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Estrutura Atômica

Prof. Dr. Carlos Roberto Prof. Dr. Carlos Roberto GrandiniGrandini

Bauru2006

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O que é nanotecnologia?

Nanotecnologia pode ser considerada como um conjunto de atividades ao nível de átomos e moléculas que tem aplicação no mundo real.

Um nanômetro é a bilionésima parte de um metro, que corresponde a aproximadamente 1/80.000 o diâmetro de um fio de cabelo humano ou 10 vezes o diâmetro de um átomo de hidrogênio.

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Por quê o carbono, na forma de diamante, é um dos materiais mais duros conhecidos até hoje, mas na forma de grafite é muito mole e pode ser usado como lubrificante sólido?

A diferença está na maneira como os átomos estão ligados. O diamante é mais denso e duro.

DiamanteGrafite

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Cientistas e engenheiros que estudam e desenvolvem materiais devem compreender

sua estrutura atômica

Composição Estrutura

PropriedadesComportamento

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Nós podemos examinar e descrever a estrutura dos materiais em cinco níveis diferentes:

Macroestrutura:

Estrutura do material em nível macroscópico

Características:

– Porosidade

– Camadas superficiais

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Microestrutura

É a estrutura do material numa escala de comprimento de 10 a 1000 nm.

Características:

– Contorno de grãos– Distribuição de grãos

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Nanoestrutura

É a estrutura do material numa escala de comprimento de 1 a 100 nm.

Características:

– Agregados atômicos

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20nm

20 nm

Superfície do Si(111) mostrandouma reconstrução (7x7)

By Robert Hamers (Wisconsin)

Superfície de Au(111) com resolução atômica.

2 nm

3nm

By Gabor Somorjai (Berkeley)

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Arranjos atômicos de curto e longo alcance

Constituem a forma como os átomos se agrupam para formar um material.

Características:

– Amorfos: ordenamento de átomos ou íons de curto alcance.

– Cristalinos: ordenamento de átomos ou íons de curto ou longo alcance.

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Estrutura AtômicaPropriedades dos materiais sólidos:

– dependem do arranjo geométrico dos átomos; – dependem das interações que existem entre os átomos ou moléculas que

constituem o sólido.

Em materiais sólidos:

– os átomos são mantidos por ligações.

Ligações:– propiciam resistência;– propiciam propriedades elétricas e térmicas aos materiais.

Ligações fortes:– Resultam altos pontos de fusão;

– Módulo de Elasticidade elevado;

– Coeficientes de dilatação térmica bem baixos.

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Átomo– Unidade básica da estrutura interna de qualquer material;

– Composição:

» Núcleo muito pequeno, contendo prótons e neutrons;

» Elétrons orbitando em torno do núcleo.

» Elétrons e prótons são carregados eletricamente, enquanto neutrons são neutros:

Elétrons carregados negativamente;

Prótons carregados positivamente;

Carga elétrica: 1,6 X 10-19 C.

» Prótons e neutrons possuem aproximadamente a mesma massa:

1,67 X 10-27 kg

» Elétrons possuem massa muito menor:

9,11 X 10-31 kg

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– Caracterizado pelo número de prótons presentes no núcleo, denominado número atômico (Z);

Elemento Químico

– Átomo eletricamente neutro:

» Número de elétrons igual ao número de prótons;

– Massa Atômica (A):» Soma do número de prótons e número de neutrons;

A = Z + N

1 mol de material 6,02 X 1023 átomos

» Especificada em termos de u.m.a ou massa por mol do material:

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Classificação PeriódicaGrupos:

– Colunas que reúnem átomos de características químicas e eletrônicas semelhantes;

– Mais à esquerda (metais):

» Cedem elétrons mais externos.

– Mais à direita (não-metais):» Recebem elétrons.

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Elétrons em ÁtomosOs elétrons que acompanham um átomo estão sujeitos a muitas mudanças de comportamento devido às características vibratórias de seu movimento ao redor do núcleo atômico.

