Estruturas Dos Materiais

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1 Estrutura e Propriedades dos Materiais ÁTOMOS E LIGAÇÕES QUÍMICAS Prof. Rubens Caram

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Estrutura e Propriedades dos Materiais

ÁTOMOS E LIGAÇÕES QUÍMICAS

Prof. Rubens Caram

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ÁTOMOS E LIGAÇÕES QUÍMICAS

DIVERSAS PROPRIEDADES DOS MATERIAIS DEPENDEM DO ARRANJO DE SEUS ÁTOMOS E DAS LIGAÇÕES ENTRES OS MESMOS

EXEMPLO

DIAMANTE GRAFITE

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ÁTOMO

OS ÁTOMOS SÃO FORMADOS POR UM PEQUENO NÚCLEO CONSTITUÍDO POR PRÓTONS E NEUTRONS, ENVOLVIDOS POR ELÉTRONS EM MOVIMENTO

ELÉTRONS E PRÓTONS SÃO ELETRICAMENTE ATIVOS:CARGA DO ELÉTRON: -1,6 x 10-19 CCARGA DO PRÓTON: +1,6 x 10-19 C

NEUTRON É ELETRICAMENTE NEUTROMASSAS DO PRÓTON E NEUTRON SÃO APROXIMADAMENTE IGUAIS: 1,67 x 10-27 kgCADA ELEMENTO QUÍMICO É CARACTERIZADO POR UM No

DE PRÓTONS ⇒ “No ATÕMICO”ÁTOMO NEUTRO ⇒ No ELÉTRONS = No PRÓTONS

Z = 1 PARA O HIDROGÊNIOZ = 94 PARA O PLUTÔNIO

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MASSA ATÔMICA

MASSA ATÔMICA (A) DE UM ÁTOMO É A SOMA DAS MASSAS DE SEUS PRÓTONS E NEUTRONSNo DE PRÓTONS É O MESMO PARA UM DETERMINADO ÁTOMONo DE NEUTRONS PODE SER DIFERENTE PARA UM ÁTOMO

ALGUNS ÁTOMOS TEM DOIS OU MAIS VALORES DE A“ISÓTOPOS”

PESO ATÔMICO É A MASSA ATÔMICA MÉDIA DOS ISÓTOPOS DE UM ÁTOMOUNIDADE: 1U.M.A.=1/12 MASSA ATÔMICA DO ISÓTOPO MAIS COMUM DO CARBONO 1 MOL DE UMA SUBSTÂNCIA = 6,023 x 1023 ÁTOMOS

No DE AVOGADRO1 U.M.A./ÁTOMO = 1g/MOLEX.: PESO ATÔMICO DO Fe = 55,85 U.M.A./ÁTOMO OU 55,85 g/MOL

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TEORIA ATÔMICA

550 A.C. – FILÓSOFOS GREGOS PREVIAM QUE A MATÉRIA SERIA FORMADA POR PEQUENAS PARTÍCULAS INDIVISÍVEIS1805 – DALTON (UNIVERSITY OF MANCHESTER):

MATÉRIA É CONSTITÚÍDA POR PEQUENAS PARTÍCULAS (ÁTOMOS)ÁTOMO É INDIVISÍVEL, MASSA E TAMANHO DEPENDEM DO ELEMENTO QUÍMICOCOMPOSTOS PODEM SER FORMADOS POR DIFERENTES ELEMENTOS QUÍMICOS

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TEORIA ATÔMICA

1904 – THOMSON (CIENTISTA INGLÊS)QUAL SERIA NATUREZA RAIOS CATÓDICOS ?RAIOS CATÓDICOS: TUBO SOB VÁCUO, COM TERMINAIS ENERGIZADOS SOB ALTA TENSÃO ELÉTRICA = EMISSÃO DE LUZ

V

+-

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TEORIA ATÔMICA

HIPÓTESES DE THOMSON SOBRE OS RAIOS CATÓDICOS:RAIOS CATÓDICOS SÃO PARTÍCULAS ELETRICAMENTE CARREGADAS;ESSAS PARTÍCULAS SÃO CONSTITUINTES DO ÁTOMO;ESSAS PARTÍCULAS SÃO OS ÚNICOS CONSTITUINTES DO ÁTOMO

