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Ligações Químicas e Materiais.

PROFESSORA: Shaiala Aquino

Faculdade de Tecnologia e Ciências – FTC Colegiado de Engenharia Civil Química Geral

São forças que unem átomos formandos moléculas, agrupamentos de átomos ou sólidos

iônicos.

Os elétrons mais externos do átomo

são os responsáveis pela

ocorrência da ligação química.

As ligações químicas tem forte influência sobre

diversas propriedades dos materiais.

Quebram-se facilmente

vidro

Difícil de quebrar

aço

Conduzem corrente elétrica

metais

Isolantes

Menos estáveis

Mais estáveis

Átomos isolados

Átomos ligados

Ene

rgia

Para ficar estáveis!

Por que os átomos se ligam?

Dependendo da energia envolvida na ligação elas podem ser divididas em:

Fortes (Iônicas; Covalentes e Metálicas).

Fracas (Van Der Waals, Dipolo-Dipolo e Ponte de

Hidrogênio).

PERDE 1 ELÉTRON

Na Cl + –

Na Cl + –

CLORETO DE SÓDIO

Atração eletrostática entre íons de cargas opostas.

Formam-se quando um elemento com baixa energia de ionização cede um elétron a um elemento com elevada afinidade eletrônica.

r

QQE ClNa

A estabilidade de um composto iônico depende da interação de todos os íons. Energia de rede: é a energia necessária para dissociar completamente um mol de composto iônico sólido nos seus íons no estado gasoso. NaCl(s) Na+(g) + Cl -(g) ∆H = +787 kJ/mol Esta energia não pode ser medida diretamente, mas pode ser obtida a partir de um ciclo de Born-Haber, que mostra todos os passos que contribuem para a energia total da reação de formação do composto iônico.

Etapa Processo ∆H, Kj/mol

A Na(s) Na(g) +108 (energia absorvida)

B 1/2Cl2(g) Cl(g) +121 (energia absorvida)

C Na(g) Na+(g) + e- +495 (energia absorvida)

D e- + Cl(g) Cl-(g) -348 (energia liberada)

E Na+(g) + Cl-(g) NaCl(s) -787 (energia liberada)

Total Na(s) + 1/2Cl2(g) NaCl(s) - 411 (energia líquida liberada)

Na(s) + 1/2 Cl2(g) NaCl(s) Htotal = -411 kJ/mol

Na(s) Na(g) 107.3 kJ/mol

1/2 Cl2(g) Cl(g) 122 kJ/mol

Na(g) Na+(g) + e- 495.8 kJ/mol

Cl(g) + e- Cl-(g) -348.6 kJ/mol

Na+(g) + Cl-(g) NaCl(s) H = ?

H1 + H2 + H3 + H4 + H5 = Htotal H5 = -787 kJ/mol ∆Hrede = + 787 kJ/mol

PERDE 1 ELÉTRON

+

A ligação covalente ocorre quando os dois átomos têm a mesma tendência de ganhar e perder

elétrons.Compartilhamento de elétrons.

O comprimento e força da ligação química resultam do equilíbrio devido à repulsão entre cargas iguais e atração entre cargas opostas.

Define-se comprimento da ligação como sendo a distância entre os núcleos de dois átomos ligados numa molécula.

N (Z = 7) 2s 2p 3

1s 2 2

N N N N FÓRMULA ELETRÔNICA

N N

N

FÓRMULA ESTRUTURAL PLANA

2 FÓRMULA EMPÍRICA

Quando cada um dos átomos ligantes

contribui com

um elétron para a formação do par.

Compostos covalentes: geralmente gases, líquidos ou sólidos de

baixo ponto de fusão

Compostos iônicos: sólidos de ponto de fusão elevado.

Propriedade NaCl CCl4 Aspecto sólido branco líquido incolor Tfusão/ °C 801 - 23 Tebulição/ °C 1413 76.5 solubilidade em H2O elevada bastante baixa Condutividade elétrica sólido mau mau fundido bom mau

Ozônio, O3

Ambos os comprimentos são iguais: 1.278 A

Ressonância: uma única estrutura de Lewis falha em descrever

de forma precisa a estrutura eletrônica real

A molécula do ozônio é um híbrido de ressonância das duas

estruturas. Ordem de cada ligação: 1,5

°

Cresce

É a medida da capacidade de um átomo atrair para si os pares de elétrons compartilhados numa ligação.

Teoria do elétron livre de Drude e Lorentz.

Os metais possuem uma baixa eletronegatividade, os mesmos perdem seus

elétrons muito facilmente. Esses elétrons livres formam uma nuvem eletrônica que mantém os íons metálicos sempre unidos formando a chamada ligação metálica.

Alta condutividade elétrica e térmica. Permitem grande deformação plástica pois as ligações são móveis ou seja não são rígidas como as iônicas e as covalentes. Possuem o brilho metálico, como os elétrons são muito móveis trocam de nível energético com facilidade emitindo fótons.

Aço - Fe e C. Aço inoxidável - Fe, C , Cr e Ni.

Amálgama dental - Hg, Ag e Sn Bronze – Cu e Sn Latão – Cu e Zn

Liga é a mistura, de aspecto metálico e homogêneo, de um ou mais metais entre si

ou com outros elementos. Deve ter composição cristalina e comportamento

com metal.

Geralmente as ligas tem propriedades mecânicas e tecnológicas melhores que

as dos metais puros.

