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Engenharia Química ·
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2019 Slide 1 MRF300 Princípios de Ciência e Engenharia de Materiais Aula 2 ligações químicas influência no arranjo atômico de sólidos e classes de materiais Objetivos desta aula Compreender os tipos de ligações químicas sua influência no arranjo atômico de sólidos e classes de materiais baseadas em composições e ligações químicas Bibliografia básica Callister capítulo 2 2019 Slide 2 MRF300 Princípios de Ciência e Engenharia de Materiais Aula 2 ligações químicas influência no arranjo atômico de sólidos e classes de materiais O átomo Núcleo composto por prótons com carga positiva e nêutrons Elétrons orbitando o núcleo Se o núcleo de um átomo fosse do tamanho de um limão com um raio de 3 cm os elétrons mais afastados estariam a aproximadamente 3 km de distância O núcleo atômico mede em torno de 1015 m de diâmetro enquanto que o átomo mede cerca de 1010 m ou 1 Ångström Å 2019 Slide 3 MRF300 Princípios de Ciência e Engenharia de Materiais Aula 2 ligações químicas influência no arranjo atômico de sólidos e classes de materiais Tabela Periódica dos Elementos 2019 Slide 4 MRF300 Princípios de Ciência e Engenharia de Materiais Aula 2 ligações químicas influência no arranjo atômico de sólidos e classes de materiais Legenda Número atômico Z número de prótons no núcleo e de elétrons na eletrosfera Massa atômica peso A média ponderada das massa atômicas dos isótopos naturais 𝑨 𝒁 𝑵 N número de nêutrons Carbono C tem 15 isótopos 8C a 22C Todos tem Z 6 e o isótopo mais abundante 989 é o 12C 6 protons e 6 neutrons 2019 Slide 5 MRF300 Princípios de Ciência e Engenharia de Materiais Aula 2 ligações químicas influência no arranjo atômico de sólidos e classes de materiais Elétrons são distribuídos em camadas e subcamadas httpuploadwikimediaorgwikipediacommons44aSingleelectronorbitalsjpg Por forma leiase região de maior probabilidade de encontrar o elétron Forma dos orbitais eletrônicos 2019 Slide 6 MRF300 Princípios de Ciência e Engenharia de Materiais Aula 2 ligações químicas influência no arranjo atômico de sólidos e classes de materiais Elétrons são distribuídos em camadas e subcamadas numa sequência de níveis de energia segundo o Princípio da Exclusão de Pauli 2 elétrons num mesmo átomo não podem ter o mesmo conjunto de números quânticos K 1s2 L 2s2 2p6 M 3s2 3p6 3d10 N 4s2 4p6 4d10 4f14 O 5s2 5p6 5d10 5f14 P 6s2 6p6 6d10 Q 7s2 7p6 2019 Slide 7 MRF300 Princípios de Ciência e Engenharia de Materiais Aula 2 ligações químicas influência no arranjo atômico de sólidos e classes de materiais Elétrons também devem distribuídos segundo a Regra de Hund cada orbital do subnível que está sendo preenchido recebe inicialmente apenas um elétron No exemplo abaixo 3 ou 4 elétrons e num orbital do tipo 2p correto para 3 e incorreto para 3 e correto para 4 e spin associado à orientação de rotação do elétron 2019 Slide 8 MRF300 Princípios de Ciência e Engenharia de Materiais Aula 2 ligações químicas influência no arranjo atômico de sólidos e classes de materiais Alumínio Z13 Oxigênio Z8 1s2 2s2 2p6 3s2 3p1 1s2 2s2 2p4 A camada 3 ou M incompleta tem elétrons de maior energia e com menor atração eletrostática do núcleo há a possibilidade de ionização o que formará o cátion Al3 A camada 2 ou L incompleta tem maior atração eletrostática do núcleo há a possibilidade de ionização o que formará o ânion O2 Os elétrons mais externos são chamados de elétrons de valência 2019 Slide 9 MRF300 Princípios