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Resumo da aula referente à: Ligações Metálicas Lembrete: este resumo abrange o assunto sucintamente, para melhor entendimento é necessário consultar a bibliografia citada. - Princípios de Química. Questionando a Vida Moderna e o Meio Ambiente Peter Atkins e Loretta Jones (226-228/290 – 293/726-729) Teoria de bandas A teoria dos orbitais moleculares explica as propriedades elétricas dos metais e semicondutores. Esses materiais são condutores eletrônicos nos quais, uma corrente elétrica é transportada por elétrons deslocalizados. Um condutor metálico é um condutor eletrônico no qual a condutividade elétrica diminui com o aumento da temperatura. Um semicondutor é um condutor eletrônico no qual a condutividade elétrica aumenta com o aumento da temperatura. Na maior parte dos casos, a condutividade elétrica de um condutor metálico é muito maior que a de um semicondutor, mas é a dependência da condutividade com a temperatura que distingue os dois tipos de condutor. Um isolante não conduz eletricidade. Um supercondutor é um sólido com resistência zero a corrente elétrica. Alguns metais tornam-se supercondutores em temperaturas muito baixas, aproximadamente 20K ou menos. Supercondutores de altas temperaturas têm enorme potencial tecnológico, porque oferecem a possibilidade de transmissão mais eficiente de energia e da geração de altos campos magnéticos para utilização em sistemas de transporte. A condução de eletricidade em metais e semicondutores pode ser explicada em termos de orbitais moleculares que se espalham pelo sólido. Sabe-se que N orbitais atômicos se combinam em uma molécula, eles formam N orbitais moleculares. A mesma coisa acontece em um metal, mas neste caso o valor de N é enorme (cerca de 10 23 para 10 g de cobre por exemplo). Em vez de alguns orbitais moleculares com as energias muito espaçadas, características de moléculas pequenas, o número enorme de orbitais moleculares do metal faz com que os níveis de energia fiquem tão 1

Ligações Metálicas II

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LIGAES METALICAS

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Resumo da aula referente : Ligaes Metlicas

Lembrete: este resumo abrange o assunto sucintamente, para melhor entendimento necessrio consultar a bibliografia citada.

- Princpios de Qumica. Questionando a Vida Moderna e o Meio Ambiente

Peter Atkins e Loretta Jones (226-228/290 293/726-729)

Teoria de bandasA teoria dos orbitais moleculares explica as propriedades eltricas dos metais e semicondutores. Esses materiais so condutores eletrnicos nos quais, uma corrente eltrica transportada por eltrons deslocalizados. Um condutor metlico um condutor eletrnico no qual a condutividade eltrica diminui com o aumento da temperatura. Um semicondutor um condutor eletrnico no qual a condutividade eltrica aumenta com o aumento da temperatura. Na maior parte dos casos, a condutividade eltrica de um condutor metlico muito maior que a de um semicondutor, mas a dependncia da condutividade com a temperatura que distingue os dois tipos de condutor. Um isolante no conduz eletricidade. Um supercondutor um slido com resistncia zero a corrente eltrica. Alguns metais tornam-se supercondutores em temperaturas muito baixas, aproximadamente 20K ou menos. Supercondutores de altas temperaturas tm enorme potencial tecnolgico, porque oferecem a possibilidade de transmisso mais eficiente de energia e da gerao de altos campos magnticos para utilizao em sistemas de transporte.A conduo de eletricidade em metais e semicondutores pode ser explicada em termos de orbitais moleculares que se espalham pelo slido. Sabe-se que N orbitais atmicos se combinam em uma molcula, eles formam N orbitais moleculares. A mesma coisa acontece em um metal, mas neste caso o valor de N enorme (cerca de 1023 para 10 g de cobre por exemplo). Em vez de alguns orbitais moleculares com as energias muito espaadas, caractersticas de molculas pequenas, o nmero enorme de orbitais moleculares do metal faz com que os nveis de energia fiquem to prximos que eles formam uma banda quase contnua (Figura 1).Examinemos um metal como o sdio. Cada tomo contribui com um orbital de valncia (neste caso, o orbital 3s) e um eltron de valncia. Como existem N tomos na amostra, ento N orbitais 3s se fundem para formar uma banda com N orbitais moleculares, dos quais a metade tem caracterstica lquida ligante e a outra metade, antiligante (dizemos caracterstica ligante ou antiligante liquida porque, em geral, como no benzeno, um orbital molecular ligante entre alguns tomos vizinhos e antiligante entre outros, dependendo de onde estiver localizado o nodo internuclear). Como cada um dos N tomos fornece um eltron de valncia, N eltron devem ser acomodados nos orbitais, de acordo com o princpio da construo. Como dois eltrons podem ocupar cada orbital, os N eltrons ocupam os orbitais ligantes de mais baixa energia. Uma regio de orbitais moleculares vazios ou incompletos chamada de banda de condutividade. Como os orbitais vizinhos tm energias muito prximas, muito pouca energia adicional necessria para excitar um eltron do orbital molecular ocupado de mais alta energia para o orbital vazio localizado logo acima. Os eltrons que esto na banda de conduo podem mover-se livremente pelo slido e podem carregar uma corrente eltrica. A resistncia dos metais aumenta com a temperatura porque, ao serem aquecidos, os tomos vibram mais vigorosamente. Os eltrons em movimento colidem com os tomos em vibrao e isso dificulta sua movimentao pelo slido. Em um isolante, os eltrons de valncia completam todos os orbitais moleculares disponveis e formam uma banda completa chamada banda de valncia. Existe um substancial intervalo de energias entre as bandas, uma faixa de energias onde no existem orbitais, antes da prxima banda, formada pelos orbitais vazios da banda de conduo (Figura 2). Os eltrons da banda de valncia s podem ser excitados ate a banda de conduo com energias muito altas. Como a banda de valncia esta completa e a banda de conduo esta separada por uma grande distncia em energia, os eltrons no so moveis e o slido no conduz eletricidade.

