3 - Ligação Interatômica

Prof. Carlos Angelo Nunes

Disciplina : Ciência dos MateriaisLOM 3013 – 2015M1

Ligação Atômica nos Sólidos

Sólidos atração entre átomos; íons; moléculas

• Ferro • Alumina

• Diamante e grafite

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.

RA FFF

Na posição de equilíbrio: RA FF 0

Os centros dos dois átomos permanecerão separados pela distância de equilíbrio r0. (r0~ 0,3 nm)

FdrETrabalhando com energia:

Força resultante da interação:

• Na figura anterior, o mínimo da curva de energia resultante corresponde ao valor de r0.

r r

RARA EEdrFdrFE

• 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?

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.

rAEA

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

nR rBE

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).

Diamante Grafite

Fulereno Nanotubo de carbono

• 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.

• Nylon• PVC

• É possível a existência de ligações interatômicas que são parcialmente iônica e parcialmente covalentes.

100.1%2)(25,0 BA XXeCI

Onde:%CI - % de caráter iônico de uma ligação entre dois elementos A e B;XA e XB são as eletronegatividades dos respectivos elementos.

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.

• 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

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.

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).

• 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

Ligações entre moléculas polares e dipolos induzidos

• Dipolo Permanente

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