Átomos individuais:

– Elétrons tem estados de energia específicos: órbitas;

– Fenômenos não podem ser explicados em termos da mecânica clássica;

– Comportamento de elétrons em átomos ou sólidos cristalinos éexplicado pela mecânica quântica;

– Modelo mais simples: Bohr.

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Modelo de Bohr

Elétrons movem-se ao redor do núcleo em órbitas discretas;

A posição de um elétron é definida em termos de sua órbita;

Os níveis de energia dos elétrons são quantizados:

– São permitidos aos elétrons possuírem somente valores específicos de energia:

» Eles podem mudar sua energia, saltando para um nível de energia mais alto, com absorção de energia ou para um nível mais baixo, emitindo energia.

– Estes valores de energia são conhecidos como níveis de energia ou estados.

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NúcleoÓrbitas

Modelo de Bohr

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-15

-13,6

-10

-5-3,4

-1,50

Energia(eV)

n = 1

n = 2

n = 3

1s

2p2s

3d3p3s

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Números Quânticos:

Quatro parâmetros que caracterizam um elétron presente num átomo:

– Número quântico principal n:» Indica o número de camadas;» Camadas também são representadas por letras K, L, M, N, O ...

– Número de sub-camadas, l:» São representadas por letras s, p, d, f;» São restritas ao número quântico principal.

– Número de estados de energia, ml:» Representa o número de estados de energia em cada sub-camada:

camada s, único estado;camada p, três estados;

camada f, sete estados.

– Spin do elétron, ms:

» Representa o momento de spin do elétron;» Assume os valores + ½ ( spin orientado para cima) e –½ (spin orientado para

baixo).

camada d, cinco estados;

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32147f

105d

63p

21sN4

18105d

63p

21sM3

863p

21sL2

221sK1

elétrons por camadas

elétrons por sub-camadas

estadossub-camadacamadan

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Configurações eletrônicas– Estados eletrônicos:

» Valores de energia permitidos para os elétrons» Maneira pela qual são preenchidos:

Princípio de exclusão de Pauli

– Cada estado eletrônico não pode conter mais do que dois elétrons

– Estado fundamental:

» Todos os elétrons ocupam os estados de energia mais baixos

– Estrutura de um átomo:

» Maneira como os estados são ocupados.

– Elétrons de valência:

» Aqueles que ocupam a camada mais externa preenchida.

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1s2 2s2 2p6 3s2 3p517ClCloro

1s2 2s2 2p6 3s2 3p416SEnxofre

1s2 2s2 2p6 3s2 3p315PFósforo

1s2 2s2 2p6 3s2 3p214SiSilício

1s2 2s2 2p6 3s2 3p113AlAlumínio

1s2 2s2 2p6 3s212MgMagnésio

1s2 2s2 2p6 3s111NaSódio

1s2 2s2 2p610NeNeônio

1s2 2s2 2p59FFlúor

1s2 2s2 2p48OOxigêno

1s2 2s2 2p37NNitrogênio

1s2 2s2 2p26CCarbono

1s2 2s2 2p15BBoro

1s2 2s2 4BeBerílio

1s2 2s13LiLítio

1s22HeHélio

1s11HHidrogênio

Configuração EletrônicaNo. AtômicoSímboloElemento

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RAN FFF +=

onde: FA ≡ força de atraçãoFR ≡ força de repulsãoFN ≡ força resultante

Forças e Energia de ligação

Quando dois átomos se aproximam, eles exercem uma força um no outro:

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Dois átomos distantes– a força de interação é praticamente nula

Atrativa

Repulsiva

distânciaentre osátomos

À medida que eles se aproximam:cada átomo exerce uma força sobre o outro

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Ligações QuímicasPara compreendermos muitas das propriedades de materiais, é preciso conhecermos a natureza das forças que mantém os átomos unidos.