Em um semicondutor, uma banda de conduo vazia e uma banda de valncia completa tem energias prximas. Como resultado, quando o slido aquecido, eltrons so excitados da banda de valncia para a banda de conduo na qual podem se deslocar pelo slido. Por isso, a resistncia de um semicondutor diminui com o aumento da temperatura.

A capacidade de um semicondutor de transportar corrente eltrica pode tambm ser ampliada pela adio de eltrons banda de conduo ou pela remoo de eltrons da banda de valncia. Essa modificao feita quimicamente pela dopagem do slido, isto , pelo espalhamento de pequenas quantidades de impurezas por ele. Um exemplo a adio de uma quantidade muito pequena de um elemento do Grupo 15/VA, como o arsnico, ao silcio alta pureza. O arsnico aumento o numero de eltrons no slido: cada tomo Si (Grupo 14/IVA) tem quatro eltrons de valncia e cada tomo As (Grupo 15/VA) tem cinco. Os eltrons adicionais ocupam a banda de conduo do silcio, normalmente vazia, permitindo que o slido conduza corrente eltrica (Figura 3). Esse tipo de material chamado um semicondutor do tipo n porque ele contm excesso de eltrons, de carga negativa. Quando o silcio (Grupo 14/IVA) dopado com ndio (Grupo 13/IIIA) no lugar do arsnio, o slido tem menos eltrons de valncia do que o silcio puro e a banda de valncia no esta completamente preenchida (Figura 4). Dizemos que as bandas de valncia, neste caso, contem buracos. Como a banda de valncia no esta completa, ele funciona como uma banda de conduo, permitindo o fluxo da corrente eltrica. Esse tipo de semicondutor chamado de semicondutor do tipo p, porque a ausncia de eltrons, com carga negativa, equivale presena de buracos, com carga positiva. Os slidos dopados so eletricamente neutros, porque os ncleos dos tomos dopantes tm a carga necessria para neutralizar os seus eltrons. Dispositivos eletrnicos de estado slido, como diodos, transistores, e circuitos integrados, contem junes p-n, nas quais um semicondutor do tipo p esta em contato com um semicondutor do tipo n. As ligaes nos slidos podem ser descritas em termos de bandas de orbitais moleculares. Nos metais, as bandas de conduo so orbitais incompletamente preenchidos que permitem o fluxo de eltrons. Nos isolantes, as bandas de valncia esto completas e a grande distncia, em energia, entre as bandas impede o deslocamento dos eltrons para os orbitais vazios. Nos semicondutores, nveis vazios esto prximos em energia em nveis completos.