ÁTOMO SERIA UMA ESFERA COM MILHARES DE PEQUENOS COMPÚSCULO DISTRIBUÍDOS NO INTERIOR DE UMA NÚVEM COM CARGA POSITIVA: BOLO DE PASSAS.No DE PRÓTONS = No DE ELÉTRONS

+

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MICROSCÓPIO ELETRÔNICO

A RESOLUÇÃO DE UM MICRÓSCOPIO ÓPTICO É LIMITADA PELO COMPRIMENTO DE ONDA DA LUZ VISÍVEL. UM MICROSCÓPIO ELETRÔNICO EMPREGA ELÉTRONS PARA “ILUMINAR” UM OBJETOELÉTRON TÊM COMPRIMENTO DE ONDA MUITO MENOR QUE OS DA LUZ VISÍVEL, O QUE PERMITE ANALISAR ESTRUTURAS MUITO PEQUENASCONSTITUIÇÃO DE UM MICROSCÓPIO ELETRÔNICO:

CANHÃO EMISSOR DE ELÉTRONSLENTES MAGNÉTICASSISTEMA DE VÁCUOSISTEMA QUE CAPTAÇÃO DE ELÉTRONS E EXIBIÇÃO DE IMAGENS

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MICROSCÓPIO ELETRÔNICO

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MICROSCÓPIO ELETRÔNICO

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TEORIA ATÔMICA

1911 – RUTHERFORD (UNIVERSITY OF MANCHESTER):MASSA E CARGA POSITIVA DO ÁTOMO ESTARIAM CONCENTRADOS NO CENTRO DO ÁTOMO (NÚCLEO)ELÉTRONS GIRARIAM EM TORNO DO NÚCLEO, COMO PLANETAS NO SISTEMA SOLARNÚCLEO COM CARGA POSITIVA E POUCOS ELÉTRONS GIRAM EM TORNO DO MESMOCONTRADIÇÃO: ELÉTRONSEM MOVIMENTO DEVERIAMEMITIR ENERGIA, O QUE LEVARIA À CONTRAÇÃODA MATÉRIA

+

-

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MODELO ATÔMICO DE BOHR

MODELO DE BOHR É CONSIDERADO O PRECURSOR DA MECÂNICA QUÂNTICA APLICADA À ESTRUTURA ATÔMICANO MODELO DE BOHR:

ELÉTRONS GIRAM EM TORNO DO NÚCLEO, ESTABELECIDOS EM ÓRBITAS BEM DEFINIDASPOSIÇÃO DE UM DADO ELÉTRON É ESTABELECIDA

NÚCLEO

ÓRBITA

ELÉTRON

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MODELO ATÔMICO DE BOHR

MODELO DE BOHR ⇒ ENERGIA DOS ELÉTRONS É“QUANTIZADA”

CADA ELÉTRON TEM VALOR DEFINIDO DE ENERGIAUM ELÉTRON PODE MUDAR SUA ENERGIA ATRAVÉS DE SALTOS QUÂNTICOS:

NÍVEL ENERGÉTICO MAIOR: ABSORÇÃO DE ENERGIANÍVEL ENERGÉTICO MENOR: EMISSÃO DE ENERGIA

ESTADOS ENERGÉTICOS NÃO VARIAM CONTINUAMENTE: ESTADOS OU NÍVEIS ADJACENTES SÃO SEPARADOS POR VALORES FINITOS DE ENERGIANÍVEIS ESTÃO ASSOCIADOS ÀS ÓRBITAS ELETRÔNICAS:

QDO O ELÉTRON PASSA DE UMA ÓRBITA DE NÍVEL MAIOR ⇒ ABSORVE ENERGIAQDO O ELÉTRON PASSA DE UMA ÓRBITA DE NÍVEL MENOR ⇒ EMITE ENERGIA