de Ciência e Engenharia de Materiais Aula 2 ligações químicas influência no arranjo atômico de sólidos e classes de materiais Ligações entre átomos A natureza das forças de ligação entre átomos determinará o tipo de sólido formado e influenciará as propriedades físicas deste material tipo de ligação energia associada kJmol1 metálica 100 800 iônica 6001500 covalente 500 1250 van der Waals 40 2019 Slide 10 MRF300 Princípios de Ciência e Engenharia de Materiais Aula 2 ligações químicas influência no arranjo atômico de sólidos e classes de materiais Ligação metálica Alumínio Z13 1s2 2s2 2p6 3s2 3p1 cátions Al3 Nuvem de elétrons de valência livres Há atração eletrostática entre as cargas positivas dos cátions e a nuvem eletrônica negativa que sustenta a ligação entre as espécies metálicas A presença da nuvem eletrônica garante a nãodirecionalidade da ligação metálica 2019 Slide 11 MRF300 Princípios de Ciência e Engenharia de Materiais Aula 2 ligações químicas influência no arranjo atômico de sólidos e classes de materiais Ligação metálica há elétrons livres Excelentes condutores elétricos e térmicos Ligações não direcionais não há necessidade de manter vizinhos próximos fácil mudar a forma alta ductilidade Predominante em materiais METÁLICOS 2019 Slide 12 MRF300 Princípios de Ciência e Engenharia de Materiais Aula 2 ligações químicas influência no arranjo atômico de sólidos e classes de materiais Ligação metálica A presença da nuvem eletrônica garante a nãodirecionalidade da ligação metálica 2019 Slide 13 MRF300 Princípios de Ciência e Engenharia de Materiais Aula 2 ligações químicas influência no arranjo atômico de sólidos e classes de materiais Ligação iônica Sódio Z11 1s2 2s2 2p6 3s1 Cloro Z17 1s2 2s2 2p6 3s2 3p5 Na Cl A aproximação de átomos eletronegativos não metais de eletropositivos metais gera transferência de elétrons de valência do eletropositivo para o eletronegativo Cl Na A ligação iônica resultante é omnidirecional e de caráter puramente eletrostático e necessita no sólido do balanço das cargas positivas e negativas tridimensionalmente 2019 Slide 14 MRF300 Princípios de Ciência e Engenharia de Materiais Aula 2 ligações químicas influência no arranjo atômico de sólidos e classes de materiais Ligação iônica A aproximação de átomos eletronegativos não metais de eletropositivos metais gera transferência de elétrons de valência do eletropositivo para o eletronegativo Cl Na 2019 Slide 15 MRF300 Princípios de Ciência e Engenharia de Materiais Aula 2 ligações químicas influência no arranjo atômico de sólidos e classes de materiais Cl Na distância entre átomos Energia potencial 0 A distância de equilíbrio entre núcleos é resultado da minimização de energia potencial associada à ligação do do Ligação por forças atrativas de Coulomb 2019 Slide 16 MRF300 Princípios de Ciência e Engenharia de Materiais Aula 2 ligações químicas influência no arranjo atômico de sólidos e classes de materiais A distância de equilíbrio entre núcleos é resultado do equilíbrio entre as forças repulsivas FR e atrativas FA minimizando a energia potencial do sistema associada a ligação química 𝐸𝑁 න 𝐹𝑑𝑟 𝐹 𝐹𝐴 𝐹𝑅 2019 Slide 17 MRF300 Princípios de Ciência e Engenharia de Materiais Aula 2 ligações químicas influência no arranjo atômico de sólidos e classes de materiais Ligação iônica Não há elétrons livres isolantes elétricos e térmicos Ligações omnidirecionais para manutenção do balanço entre cargas elétricas Difícil mudar a forma Alta dureza alta fragilidade Predominante em materiais CERÂMICOS 2019 Slide 18 