Exerccios

1. A empresa japonesa Nippon Telegraph and Telephone Corporation (NTT) anunciou o desenvolvimento de um semicondutor de diamante constitudo por tomos de Carbono (6C) que opera a 81 GHz, quase trs vezes mais do que os dispositivos desse material at agora disponveis. Esses semicondutores podero vir a substituir a vlvulas de potncia hoje utilizadas em equipamentos de transmisso de altssima potncia, como emissoras de TV e radares, por serem muito mais eficientes do que os semicondutores de silcio. A descoberta foi feita em colaborao com a Universidade de Ulm (Alemanha), utilizando cristais de diamante de alta pureza. A maior freqncia de operao do semicondutor foi de 81 GHz. Isso o torna adequado para operar como um amplificador para comprimentos de ondas na faixa dos milmetros, que alcana de 30 a 300 GHz. Graas s propriedades do diamante, o novo semicondutor dissipa calor muito rapidamente, opera em voltagens mais elevadas e dever operar de forma estvel mesmo no espao. A principal vantagem de um semicondutor de diamante est na potncia que se consegue atingir com ele. Por exemplo, um telefone celular necessita de cerca de 1 Watt de energia para operar a 1,5 GHz. Mas equipamentos de comunicao, como satlites e torres de transmisso de TVs exigem 1 kW (1.000 vezes mais) para operar a 10 GHz. Na faixa de 10 GHz, at hoje utilizam-se vlvulas. Estas vlvulas tm baixa eficincia energtica, apresentando grandes perdas. Mas at hoje os semicondutores no foram capazes de substitu-las nessas aplicaes de alta potncia. Esta uma das principais promessas dos semicondutores de diamante. Com relao ao texto citado determine:

A ) Um semicondutor de diamante dopado com Boro (5B) ser tipo p ou n ? Justifique a sua resposta atravs da distribuio eletrnicaB ) - Um semicondutor de diamante dopado com Nitrognio (7N) ser tipo p ou n ? Justifique a sua resposta atravs da distribuio eletrnica.C ) Desenhe o diagrama de faixas de energia para os dois tipos de dopagem citadas nos itens A e B.

2. Os supercondutores - materiais que deixam a corrente eltrica fluir sem qualquer resistncia - j so conhecidos h tempos. Agora, um grupo internacional de cientistas descobriu uma nova classe de materiais, batizados de superisolantes, que aumentam a resistncia eltrica com a queda na temperatura ou sob a ao de um campo magntico externo. Da mesma forma que os supercondutores, os superisolantes devero ter aplicao em vrias reas de fsica, incluindo aceleradores de partculas, trens magnticos e equipamentos de ressonncia magntica. Outra possibilidade a criao de sistemas de proteo que evitaro que as baterias se descarreguem. Se deixada sem uso, a carga de uma bateria lentamente se esvai porque o ar no um isolante perfeito. Passa a ser possvel, por exemplo, a criao de um revestimento superisolante para fios supercondutores, uma forma para transportar energia no interior de chips com total eficincia, sem qualquer perda na forma de calor. Os pesquisadores estavam analisando uma pelcula de nitreto de titnio, quando observaram que, sendo resfriado a temperaturas criognicas, depois de passar por uma temperatura-limite, a resistncia passagem de uma corrente eltrica no material bruscamente aumenta em 10.000 vezes. A mudana tambm ocorre quando os pesquisadores variam um campo magntico externo. O nitreto de titnio tambm um supercondutor. Faz-lo comportar-se como um superisolante foi uma questo de variar a espessura da pelcula fina feita com esse material. Assinale a alternativa que melhor descreve o comportamento da resistncia eltrica (R) da liga de nitreto de Titnio com a temperatura (T) quando a mesma atua como um superisolante:

A )

B )

C )

D )

Fonte: Site www.inovacaotecnologica.com.br

Caracterstica dos Metais Propriedades Fsicas: so bons condutores de eletricidade, maleveis, dcteis, lustrosos, tipicamente slidos, alto ponto de fuso e bons condutores de calor.

Propriedades Qumicas: reagem com cidos, formam xidos bsicos (que reagem com cidos), formam ctions, formam halogenetos inicos.

A conduo de eletricidade, o brilho, a maleabilidade e ductilidade se devem mobilidade dos eltrons de valncia.

Slidos Cristalinos

Um material cristalino aquele no qual, os tomos esto situados em um arranjo que se repete ou que peridico ao longo de grandes distncias atmicas; isto , existe ordem de longo alcance, de tal modo que quando ocorre a solidificao os tomos se posicionaro em um padro tridimensional repetitivo, no qual cada tomo est ligado a seus tomos vizinhos mais prximos.

