Propriedades Gerais dos Metais• São maleáveis e dúcteis• São excelentes condutores de eletricidade e calor.• Apresentam brilho metálico característico.• Têm altos índices de reflexão.• Suas estruturas cristalinas são invariavelmente do

tipo cúbico de empacotamento compacto, hexagonal compacto, ou cúbico de corpo centrado.

• Formam ligas com facilidade.

LIGAÇÃO METÁLICALIGAÇÃO METÁLICA

Quadro 1: Condutividade Elétrica de Quadro 1: Condutividade Elétrica de Vários SólidosVários Sólidos

Substância Tipo de Ligação

Condutividade (ohm. cm-1)

Prata Metálica 6,3 x 105

Cobre Metálica 6,0 x 105

Sódio Metálica 2,4 x 105

Zinco

Metálica 1,7 x 105

NaCl Iônica 1,0 x 10-7

Diamante Covalente 1,0 x 10-14

Quartzo Covalente 1,0 x 10-14

Elemento eletropositivo + Elemento eletronegativo → ligação iônica

Elemento eletronegativo + Elemento eletronegativo → ligação covalente

Elemento eletropositivo + Elemento eletropositivo → ligação metálica.

Estes tipos de ligações são representações idealizadas.

Por exemplo, o LiCl é considerado um composto iônico, mas ele é solúvel em álcool, o que sugere um certo caráter de ligação covalente.

TIPOS DE LIGAÇÕESTIPOS DE LIGAÇÕES

TABELA 1 : INTERAÇÕES ENTRE TABELA 1 : INTERAÇÕES ENTRE AS ESPÉCIES QUÍMICASAS ESPÉCIES QUÍMICAS

ESPÉCIE QUÍMICA INTERAÇÃO INTENSIDADE

Átomos Ligação Covalente muito forte

Íons Ligação Iônica muito forte

Íon-Molécula polar Íon-Dipolo forte

Molécula polar-Molécula polar

Dipolo-Dipolo média

Moléculas Ligação de Hidrogênio média

Todas Forças de Dispersão deLondon

fraca

A ligação iônica envolve a transferência completa de um ou mais elétrons de um átomo para outro.

A ligação covalente envolve em geral o compartilhamento de um par de elétrons entre dois átomos.

Na ligação metálica metálica os elétrons de valência são livres para se deslocar através de todo o cristal.

COMPARAÇÃO ENTRE AS LIGAÇÕES

TRANSIÇÃO ENTRE OS PRINCIPAIS TIPOS DE LIGAÇÃO: IÔNICA, COVALENTE E METÁLICA

AS LIGAÇÕES QUÍMICAS SÃO INTERMEDIÁRIAS ENTRE ESSES TRÊS TIPOS E POSSUEM ALGUMAS CARACTERÍSTICAS DE DUAS DELAS, AS VEZES DAS TRÊS LIGAÇÕES.

I2 - ClF – OF2 - NF3 – CCl4 – BF3 – BeF2 – Na2O

Li –Na3Bi–Na3Sb – Na3As – Na3P – Na3N – Na2O– CsF Lin – Agn – Snn – Asn – Ten – Sn – I2

LIGAÇÃO METÁLICA

LIGAÇÃO METÁLICALIGAÇÃO METÁLICA

Os metais são formados por íons positivos empacotados, normalmente segundo um dos três arranjos

Cúbico de corpo centrado: elementos do grupo 1 e Bário Cúbico de face

centrada:Cu e Ca

Denso hexagonal: Be e Mg

Modelo de Mar de Elétrons para a Ligação Metálica

• Utilizamos um modelo deslocalizado para os elétrons em um metal.

– Os cátions metálicos estão imersos num mar de elétrons.

– Nenhum elétron é localizado entre dois átomos de metal.

– Assim, os elétrons podem fluir livremente através do metal.

LIGAÇÃO METÁLICALIGAÇÃO METÁLICA

– Sem quaisquer ligações definidas, os metais são fáceis de deformar (são maleáveis e dúcteis).

• Problemas com o modelo do mar de elétrons:

– À medida que o número de elétrons aumenta, a força da ligação deveria aumentar e o ponto de fusão deveria aumentar.

LIGAÇÃO METÁLICALIGAÇÃO METÁLICA

LIGAÇÃO METÁLICALIGAÇÃO METÁLICAILUSTRAÇÃO DO MODELO DO MAR ILUSTRAÇÃO DO MODELO DO MAR

DE ELÉTRONSDE ELÉTRONS

LIGAÇÃO METÁLICA – OUTRA ILUSTRAÇÃO LIGAÇÃO METÁLICA – OUTRA ILUSTRAÇÃO DO MODELO DO MAR DE ELÉTRONSDO MODELO DO MAR DE ELÉTRONS

Na ilustração esquemática do modelo do mar de elétrons cada esfera é um íon metálico carregado positivamente.