ENERGIA ENVOLVIDA NA EMISSÃO OU ABSORÇÃO É MEDIDA PELO QUANTUM

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NÚMEROS QUÂNTICOS

TEORIA ATÔMICA MODERNA CONSIDERA QUE:MOVIMENTO DO ELÉTRON EM TORNO DO NÚCLEO E SUA ENERGIA SÃO DESCRITOS POR QUATRO NÚMEROS QUÂNTICOS

n = NÚMERO QUÂNTICO PRINCIPAL

l = NÚMERO QUÂNTICO SECUNDÁRIO

ml = NÚMERO QUÂNTICO MAGNÉTICO

ms = NÚMERO QUÂNTICO SPIN

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NÚMERO QUÂNTICO PRINCIPAL - “n”

CORRESPONDE AO PARÂMETRO “n” NA EQUAÇÃO DE BOHR

REPRESENTA OS NÍVEIS PRINCIPAIS DE ENERGIA DE UM ELÉTRON E PODE SER INTERPRETADO COMO CAMADAS NO ESPAÇO, ONDE A PROBABILIDADE DE ENCONTRAR UM ELÉTRON É ALTA

“n” VARIA DE 1 A 7: QUANTO MAIOR “n”, MAIS DISTANTE DO NÚCLEO ESTÁ A CAMADA

· QUANTO MAIOR O VALOR DE “n”, MAIOR SERÁ A ENERGIA DO ELÉTRON

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NÚMERO QUÂNTICO SECUNDÁRIO - “l”

ESTE NÚMERO ESTÁ ASSOCIADO A SUBCAMADAS, DENOMINADAS “s”, “p”, “d” e “f”

TAIS SUBCAMADAS SÃO DENOMINADAS DE ORBITAIS

ORBITAL: VOLUME NO ESPAÇO COM ALTA PROBABILIDADE DE SE ENCONTRAR UM ELÉTRON

QUANDO: l=s, ORBITAL É ESFÉRICO

l=p, ORBITAL TEM FORMA DE UM HALTER

l=d, ORBITAL TEM FORMA DE UM DUPLO HALTER

l=f, ORBITAL TEM FORMA COMPLEXA

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NÚMERO QUÂNTICO MAGNÉTICO - “ml”

ESTE NÚMERO ESTÁ ASSOCIADO AO COMPORTAMENTO

DOS ESTADOS ENERGÉTICOS DE UMA SUBCAMADA, SOB

AÇÃO DE UM CAMPO MAGNÉTICO EXTERNO

“ml” VARIA DE -l A l

O NÚMERO TOTAL DE VALORES DE “ml” É (2l + 1)

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NÚMERO QUÂNTICO SPIN - “mS”

ESTE NÚMERO ESTÁ ASSOCIADO À DIREÇÃO DE

ROTAÇÃO DE UM ELÉTRON EM TORNO DE SEU PRÓPRIO

EIXO· “ml” VARIA DE - l A l

EXISTEM DUAS DIREÇÕES DE ROTAÇÃO:

HORÁRIO: +1/2

ANTI-HORÁRIO: -1/2

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NÚMEROS QUÂNTICOS

+1/2 e -1/2SPINms

VALORES INTEIROS-l,(-l+1),...,0,...,(l-1),l

MAGNÉTICOml

l=0,1,2,3,4,...,n-1l=s,p,d,f,...

SECUNDÁRIOl

n=1,2,3,4,...PRINCIPALn

POSSÍVEIS VALORESDESCRIÇÃONÚMERO QUÂNTICO

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ELÉTRONS POR CAMADA

NÚMERO DE ELÉTRONS POR CAMADA:

