Aula 2: Estrutura atômica e ligação interatômica
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Curso: Engenharia Civil
Disciplina: Introdução a ciência dos materiais
Período: 3º
Turma: C
Turno: Noturno
Faculdade Pitágoras
Unidade Maceió
Estrutura Atômica e ligação interatômica
Profº Dr. José Atalvanio
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Estrutura Atômica – Conceitos fundamentais
Átomo => prótons e nêutrons, rodeado por elétrons em movimento.
Modelo hipotético de um átomo
Prótons = + 1,602 x 10-19 CElétrons = - 1,602 x 10-19 CNêutrons = eletricamente neutros
Cargas das partículas subatômicas
Massas das partículas subatômicas
Prótons = 1,67 x 10-27 KgElétrons = 9,11 x 10 -31 kgNêutrons = 1,67 x 10-27 Kg
Número Atômico (Z) e número de massa (A)
Z representa o número de prótons presentes no núcleo do átomo; A representa a massa do átomo: é a soma dos prótons e nêutrons.
A = Z + N ou A = P + N
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Isótopos: átomos com o mesmo número de P (8O16, 8O17, 8O18);Isóbaros: átomos com o mesmo número de A (19K40, 20Ca40);Isótonos: átomos com mesmo número de N (17Cl37, 20Ca40).
Exemplos:
1) Determine o número atômico e o número de massa de um átomo com 22elétrons e 26 nêutrons?
2) Para o cátion abaixo determine seu número de prótons, elétrons e nêutrons:
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Modelos atômicos
Leucipo (500 a.C.) e Demócrito (460 a.C)John Dalton (1803)
J. J. Thomson (1906)
Ernest Rutherford (1911)
Esfera maciça e indivisível
Modelo de pudim de passasOrbitas circulares
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Niels Bohr (1913)
Modelo atômico de Bohr.
Camadas eletrônicas e distribuição eletrônica
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(a) Três primeiros estadosde energia eletrônicapara o átomo dehidrogênio de Bohr.
(b) Estados de energiaeletrônica para asprimeiras três camadasdo átomo de hidrogêniopela mecânicaondulatória/quântica.
Limitação do modelo:não explicavafenômenos queenvolviam elétrons.
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Comparação do átomo de Bohr (a) eo modelo atômico da mecânicaquântica (b) para distribuiçãoeletrônica.
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Números quânticos
Cada elétron é caracterizado por 4 parâmetros: n (tamanho), l (forma), m, s.
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Representação esquemáticadas energias relativas doselétrons para várias camadase subcamadas.
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Determine os 4números quânticospara um elétrons queapresenta a seguintecontribuição: 2p3
Princípio de exclusão de PaulingOs 4 números quânticos de umelétron nunca serão iguais paraqualquer átomo.
Dê a configuração eletrônica para oCa (Z = 20) e Fe+3 (Z = 26).
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Tabela Periódica
A tabela periódica apresenta:
7 linhas ou períodos; Famílias;Metais; Ametais; Não-metais.
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Ligação atômica nos sólidos
Energias e forças de ligação
Muitas propriedades físicas dosmateriais são entendidas peloconhecimento das forçasinteratômicas presentes.
(a) Dependência das forçasatrativas, repulsivas e líquidasna separação interatômicapara dois átomos isolados.
(b) Dependências das energiasrepulsivas, atrativas epotencial na separaçãointeratômica para dois átomosisolados.
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Ligações interatômicas primárias
Ligação iônica: metal + não-metal; Atrações coulombicas.
Ligação não direcional: a magnitude da ligação é a mesmaem todas as direções.
É o tipo de ligação predominante nas cerâmicas.
São compostos que apresentam altas temperaturas defusão.
Representação esquemática da ligação iônica no NaCl.
F = força;Z1, Z2 = carga dos íons;e-= 1,602 x 10-19Ce0 = (8,85 x 10-12 F/m (ou J-1C2m-1)
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Ligação covalente
Compartilhamento de elétrons entre osátomos ligantes. Ligação direcional: está entre átomosespecíficos podendo existir na direção entre umátomo e outro participantes docompartilhamento. Ligação que ocorre entre ametal com ametal,ou elementos muito eletronegativos e H.
Representação esquemática de ligação covalente na molécula de
metano.
H2, Cl2 ,F2, etc.;
CH4, H2O, HNO3;
HF, HCl, HBr, HI
Podem ser muito fortes como no diamante(Tf > 3550ºC) ou muito fracas como nobismuto (Tf ≈ 270º C); Polímeros apresentam basicamente estetipo de ligação.
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Ligação metálica
Ligação formada entre metais;
Os elétrons de valência não encontram-se em
um átomo particular, distribuem-se no metal
inteiro;
Formação de uma nuvem de elétron ou mar de
elétron.
Esquema de ilustração para ligação metálica.
Os elétrons livres blindam os íons centrais deforças eletrostáticas repulsivas;
Estes elétrons atuam como cola mantendo osíons centrais ligados.
As ligações podem ser fracas ou fortes: mercúrio(Tf = -39 ºC) e tungstênio (Tf = 3410 ºC)
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Ligação secundária/ligação de van der Waals ou físicas
são ligações fracas quando comparadas com as
ligações primárias.
são ligações evidentes em gases inertes e em
moléculas covalentemente ligadas.
A ligação resulta de atração coulombica entre
a extremidade positiva de um dipolo e a
extremidade negativa de outro dipolo.
Ilustração sistemática de ligação devan der Waals entre dois dipolos.
Ligações dipolo induzido
O dipolo induzido pode ser criado ou induzido.
Representações esquemáticas de(a) um átomo eletricamentesimétrico e (b) um dipoloinduzido.
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Ligação dipolo induzido – molécula polar
Momentos de dipolo permanente existe em moléculas
com arranjo assimétrico de suas regiões positivas ou
negativas.
São moléculas polares;
A molécula de HCl apresenta um dipolo permanente
que se origina das cargas positivas e negativas.
Moléculas polares podem induzir dipolos em moléculas
apolares;
As energias destas ligações são maiores que as dos
dipolos induzidos.
Representaçãoesquemática deuma moléculapolar de HCl.
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Ligações de dipolo permanente
Este tipo de dipolo aparece em moléculas que formam ligações de hidrogênio.
H2O, NH3 e HF
Arranjo das moléculas de água (H2O) no(a) gelo e na (b) água líquida.
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Exemplos gerais
1) Indique o número de prótons, nêutrons e elétrons presentes em cada átomo dosseguintes elementos:
6C129F19
26Fe56
2) Os átomos M e N são isóbaros e apresentam as seguintes características:
10 + xM5x
11 + xN4x + 8
Determine os números atômicos e os números de massa de M e N.
3)
X é
Isótopo do 20Ca41
Isótono do 19K41
Determine o número de massa de X.
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4) “Quando um átomo se transforma em um íon, a variação do número de elétrons,‘ganho ou perda’, ocorre sempre na camada (nível) mais externa, chamada camada devalência.” Com base nessa informação, faça a distribuição eletrônica do 26Fe2+.
5) O titânio é metal utilizado na fabricação de motores de avião e de pinos parapróteses. Quantos elétrons há no último nível da configuração eletrônica desse metal?(Dado: Ti, Z = 22)
6) Determine os 4 números quânticos para o elétron de valência do átomo com Z = 29.
7) O átomo de alumínio e o átomo de oxigênio formam um composto denominadode trióxido de alumínio. Determine o tipo de ligação existente e dê a fórmula docomposto.
8) Determine o tipo de ligação entre os compostos a seguir:
N2, H2O, NH3, CH4