculas podem induzir dipolos em moléculas
apolares adjacentes..

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Ligações entre moléculas polares e dipolos induzidos.

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