MRF300 Princípios de Ciência e Engenharia de Materiais Aula 2 ligações químicas influência no arranjo atômico de sólidos e classes de materiais Ligação covalente Carbono Z6 1s2 2s1 2p3 Perder ou ganhar 4 elétrons para completar a camada L httpwwwgcsesciencecomMethaneMoleculegif httpwwwglobalwarmingartcomwikiImageMetha neMoleculeFormulasvg httpuploadwikimediaorgwikipediacommonsthumb558M ethane3Dballspng595pxMethane3Dballspng Ligações covalentes são altamente direcionais o C por exemplo forma ligações a 10928 Isto dá a estruturas deste tipo semelhança geométrica ao tetraedro 2019 Slide 19 MRF300 Princípios de Ciência e Engenharia de Materiais Aula 2 ligações químicas influência no arranjo atômico de sólidos e classes de materiais Ligação covalente Não há elétrons livres isolantes elétricos e térmicos Ligações direcionais compartilhamento de elétrons Difícil mudar a forma se ligação for puramente covalente Alta dureza alta fragilidade C diamante SiC É uma das ligações presente em materiais POLIMÉRICOS que também tem 2019 Slide 20 MRF300 Princípios de Ciência e Engenharia de Materiais Aula 2 ligações químicas influência no arranjo atômico de sólidos e classes de materiais Ligação de van der Waals ou ligação fraca ou secundária C C H H H H É a atração mútua de dipolos elétricos No exemplo os átomos de carbono do polietileno exercem maior poder atrativo distorcendo o orbital 1s do átomo de hidrogênio Estabelecese assim uma fraca atração entre as longas cadeias de ligação covalente H H H H H C C C C C H H H H H 2019 Slide 21 MRF300 Princípios de Ciência e Engenharia de Materiais Aula 2 ligações químicas influência no arranjo atômico de sólidos e classes de materiais Polímero muitos meros cadeias moleculares longas Se ligações entre cadeias forem todas covalentes Alta dureza e fragilidade termofixos Se ligações entre cadeias forem todas secundárias Mobilidade facilitada termoplásticos Arranjos especiais entre cadeias Alta flexibilidade elastômeros 2019 Slide 22 MRF300 Princípios de Ciência e Engenharia de Materiais Aula 2 ligações químicas influência no arranjo atômico de sólidos e classes de materiais Leituras recomendadas sobre a aula de hoje Callister capítulo 2 Preparação para a próxima aula Callister capítulos 3 e 4 Atividades recomendadas sobre a aula de hoje Moodle
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atômico de sólidos e classes de materiais Tabela Periódica dos Elementos 2019 Slide 4 MRF300 Princípios de Ciência e Engenharia de Materiais Aula 2 ligações químicas influência no arranjo atômico de sólidos e classes de materiais Legenda Número atômico Z número de prótons no núcleo e de elétrons na eletrosfera Massa atômica peso A média ponderada das massa atômicas dos isótopos naturais 𝑨 𝒁 𝑵 N número de nêutrons Carbono C tem 15 isótopos 8C a 22C Todos tem Z 6 e o isótopo mais abundante 989 é o 12C 6 protons e 6 neutrons 2019 Slide 5 MRF300 Princípios de Ciência e Engenharia de Materiais Aula 2 ligações químicas influência no arranjo atômico de sólidos e classes de materiais Elétrons são distribuídos em camadas e subcamadas httpuploadwikimediaorgwikipediacommons44aSingleelectronorbitalsjpg Por forma leiase região de maior probabilidade de encontrar o elétron Forma dos orbitais eletrônicos 2019 Slide 6 MRF300 Princípios de Ciência e Engenharia de Materiais Aula 2 ligações químicas influência no arranjo atômico de sólidos e classes de materiais Elétrons são distribuídos em camadas e subcamadas numa sequência de níveis de energia segundo o Princípio da Exclusão de