OS ÁTOMOS SÃO FORMADOS POR CAMADAS COM ALTA

DENSIDADE DE ELÉTRONS

O NÚMERO MÁXIMO DE ELÉTRONS POR CAMADA É FUNÇÃO

DOS QUATRO NÚMEROS QUÂNTICOS OU 2n2

PARA O ELEMENTO FRANCIO (Z=87), O NÚMERO DE CAMADAS

É IGUAL A 7

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ELÉTRONS POR CAMADA

n SUBCAMADAS NÚMERO DE ESTADOS

NÚMERO DE ELÉTRONS

P/ SUBCAMADA POR CAMADA

1 s 0 1 2 2

2 s 0p 1

13

26

8

3 s 0p 1d 2

123

26

1018

4 s 0p 1d 2f 3

1357

26

1014

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DISTRIBUIÇÃO DE ELÉTRONS

CONFIGURAÇÃO ELETRÔNICA EM UM ÁTOMO DESCREVE O ARRANJO DOS ELÉTRONS NOS ORBITAISCONFIGURAÇÃO ELETRÔNICA É DADA PELA NOTAÇÃO:NÚMERO QUÂNTICO PRINCIPAL; ORBITAL s; p; d; fÍNDICE INDICANDO O NÚMERO DE ELÉTRONS POR ORBITAL1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 3d10 4p6 5s2 4d10 5p6 6s2 4f14 5d10 6p6 7s2 5f14 6d10 7p6

1s

2s 2p

3s 3p 3d

4s 4p 4d 4f

5s 5p 5d 5f

6s 6p 6d 6f

7s 7p 7d 7f

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LIGAÇÕES QUÍMICAS

POR QUE OS ÁTOMOS FORMAM LIGAÇÕES ?

ÁTOMOS LIGADOS SÃO TERMODINAMICAMENTE MAIS ESTÁVEIS

ÁTOMOS LIGADOS EXIBEM DIMINUIÇÃO DA ENERGIA POTENCIAL

FORMAÇÃO DE LIGAÇÕES DEPENDE DA REATIVIDADE QUÍMICA DOS ÁTOMOS ENVOLVIDOS ⇒ CONSTITUIÇÃO DA ÚLTIMA CAMADA

ELÉTRONS MAIS EXTERNOS SÃO OS QUE PARTICIPAM DAS LIGAÇÕES

ÁTOMOS SE LIGAM

POR PERDA DE ELÉTRONS: ELETROPOSITIVOS

POR GANHO DE ELÉTRONS: ELETRONEGATIVOS

POR COMPARTILHAMENTO DE ELÉTRONS

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LIGAÇÕES QUÍMICAS

LIGAÇÕES PRIMÁRIASIÔNICA; METÁLICA E COVALENTE

LIGAÇÕES SECUNDÁRIAS: OCORRE A PARTIR DE FORÇAS ELETROSTÁTICAS OU DE VAN DER WALLS

EFEITO DE DISPERSÃO; DIPOLO-DIPOLO E PONTES DE HIDROGÊNIO

ELEMENTO ELETROPOSITIVO+

ELEMENTO ELETRONEGATIVO

LIGAÇÃO IÔNICA

ELEMENTO ELETROPOSITIVO+

ELEMENTO ELETROPOSITIVOLIGAÇÃO METÁLICA

ELEMENTO ELETRONEGATIVO

+ELEMENTO

ELETRONEGATIVO

LIGAÇÃO COVALENTE

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LIGAÇÕES IÔNICAS

ELEMENTOS ELETROPOSITIVOS (METÁLICOS)+

ELEMENTOS ELETRONEGATIVOS (NÃO-METÁLICOS)1 ÁTOMO PERDE ELÉTRONS1 ÁTOMO GANHA ELÉTRONSFORÇAS DE LIGAÇÃO ESTÃO ASSOCIADAS A FORÇAS DE ATRAÇÃO COULUMBIANAS ENTRE CÁTION E ÂNIONEXEMPLO NaClCONFIGURAÇÃO DO Na : 1s2 2s2 2p6 3s1

CONFIGURAÇÃO DO Cl : 1s2 2s2 2p6 3s2 3p5

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LIGAÇÕES IÔNICAS

Na Cl

Antes daReação

Após aReação

Cl-Na+

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LIGAÇÃO IÔNICA

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LIGAÇÃO COVALENTE

ELEMENTOS ELETRONEGATIVOS (NÃO-METÁLICOS)+

ELEMENTOS ELETRONEGATIVOS (NÃO-METÁLICOS)LIGAÇÃO ENTRE ÁTOMOS COM PEQUENA DIFERENÇA DE ELETRONEGATIVIDADEPRÉ-REQUISITO PARA FORMAÇÃO DAS LIGAÇÕES: EXISTÊNCIA DE PELO MENOS 1 ORBITAL PARCIALMENTE PREENCHIDOLIGAÇÃO COVALENTE ENTRE ÁTOMOS DE HIDROGÊNIOCASO MAIS SIMPLES: DOIS ÁTOMOS H CEDEM SEUS ELÉTRONS 1s1 PARA FORMAR LIGAÇÃO COVALENTE