Nesse modelo o metal é visualizado como uma rede de cátions metálicos imersos em um mar de elétrons como ilustrado na figura anterior.

LIGAÇÃO METÁLICA – MODELO LIGAÇÃO METÁLICA – MODELO DO MAR DE ELÉTRONSDO MAR DE ELÉTRONS

O modelo do mar de elétrons não explica adequada-mente todas as propriedades.

De acordo com o modelo, a força da ligação entre os átomos metálicos deveria aumentar à medida que o número de elétrons de valência aumenta, aumentando consequentemente o PF à medida que o número de elétrons de valência aumenta.

LIGAÇÃO METÁLICA – MODELO LIGAÇÃO METÁLICA – MODELO DO MAR DE ELÉTRONSDO MAR DE ELÉTRONS

DIFICULDADE:

Entretanto, os metais do grupo 6 (Cr, Mo,W), que estão no centro dos metais de transição, têm os mais altos PF em seus respectivos períodos.

LIGAÇÃO METÁLICA – MODELO LIGAÇÃO METÁLICA – MODELO DO MAR DE ELÉTRONSDO MAR DE ELÉTRONS

LIGAÇÃO METÁLICA – LIGAÇÃO METÁLICA – MODELO MODELO

DO MAR DE ELÉTRONSDO MAR DE ELÉTRONS

Tabela 2 - Pontos de Fusão de Alguns Metais de Transição

Modelo do Orbital Molecular Para os Metais

• A ligação deslocalizada requer que os orbitais atômicos em um átomo interajam com orbitais atômicos de átomos vizinhos.

• Exemplo: os elétrons da grafita estão deslocalizados sobre um plano inteiro, as moléculas de benzeno têm elétrons deslocalizados sobre um anel.

LIGAÇÃO METÁLICALIGAÇÃO METÁLICA

Modelo do Orbital Molecular Para os Metais

• Lembre-se: o número de orbitais moleculares é igual ao número de orbitais atômicos.

• Nos metais há um número muito grande de orbitais.

LIGAÇÃO METÁLICALIGAÇÃO METÁLICA

OS ELÉTRONS PI DESLOCALIZADOS OS ELÉTRONS PI DESLOCALIZADOS NO ANEL BENZÊNICONO ANEL BENZÊNICO

Modelo do Orbital Molecular Para os Metais

• À medida que o número de orbitais aumenta, sua diferença de energia diminui e eles formam uma banda contínua de estados de energia permitidos.

• O número de elétrons não preenche completamente a banda de orbitais.

LIGAÇÃO METÁLICALIGAÇÃO METÁLICA

Modelo do Orbital Molecular Para os Metais

• Conseqüentemente, os elétrons podem ser promovidos para bandas de energia desocupadas.

• Uma vez que as diferenças de energia entre os orbitais são pequenas, a promoção de elétrons ocorre com um pequeno gasto de energia.

LIGAÇÃO METÁLICALIGAÇÃO METÁLICA

•

Orbitais moleculares ligantes

Orbital molecular ligante

Orbital molecular antiliganteOrbitais atômicos

FORMANDO ORBITAIS MOLECULARES A PARTIR DE ORBITAIS ATÔMICOS

LIGAÇÃO METÁLICALIGAÇÃO METÁLICA

A ilustração anterior mostra que a medida que o número de orbitais moleculares aumenta diminui a

separação energética entre estes orbitais.

Nos metais a interação de um número muito grande de orbitais forma uma banda aproximadamente contínua de orbitais moleculares deslocalizados

por toda a rede metálica.

O número de elétrons disponível não preenche completamente esses orbitais.

LIGAÇÃO METÁLICALIGAÇÃO METÁLICA

Modelo do Orbital Molecular Para os Metais

• Ao movermos ao longo da série de metais de transição, a banda antiligante começa a ficar preenchida.

• Desta forma, a primeira metade da série de metais de transição tem apenas interações ligante-ligante, a segunda metade tem interações ligante-antiligante.

LIGAÇÃO METÁLICA LIGAÇÃO METÁLICA

Modelo do Orbital Molecular Para os Metais

• Espera-se que o meio da série de metais de transição tenha os pontos de fusão mais altos.

• O intervalo de energia entre as bandas é chamado de intervalo de bandas, nível proíbido ou lacuna de banda.