Aparência • sólidos a temperaturas ordinárias • porosidade não aparente • brilho característico, que pode ser aumentado por polimento ou tratamento químico. Densidade • varia bastante de uma liga para outra. Geralmente vai de 2,56 a 11,45 sendo que a platina atinge 21,30. Dilatação e Condutividade Térmica A título de comparação, apresentamos os coeficientes de dilatação seguintes: • concreto: 0,01 mm/m/ºC • vidro: 0,08 mm/m/ºC • metais: 0,10 a 0,03 mm/m/ºC

A liga mais utilizada na construção civil é o aço, pelo seu largo uso como armação nos concretos.

Alumínio, consagra-se definitivamente em segundo lugar entre os metais mais utilizados. Quanto mais puro o alumínio, maior a resistência à corrosão e menor a resistência mecânica. A liga com 3% de cobre, 1% de manganês e 0,5% de magnésio, gera o duralumínio, material que substitui o aço em muitas situações.

São Divididas em Dois Grupos: Ligas Ferrosas – O Fe é o elemento principal. Ligas Não Ferrosas – Não tem como base o Fe.

Características das Ligas Ferrosas: Aços: Ligas de Fe ao C.

Aços comuns ao C – Concentrações residuais de impurezas além de C e Mn.

Aço Doce: < 0,20 % de C; Características: São maleáveis e dúcteis. Microestrutura: Ferrita e Perlita; Usados para fazer cabos, pregos e correntes. Aços médio: 0,20% < C < 0,60%; Características: São mais duros que o aço doce. Usados para fazer vigas e trilhos de trens, engrenagens e componentes estruturais de alta resistência. Aços com alto teor de C: 0,6% < C < 1,5 %; Características: Mais duros e resistentes; Resistente ao desgaste e abrasão; Usados na fabricação de ferramentas.

O Vanádio e o Cromo podem ser adicionados para conceder força e aumentar a resistência à fadiga e à corrosão.

Exemplo: Um trilho de trem de aço usado na Suécia em linhas suportando carregamentos pesados de minério contém 0,7 % de C, 1% de Cr e 0,1 % de V.

Uma das mais importantes ligas de Ferro é o aço inoxidável, que contém aproximadamente 0,4 % de C, 18 % de Cr e 1 % de Ni.

Quanto maior a energia envolvida na ligação química há uma

tendência de:

Maior ser o ponto de fusão do composto;

Maior a resistência mecânica;

Maior a dureza;

Maior o módulo de elasticidade;

Maior a estabilidade química;

Menor a dilatação térmica.

Combinações de metais com elementos não metálicos, os cerâmicos são muito duros, porém frágeis. Os principais tipos são os óxidos, nitretos e carbetos, e pertencem a este grupo os argilo-minerais, cimento e vidros.

Podem apresentar ligações covalentes, ligações iônicas ou alguma combinação das duas.

Geralmente são isolantes de calor e eletricidade;

Estáveis à altas temperaturas, resistentes a corrosão e desgaste, não se deformam com facilidade e são menos densas que os metais usados para aplicações de altas temperaturas.

Com relação às propriedades mecânicas as cerâmicas são duras e quebradiças;

Os cerâmicos são constituídos de metais (alguns apenas) e a maioria de não-

metais.

Forma-se com átomos de diferentes eletronegatividades (um

alta e outro baixa);

Os elétrons de valência são “transferidos” entre átomos

produzindo íons;

A ligação iônica não é direcional, a atração é mútua;

A ligação é forte, por isso o PF dos materiais com esse tipo de

ligação é geralmente alto.

Como consequência da ligação ser predominantemente iônica a estrutura cristalina das cerâmicas são compostas por íons carregados eletricamente

(CÁTIONS E ÂNIONS)

Material Percentual de Caráter Iônico

CaF2 89

MgO 73

NaCl 67

Al2O3 63

SiO2 51

SiN4 30

ZnS 18

SiC 12

30

A extrema fragilidade e dureza dos cerâmicos vem da natureza das suas ligações atômicas iônicas ou covalentes. As estruturas cristalinas, quando presentes,são extremamente complexas

Exemplo: O óxido de Silício (SiO2) pode ter três formas cristalinas distintas: quartzo, cristobalite e tridimite

Densidade: 2-3 g/cm3;

Embora os materiais cerâmicos sejam em geral isolantes de

calor e eletricidade, há uma classe de materiais cerâmicos que

são supercondutores;

A dilatação térmica é baixa comparada com metais e

polímeros.

VIDRO-CERÂMICOS CRISTALINOS AMORFOS (VIDROS)

Incluem os cerâmicos à

base de Silicatos,

Óxidos, Carbonetos e

Nitretos

Em geral com a mesma

composição dos

cristalinos, diferindo no

processamento

Formados inicialmente

como amorfos e

tratados termicamente

O Silício e o Oxigênio

formam cerca de 75%

da crosta terrestre,

sendo materiais de

ocorrência comum na

natureza e de baixo

custo !

Os cerâmicos avançados

são baseados em óxidos,

carbonetos e nitretos

com elevados graus de

pureza

CERÂMICOS CRISTALINOS DE SILICATOS

2 64 9 25 Cimento Portland

1 30 5 64 Porcelana steatite

1 6 32 61 Porcelana eléctrica

---- 72 28 Mulita refractária

5 45-25 50-70 Tijolo refractário

4 96 Sílica refractária

Outros

CaO MgO K2O Al2O3 SiO2

Composição (% em peso)

Os cerâmicos cristalinos à base de Silicatos

não são usados como materiais estruturais

(não são considerados cerâmicos avançados)