H • + H • → H : HLIGAÇÃO COVALENTE NA MOLÉCULA DE H2 MOSTRANDO DISTRIBUIÇÃO DE ELÉTRON

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LIGAÇÕES COVALENTES

Cl

Antes daReação

Após aReação

Cl

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LIGAÇÕES COVALENTES

LIGAÇÕES COVALENTE DO CARBONOCARBONO NO ESTADO FUNDAMENTAL:

1s2 2s2 2p2

INDICAÇÃO QUE SÃO POSSÍVEIS DUAS LIGAÇÕES COVALENTES ⇒ DOIS ORBITAIS 2p INCOMPLETOSQUATRO LIGAÇÕES COVALENTES SÃO POSSÍVEISHIBRIDAÇÃO: 1 ORBITAL 2s É PROMOVIDO PARA ORBITAL 2p ⇒FORMAÇÃO DE QUATRO ORBITAIS HÍBRIDOS sp3

ORBITAIS HÍBRIDOS sp3 SÃO ARRANJADOS DE FORMA SIMÉTRICA, NOS VÉRTICES DE UM TETRAEDRO REGULAR

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LIGAÇÕES COVALENTES

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LIGAÇÕES METÁLICAS

LIGAÇÕES METÁLICASELEMENTOS ELETROPOSITIVOS (METÁLICOS)

+ELEMENTOS ELETROPOSITIVOS (METÁLICOS)OCORREM EM METAIS SÓLIDOS, ARRANJO ATÔMICO É BASTANTE COMPACTO, ELÉTRONS DE VALÊNCIA SÃO ATRAIDOS POR NÚCLEOS VIZINHOS ⇒ FORMAÇÃO DE NUVENS ELETRÔNICAS

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LIGAÇÕES METÁLICAS

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LIGAÇÕES METÁLICAS

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LIGAÇÕES FRACAS

PONTES DE HIDROGÊNIONÚCLEO DE H (PRÓTON) É ATRAÍDO POR ELÉTRONS NÃO COMPARTILHADOS DE OUTRA MOLÉCULA

H

H

O

+

+

-

H

H

O

+

+

-H

H

O

+

+

-

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ÁGUA

MOLÉCULA DE ÁGUA:OXIGÊNIO: 1s2 2s2 2p4

HIDROGÊNIO: 1s2

104o

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LIGAÇÕES FRACAS

DIPOLO PERMANENTEMOLÉCULAS ASSIMÉTRICAS: PAR ELETRÔNICO DESLOCA-SE DEVIDO À ASIMETRIA, FORMANDO DIPOLO ELÉTRICO

Cl

Antes daReação

Após aReação

H

+ -

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LIGAÇÕES FRACAS

EFEITO DE DISPERSÃOMOLÉCULAS SIMÉTRICAS – MOVIMENTO AO ACASO DOS ELÉTRONS CAUSA POLARIZAÇÃO MOMENTÂNEA

(a)-

-

- -

-

-

-

-

--

-

-

- -

-

-

-

-

--

-

--

--

-

-

--

-

--

--

-

-

--

- + - +

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DISTÂNCIAS INTERATÔMICAS

EXISTEM TRÊS TIPOS DE LIGAÇÕES FORTESAS FORÇAS NESSAS LIGAÇÕES ATRAEM DOIS OU MAIS ÁTOMOSQUAL É O LIMITE DESSA ATRAÇÃO ? FORÇA DE REPULSÃOOS ÁTOMOS TÊM UMA DISTÂNCIA DE SEPARAÇÃO ONDE A FORÇA DE REPULSÃO É IGUAL À FORÇA DE ATRAÇÃO.