Pauli 2 elétrons num mesmo átomo não podem ter o mesmo conjunto de números quânticos K 1s2 L 2s2 2p6 M 3s2 3p6 3d10 N 4s2 4p6 4d10 4f14 O 5s2 5p6 5d10 5f14 P 6s2 6p6 6d10 Q 7s2 7p6 2019 Slide 7 MRF300 Princípios de Ciência e Engenharia de Materiais Aula 2 ligações químicas influência no arranjo atômico de sólidos e classes de materiais Elétrons também devem distribuídos segundo a Regra de Hund cada orbital do subnível que está sendo preenchido recebe inicialmente apenas um elétron No exemplo abaixo 3 ou 4 elétrons e num orbital do tipo 2p correto para 3 e incorreto para 3 e correto para 4 e spin associado à orientação de rotação do elétron 2019 Slide 8 MRF300 Princípios de Ciência e Engenharia de Materiais Aula 2 ligações químicas influência no arranjo atômico de sólidos e classes de materiais Alumínio Z13 Oxigênio Z8 1s2 2s2 2p6 3s2 3p1 1s2 2s2 2p4 A camada 3 ou M incompleta tem elétrons de maior energia e com menor atração eletrostática do núcleo há a possibilidade de ionização o que formará o cátion Al3 A camada 2 ou L incompleta tem maior atração eletrostática do núcleo há a possibilidade de ionização o que formará o ânion O2 Os elétrons mais externos são chamados de elétrons de valência 2019 Slide 9 MRF300 Princípios de Ciência e Engenharia de Materiais Aula 2 ligações químicas influência no arranjo atômico de sólidos e classes de materiais Ligações entre átomos A natureza das forças de ligação entre átomos determinará o tipo de sólido formado e influenciará as propriedades físicas deste material tipo de ligação energia associada kJmol1 metálica 100 800 iônica 6001500 covalente 500 1250 van der Waals 40 2019 Slide 10 MRF300 Princípios de Ciência e Engenharia de Materiais Aula 2 ligações químicas influência no arranjo atômico de sólidos e classes de materiais Ligação metálica Alumínio Z13 1s2 2s2 2p6 3s2 3p1 cátions Al3 Nuvem de elétrons de valência livres Há atração eletrostática entre as cargas positivas dos cátions e a nuvem eletrônica negativa que sustenta a ligação entre as espécies metálicas A presença da nuvem eletrônica garante a nãodirecionalidade da ligação metálica 2019 Slide 11 MRF300 Princípios de Ciência e Engenharia de Materiais Aula 2 ligações químicas influência no arranjo atômico de sólidos e classes de materiais Ligação metálica há elétrons livres Excelentes condutores elétricos e térmicos Ligações não direcionais não há necessidade de manter vizinhos próximos fácil mudar a forma alta ductilidade Predominante em materiais METÁLICOS 2019 Slide 12 MRF300 Princípios de Ciência e Engenharia de Materiais Aula 2 ligações químicas influência no arranjo atômico de sólidos e classes de materiais Ligação metálica A presença da nuvem eletrônica garante a nãodirecionalidade da ligação metálica 2019 Slide 13 MRF300 Princípios de Ciência e Engenharia de Materiais Aula 2 ligações químicas influência no arranjo atômico de sólidos e classes de materiais Ligação iônica Sódio Z11 1s2 2s2 2p6 3s1 Cloro Z17 1s2 2s2 2p6 3s2 3p5 Na Cl A aproximação de átomos eletronegativos não metais de eletropositivos metais gera transferência de elétrons de valência do eletropositivo para o eletronegativo Cl Na A ligação iônica resultante é omnidirecional e de caráter puramente eletrostático e necessita no sólido do balanço das cargas positivas e negativas tridimensionalmente 2019 Slide 14 MRF300 Princípios de Ciência e Engenharia de Materiais Aula 2 ligações químicas influência no arranjo atômico de sólidos e classes de materiais Ligação iônica A aproximação de átomos eletronegativos não metais