– Longas distâncias:

– Atrações interatômicas:

Forças de Ligação:

» causadas pela estrutura eletrônica dos átomos;

Consideremos a interação entre dois átomos isolados:

» Interações são desprezíveis;

» Cada um exerce uma força sobre o outro;» Forças dois tipos:

Atrativas;

Repulsivas;Intensidade é função da separação e da distância interatômica;

» Curtas Distâncias

Origem:– Depende da ligação particular que existe entre os átomos.

Força do tipo coulombiana

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– Ligação interatômica mais fácil de ser descrita e visualizada;

Ligação iônica

– Atração mútua entre cargas positivas e negativas;

– Sempre encontrada em compostos de um elemento metálico e outro não metálico:

» Metálico: cede elétrons (cátion);

» Não metálico: recebe elétrons (ânion);

– Cátion muito menor que o ânion.

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Exemplo:

Na: Z = 11 Cl: Z = 17

Para o cloreto de sódio, tanto o cátion Na+ quanto o ânion Cl- ficam com seus orbitais externos completos.

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– metal (esquerdo TP) + não-metal (direito TP)

– envolve a transferência de elétrons de um átomo para outro

– resulta da interação eletrostática entre um íon positivo e um íon negativo

– a ligação é não-direcional

– é a ligação predominante nos materiais cerâmicos

– os materiais são duros e quebradiços

– bons isolantes térmicos e elétricos

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– Atração Coulombiana;

» Ions positivos e negativos, em virtude de suas cargas elétricas líquidas, se atraem.

Para dois átomos isolados:

– Energia de atração, EA:

EA = - A / r

– Energia de repulsão, ER:

ER = - B / rn

onde: A, B e n são constantes

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Resistência mecânica:aumenta com a força máxima e com a profundidade do poço da curva de energia de ligação.

Pontos de fusão e de ebulição: aumentam com a profundidade do poço da curva de energia de ligação.

Coeficiente de expansão térmica: diminui com a profundidade do poço da curva de energia de ligação.

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Ligações CovalentesNeste tipo de ligação, os átomos compartilham elétrons. Dois átomos que estão covalentemente ligados irão contribuir com pelo menos um elétron para a ligação e os elétrons compartilhados, serão considerados pertencentes aos dois átomos.

CH

H

H

H

CH4

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Um átomo de carbono pode formar orbitais sp3

orbitals posicionados simetricamente atravésdos vertices de um tetraedro.

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Ligações Metálicas

– Encontrada em metais ou ligas;

– Materiais Metálicos:

» Um, dois ou três elétrons de valência;

» Não são ligados, mas livres para circular pelo material;

» Formam um “mar” de elétrons livres;

» Elétrons ligados:

Caroços iônicos com carga positiva;

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+ + + +

+ + + +

- --

- --

- - --

-

-

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Ligações de Van der Waals– São ligações mais fracas que as primeiras;

– São ligações encontradas em gases inertes;

– São ligações entre moléculas que são ligadas covalentemente;

– Dão origem a dipolos moleculares;

– Pontes de Hidrogênio

Moléculas

Uma molécula pode ser definida como um grupo de átomos que são ligados por ligações primárias fortes, mas cujas ligações a outros grupos similares são

fracas.

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– Ocorrem atrações entre dipolos gerados pela assimetria de cargas.

– O mecanismo dessas ligações é similar ao das ligações iônicas, porém não existem elétrons transferidos.

– Polímeros - cadeia de PVC– H + Cl: covalente– entre cadeias -Van der Waals

Representação esquemática da ligação de Van der Waals

entre dois dipolos.

H (+)Cl (-)

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Ligações Químicas

Iônica Covalente MetálicaLigação Atração

entre íons decargasopostas

Compartilhamen-to eletrônico

Compartilhamen-to eletrônico

Tipos decompostos

sólidos Moléculasdiatômicas esólidosmacromoleculares

sólidos

Condutividade Sol.: não Sol.: não Sol.: simLíq.: sim Líq.: não Líq.: simAq.: sim Aq.: podem

conduzir porformação de íons

Aq.: podemconduzir porreagirem comágua formandoíons