LIGAÇÃO METÁLICA LIGAÇÃO METÁLICA

ISOLANTES, CONDUTORES E ISOLANTES, CONDUTORES E SEMICONDUTORES INTRÍNSECOSSEMICONDUTORES INTRÍNSECOS

Tabela 3 :

ISOLANTES, CONDUTORES EISOLANTES, CONDUTORES E SEMICONDUTORES INTRÍNSECOSSEMICONDUTORES INTRÍNSECOS

Banda de Banda de Banda de

Banda de Banda de Banda de

Grande lacuna Grande lacuna entre as bandasentre as bandas Pequena lacuna

entre as bandas

Ex: Silício Ex: Lítio Ex: Diamante

A condutividade elétrica de um semicondutor pode ser modificada adicionando-se pequenas quantidades de outras substâncias.

Esse processo é denominado dopagem.Consideremos o que acontece quando o Si é dopado

com elementos do grupo 15 como P, As, Sb ou Bi.Os átomos de P substitui o Si em posições aleatórias

na estrutura.Entretanto o P possui 5 elétrons de valência por

átomo, enquanto o Si possui 4 elétrons de valência.

SEMICONDUTORES EXTRÍNSECOSSEMICONDUTORES EXTRÍNSECOS

Em um semicondutor do tipo “n” (por exemplo Si dopado com As) um nível doador está próximo da banda de condução em termos de energia.

Em um semicondutor do tipo “p” ( por exemplo Si dopado com Ga) a condutividade elétrica é devida a um nível receptor ser populado termicamente o que deixa vazios (buracos positivos) na banda inferior

SEMICONDUTORES EXTRÍNSECOSSEMICONDUTORES EXTRÍNSECOS

Semicondutores Extrínsecos

Os semicondutores extrínsecos contêm dopantes; um dopante é uma impureza introduzida em um semicondutor em quantidades mínimas para reforçar a sua condutividade elétrica.

SEMICONDUTORES EXTRÍNSECOSSEMICONDUTORES EXTRÍNSECOS

Semicondutores Íntrínsecos:Se um material se comporta como um semicondutor

sem a adição de dopantes, ele é um semicondutor intrínseco.

NÍVEL DE FERMIO nível de energia do orbital mais alto ocupado em

um metal no zero absoluto é chamado nível de Fermi

SEMICONDUTORES INTRÍNSECOSSEMICONDUTORES INTRÍNSECOS

SEMICONDUTORES INTRÍNSECOS E SEMICONDUTORES INTRÍNSECOS E EXTRÍNSECOSEXTRÍNSECOS

BANDA DE CONDUÇÃO

BANDA DE VALÊNCIA

Nível doador

Nível receptor

Silício puroSilício dopado com Fósforo .Semicondutordo tipo “n”

Silício dopado comGálio.Semicondutordo tipo “p”

BANDA DE CONDUÇÃO

INTRÍNSECO EXTRÍNSECO EXTRÍNSECO

No silício puro (semicondutor intrínseco) os elétrons da banda de valência apenas preenchem a banda de energia permitida de mais baixa energia.

No Si dopado com P (semicondutor extrínseco) o excesso de elétrons ocupa os orbitais de mais baixa energia na banda de condução. Esses elétrons são capazes de conduzir corrente elétrica.

SEMICONDUTORES INTRÍNSECOS E SEMICONDUTORES INTRÍNSECOS E EXTRÍNSECOSEXTRÍNSECOS

No Si dopado com Ga ( semicondutor extrínseco) não existem elétrons em número suficiente para ocupar completamente a banda de valência. A presença de orbitais vazio nessa banda permite a passagem de corrente.

SEMICONDUTORES EXTRÍNSECOSSEMICONDUTORES EXTRÍNSECOS

Se o Si é dopado com um elemento do grupo 13 como o Ga, In e Tl , a banda de valência está preenchida de maneira incompleta porque o Ga, In e Tl tem 3 elétrons na camada de valência.

Nesse caso os elétrons podem mover-se dos orbitais moleculares ocupados para aqueles que estão vazios na banda de valência.

SEMICONDUTORES EXTRÍNSECOSSEMICONDUTORES EXTRÍNSECOS

O Si dopado com Ga, In ou Tl é chamado semicondutor do tipo “p” porque esta dopagem cria sítios vagos de elétrons que podem ser tratados como buracos positivos no sistema.

SEMICONDUTORES EXTRÍNSECOSSEMICONDUTORES EXTRÍNSECOS

As ligas têm mais de um elemento com características de metais.

• Os metais puros e as ligas têm propriedades físicas diferentes.

• Na joalheria, usa-se uma liga de ouro e cobre (a liga é bastante dura; o ouro puro é muito macio).

• As ligas de solução são misturas homogêneas.• Ligas heterogêneas: os componentes não estão

dispersos uniformemente (por exemplo, aço de perlita tem duas fases: Fe quase puro e cementita, Fe3C).