Algumas propriedades dos slidos cristalinos dependem da estrutura cristalina do material, ou seja, da maneira segundo a qual os tomos, ons ou molculas esto arranjados espacialmente. Ao descrever estruturas cristalinas, os tomos (ou ons) so considerados como se fossem esferas slidas que possuem dimetros bem definidos.

A ordenao atmica em slidos cristalinos indica que pequenos grupos de tomos formam um padro repetitivo, esse grupo chamado de clulas unitrias.Para a maioria das estruturas cristalinas dos metais, trs estruturas relativamente simples so encontradas: cbica de face centrada (CFC), cbica de corpo centrado (CCC) e hexagonal compacta (HC), que esto representadas respectivamente nas Figuras 5, 6 e 7 abaixo.

LigasFigura 5 Para a estrutura cristalina cbica de faces centradas: (a) uma representao da clula unitria atravs de esferas rgidas, (b) uma clula unitria com esferas reduzidas, e (c) um agregado de muitos tomos.

Figura 6 Para a estrutura cristalina de corpo centrado, (a) uma representao da clula unitria atravs de esferas rgidas, (b) uma clula unitria com esferas reduzidas, e (c) um agregado de muitos tomos.

Figura 7 Para a estrutura cristalina hexagonal compacta, (a) uma clula unitria com esferas reduzidas (a e c representam os comprimentos das arestas curta e comprida, respectivamente) e (b) um agregado de muitos tomos.LigasAs ligas so materiais metlicos que so misturas de dois ou mais metais, tendem a ser mais resistentes e ter menor condutividade eltrica que o metal puro. Nas ligas homogneas, tomos de elementos diferentes se distribuem uniformemente, por exemplo: lato, bronze, etc. As ligas heterogneas so misturas de fases cristalinas com composies diferentes, por exemplo: solda estanho-chumbo, amlgama, etc. A Tabela 1 a seguir exemplifica algumas composies de ligas tpicas.LigaComposio em % peso

Latoat 40% de zinco em cobre

Bronzepara fundio: 10% de Sn e 5% de Pb

Cupro-nquelnquel em cobre (para cunhagem: 25% de nquel)

Peltre6% de antimnio e 1,5% de cobre em estanho

Soldaestanho e chumbo

Ao inoxidvelacima de 12% de cromo em ferro

As estruturas das ligas so mais complicadas do que as do metal puro, porque elas so formadas por dois ou mais tipos de tomos de metal com raios diferentes. Uma liga na qual os tomos de um metal so substitudos por tomos de outro metal chamada de liga substitucional. facilitada a formao dessa liga quando os metais tm dimenses (variao do raio atmico de 15%) e estrutura eletrnica semelhantes. Como na liga substitucional tem-se essa pequena diferena de tamanho e estrutura eletrnica ocorre uma distoro no retculo o que dificulta o fluxo de eltrons. Portanto, embora uma mistura substitucional tenha condutividade trmica e eltrica mais baixa que o elemento puro, mais forte e duro.

Nas ligas intersticiais, os tomos do elemento soluto entram nos interstcios do retculo formado por tomos do metal que tem maio raio atmico (soluto ou elemento hospedeiro). Definem-se interstcios como sendo os espaos abertos entre as partculas. Os tomos intersticiais interferem na condutividade eltrica e no movimento dos tomos que formam o retculo. Esse movimento restrito torna a liga mais dura e mais forte que o material hospedeiro puro. Como representado na Figura 4.Um exemplo muito comum de liga a produo do ao, que ocorre atravs da reduo do minrio de ferro. O ferro puro relativamente flexvel e malevel, mas os tomos de carbono presentes fazem com que o ferro fundido seja muito duro e frgil. O ferro fundido usado em objetos sujeitos a choques mecnicos e trmicos pequenos, como grades ornamentais, blocos de motor, tambores de freio e caixas de transmisso. A Tabela 2 a seguir representa o efeito decorrente de diferentes composies no ao.

Elemento misturado

Ao ferroQuantidade

Tpica (%)Efeito

Mangans0,5 a 1,0Aumenta a fora e a dureza, mas diminui a ductilidade

13Aumenta a resistncia ao uso

Nquel< 5Aumenta a fora e a resistncia ao choque

>5Aumenta a resistncia a corroso e dureza

CromoVarivelAumenta a dureza e a resistncia ao uso

>12Aumenta a resistncia corroso

VandioVarivelAumenta a dureza

Tungstnio