de eletropositivos metais gera transferência de elétrons de valência do eletropositivo para o eletronegativo Cl Na 2019 Slide 15 MRF300 Princípios de Ciência e Engenharia de Materiais Aula 2 ligações químicas influência no arranjo atômico de sólidos e classes de materiais Cl Na distância entre átomos Energia potencial 0 A distância de equilíbrio entre núcleos é resultado da minimização de energia potencial associada à ligação do do Ligação por forças atrativas de Coulomb 2019 Slide 16 MRF300 Princípios de Ciência e Engenharia de Materiais Aula 2 ligações químicas influência no arranjo atômico de sólidos e classes de materiais A distância de equilíbrio entre núcleos é resultado do equilíbrio entre as forças repulsivas FR e atrativas FA minimizando a energia potencial do sistema associada a ligação química 𝐸𝑁 න 𝐹𝑑𝑟 𝐹 𝐹𝐴 𝐹𝑅 2019 Slide 17 MRF300 Princípios de Ciência e Engenharia de Materiais Aula 2 ligações químicas influência no arranjo atômico de sólidos e classes de materiais Ligação iônica Não há elétrons livres isolantes elétricos e térmicos Ligações omnidirecionais para manutenção do balanço entre cargas elétricas Difícil mudar a forma Alta dureza alta fragilidade Predominante em materiais CERÂMICOS 2019 Slide 18 MRF300 Princípios de Ciência e Engenharia de Materiais Aula 2 ligações químicas influência no arranjo atômico de sólidos e classes de materiais Ligação covalente Carbono Z6 1s2 2s1 2p3 Perder ou ganhar 4 elétrons para completar a camada L httpwwwgcsesciencecomMethaneMoleculegif httpwwwglobalwarmingartcomwikiImageMetha neMoleculeFormulasvg httpuploadwikimediaorgwikipediacommonsthumb558M ethane3Dballspng595pxMethane3Dballspng Ligações covalentes são altamente direcionais o C por exemplo forma ligações a 10928 Isto dá a estruturas deste tipo semelhança geométrica ao tetraedro 2019 Slide 19 MRF300 Princípios de Ciência e Engenharia de Materiais Aula 2 ligações químicas influência no arranjo atômico de sólidos e classes de materiais Ligação covalente Não há elétrons livres isolantes elétricos e térmicos Ligações direcionais compartilhamento de elétrons Difícil mudar a forma se ligação for puramente covalente Alta dureza alta fragilidade C diamante SiC É uma das ligações presente em materiais POLIMÉRICOS que também tem 2019 Slide 20 MRF300 Princípios de Ciência e Engenharia de Materiais Aula 2 ligações químicas influência no arranjo atômico de sólidos e classes de materiais Ligação de van der Waals ou ligação fraca ou secundária C C H H H H É a atração mútua de dipolos elétricos No exemplo os átomos de carbono do polietileno exercem maior poder atrativo distorcendo o orbital 1s do átomo de hidrogênio Estabelecese assim uma fraca atração entre as longas cadeias de ligação covalente H H H H H C C C C C H H H H H 2019 Slide 21 MRF300 Princípios de Ciência e Engenharia de Materiais Aula 2 ligações químicas influência no arranjo atômico de sólidos e classes de materiais Polímero muitos meros cadeias moleculares longas Se ligações entre cadeias forem todas covalentes Alta dureza e fragilidade termofixos Se ligações entre cadeias forem todas secundárias Mobilidade facilitada termoplásticos Arranjos especiais entre cadeias Alta flexibilidade elastômeros 2019 Slide 22 MRF300 Princípios de Ciência e Engenharia de Materiais Aula 2 ligações químicas influência no arranjo atômico de sólidos e classes de materiais Leituras recomendadas sobre a aula de hoje Callister capítulo 2 Preparação para a próxima aula Callister capítulos 3 e 4 Atividades recomendadas sobre a aula de hoje Moodle