LIGASLIGAS

QUADRO 2 - ALGUMAS LIGAS COMUNSQUADRO 2 - ALGUMAS LIGAS COMUNS

• .ELEMENTOPRIMÁRIO

NOME DA LIGA COMPOSIÇÃO EMMASSA

BISMUTO METAL DE MADEIRA

50% Bi, 25% Pb, 12,5% Sn, 12,5% Cd

COBRE LATÃO AMARELO 67% Cu, 33% Zn

FERRO AÇO INOXIDÁVEL 80,6 Fe, 0,4%C,18% Cr, 1% Ni

CHUMBO SOLDA DE CHUMBO

67% Pb, 33% Sn

PRATA PRATA ESTERLINA 92,5% Ag, 7,5% Cu

Existem dois tipos de ligas de solução :– Liga substitucional (os átomos do soluto tomam

as posições do solvente);– Liga intersticial (o soluto ocupa sítios

intersticiais na rede metálica).• Nas ligas substitucionais:

– os átomos devem ter raios atômicos semelhantes, e características de ligação química.

– Um exemplo é a prata esterlina.

LIGAS DE SOLUÇÃOLIGAS DE SOLUÇÃO

• Nas ligas intersticiais:– um elemento deve ter um raio

significativamente menor do que o outro (para que caiba no sítio intersticial), por exemplo, um não-metal.

– A liga é bem mais forte do que o metal puro (ligação fortalecida entre não-metal e metal).

– Exemplo: aço (contém até 3% de carbono).

LIGAS DE SOLUÇÃOLIGAS DE SOLUÇÃO

• NA LIGA HETEROGÊNEA OS COMPONENTES NÃO ESTÃO DISPERSOS UNIFORMEMENTE.

• EM GERAL, AS PROPRIEDADES DAS LIGAS HETEROGÊNEAS DEPENDEM NÃO APENAS DA COMPOSIÇÃO MAS TAMBÉM DA MANEIRA PELA QUAL O SÓLIDO É FORMADO A PARTIR DA MISTURA FUNDIDA.

LIGAS HETEROGÊNEASLIGAS HETEROGÊNEAS

– O RESFRIAMENTO RÁPIDO LEVA A PROPRIEDADES DISTINTAS DAQUELAS QUE SÃO OBTIDAS PELO RESFRIAMENTO LENTO.

LIGAS HETEROGÊNEASLIGAS HETEROGÊNEAS

LIGA SUBSTITUCIONAL A ESQUERDA LIGA SUBSTITUCIONAL A ESQUERDA E INTERSTICIAL A DIREITAE INTERSTICIAL A DIREITA

LIGA SUBSTITUCIONAL LIGA INTERSTICIAL

OS COMPOSTOS INTERMETÁLICOS SÃO LIGAS HOMOGÊNEAS QUE TÊM PROPRIEDADES E COMPOSIÇÕES DEFINIDAS.– Ex: CuAl2, MgZn2, Cu3Au, NaTl, Na5Zn21.– OUTROS EXEMPLOS : Ni3Al → PRINCIPAL

COMPONENTE DO MOTOR DE AERONAVES A JATO DEVIDO A SUA RESISTÊNCIA E BAIXA DENSIDADE.

– Cr3Pt → REVESTIMENTO DE LÂMINA DE NAVALHA

COMPOSTOS INTERMETÁLICOSCOMPOSTOS INTERMETÁLICOS

TABELA 4 : TIPOS DE SÓLIDOS CRISTALINOSTABELA 4 : TIPOS DE SÓLIDOS CRISTALINOSTIPO DE SÓLIDO FORMA DAS

PARTÍCULASUNITÁRIAS

FORÇA ENTRE ASPARTÍCULAS

EXEMPLOS

MOLECULAR ÁTOMOS EMOLÉCULAS

FORÇAS DE DISPERSÃO DE

LONDON, FORÇAS DIPOLO-

DIPOLO, LIGAÇÕES DE HIDROGÊNIO

ARGÔNIO, METANO,

SACAROSE,GELO SECO, H2O

COVALENTE

ÁTOMOS LIGADOS EM

UMA REDE DE LIGAÇÕES

COVALENTES

LIGAÇÕES COVALENTES

DIAMANTE, QUARTZO, SiO2

SiC, Al2O3

IÔNICOÍONS POSITIVOS

E NEGATIVOSLIGAÇÕESIÔNICAS

CLORETO DE SÓDIO, NITRATO

DE CÁLCIO

METÁLICO ÁTOMOS LIGAÇÕES METÁLICAS

TODOS OS ELEMEN-TOS METÁLICOSEx: Na, Ag, Fe, W