NN

S

S

g

( )( )2ao4

e2Ze1ZAF

επ−=

a 1+nnb- = RF

a 1+nnb - 2ao4

e)Z2e)(Z1

(- = FT πε

Z: VALÊNCIA

εO=8,85X10-12C2/Nm2

a=DISTÂNCIA INTERATÔMICA

e=1,6x10-19C

LIGAÇÃO IÔNICA DO NaCl, n ASSUME VALORES ENTRE 7 E 9.

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FORÇAS INTERATÔMICAS

FR

FA

FT

Distância entreátomos ou íons, a

ao

ao=rcátion + rânion

F RF A

DISTÂNCIA INTERATÔMICA É RESULTADO DA INTERAÇÃO ENTRE

FORÇAS DE REPULSÃO E DE ATRAÇÃO

a 1+nnb - 2ao4

e)Z2e)(Z1

(- = FT πε

VARIAÇÃO DE FT COM A DISTÂNCIA LEVA À

ENERGIA DE LIGAÇÃO ENTRE ÁTOMOS OU

ÍONS. ESSA FORÇA ESTÁ ASSOCIADA À

TENSÃO NECESSÁRIA PARA SEPARAR DOIS

ÁTOMOS OU ÍONS.

MÓDULO DE ELASTICIDADE É OBTIDO PELA

DERIVAÇÃO DE FT EM RELAÇÃO À DISTÂNCIA,

EM POSIÇÕES PRÓXIMAS AO PONTO DE

EQUILÍBRIO.

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ENERGIA DE LIGAÇÃO

EnergiaRepulsão

Distância entreátomos ou íons, a

ao

ao=rcátion + rânion

Ener

gia

EnergiaRepulsão

EnergiaTotal

da1nanb - 2ao4

e)2e)(Z1(Z-

a =TE

+πε∫∞

ENERGIA (ET) ASSOCIADA À LIGAÇÃO IÔNICA É A SOMA DAS

ENERGIAS ENVOLVIDAS COM A ATRAÇÃO E REPULSÃO DOS ÍONS.

ENERGIA DE LIGAÇÃO É DADA POR "FORÇA X DISTÂNCIA“:

anb +

ao4)e2

2Z1(Z+ = TE

πε

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MATERIAIS SÓLIDOS

Em função da natureza das ligações atômicas, os materiais sólidos exibem três tipos de arranjos atômicos:

Estrutura CristalinaSólidos Metálicos - Ex.: Au, Pb, Cu.Sólidos Iônicos - Ex.: NaCl, MgOSólidos Covalentes - Ex.: Diamante, Si

Estrutura AmorfaMateriais Cerâmicos - Ex.: vidroMateriais Poliméricos - Ex.: cadeias complexas Materiais Metálicos Solidificados Rapidamente - Ex.: ligas complexas

Estrutura MolecularMateriais Poliméricos - Ex.: polietileno, borracha natural

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ARRANJOS E LIGAÇÕES

ARRANJOS ATÔMICOS EM MATERIAIS DEPENDEM DE FORÇAS INTERATÔMICAS E DA DIRECIONALIDADE DAS LIGAÇÕES

LIGAÇÃO PODE SER:FORTE OU FRACA / DIRECIONAL OU NÃO

CONSEQÜÊNCIA DE VARIAÇÕES DE ENERGIA E DA LOCALIZAÇÃO DOS ELÉTRONS NO ESPAÇO

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Empacotamento Atômico

Dois Tipos de Ligações: Direcionais e Não-direcionais

Direcionais: Covalentes e Dipolo-Dipolo Arranjo deve satisfazer os ângulos dasligações direcionais

Não-direcionais: Metálica, Iônica Van der WallsArranjo depende de aspectos geométricos e da garantia de neutralidade elétrica

Metais: maior empacotamento possívelCompostos Iônicos: neutralidade elétrica e relação entre tamanhos

N.C. r/R

3 ≥ 0,155

4 ≥ 0,225

6 ≥ 0,414

8 ≥ 0,732

12 1,0