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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 METÁLICA
Quadro 1: Condutividade Elétrica de Vários 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 LIGAÇÕES
TABELA 1 : INTERAÇÕES ENTRE AS 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 de
London
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 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
cccCúbico de face centrada
:Cu e Ca cfc ou acc
Agrupamento compacto
hexagonal: Be e Mg
ach
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 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 METÁLICA
LIGAÇÃO METÁLICAILUSTRAÇÃO DO MODELO DO MAR
DE ELÉTRONS
LIGAÇÃO METÁLICA – OUTRA ILUSTRAÇÃO DO 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 DO 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 DO 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 DO MAR DE ELÉTRONS
LIGAÇÃO METÁLICA – MODELODO MAR DE ELÉTRONS
Tabela 2 - Pontos de Fusão de Alguns Metais de Transição
• 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 METÁLICA
Modelo do Orbital Molecular Para osMetais
• Lembre-se: o número de orbitais moleculares é igual
ao número de orbitais atômicos.
• Nos metais há um número muito grande de orbitais.
LIGAÇÃO METÁLICA
Modelo do Orbital Molecular Para osMetais
OS ELÉTRONS PI DESLOCALIZADOS
NO ANEL BENZÊNICO
• 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 METÁLICA
Modelo do Orbital Molecular Para osMetais
• 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 METÁLICA
Modelo do Orbital Molecular Para osMetais
•
Orbitais moleculares ligantes
Orbital molecular ligante
Orbital molecular antiliganteOrbitais atômicos
FORMANDO ORBITAIS MOLECULARES A PARTIR DE ORBITAIS
ATÔMICOS
LIGAÇÃO METÁLICAModelo do Orbital Molecular Para os
Metais
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 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 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 METÁLICAModelo do Orbital Molecular Para os
Metais
ISOLANTES, CONDUTORES E SEMICONDUTORES INTRÍNSECOS
Tabela 3 :
ISOLANTES, CONDUTORES ESEMICONDUTORES INTRÍNSECOS
Banda de Banda de Banda de
Banda deBanda de Banda de
Grande lacuna
entre as bandas Pequena lacuna
entre as bandas
Ex: SilícioEx: LítioEx: 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 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 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 EXTRÍNSECOS
Semicondutores Íntrínsecos:
Se um material se comporta como um semicondutor
sem a adição de dopantes, ele é um semicondutor
intrínseco.
NÍVEL DE FERMI
O nível de energia do orbital mais alto ocupado em um
metal no zero absoluto é chamado nível de Fermi
SEMICONDUTORES INTRÍNSECOS
SEMICONDUTORES INTRÍNSECOS E EXTRÍNSECOS
BANDA DE
CONDUÇÃO
BANDA DE
VALÊNCIA
Nível doador
Nível receptor
Silício puro
Silício
dopado com
Fósforo .
Semicondutor
do tipo “n”
Silício
dopado com
Gálio.
Semicondutor
do 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 EXTRÍNSECOS
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 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 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 EXTRÍNSECOS
Uma liga é uma mistura íntima ou, em certos casos,
um composto de dois ou mais metais, ou metais e
não metais.
A liga melhora propriedades físicas como a resistência
corrosão ao calor, a dureza, a maleabilidade e
dutilidade do material.
LIGAS
• 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).
• 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).
LIGAS
QUADRO 2 - ALGUMAS LIGAS COMUNS
• .
ELEMENTO
PRIMÁRIO
NOME DA LIGA COMPOSIÇÃO EM
MASSA
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 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 SOLUÇÃO
• NA LIGA HETEROGÊNEA OS
COMPONENTES NÃO ESTÃO DISPERSOS
UNIFORMEMENTE.
• EM GERAL, AS PROPRIEDADES DAS LIGAS
HETEROGÊNEAS DEPENDEM NÃO APENAS
DA COMPOSIÇÃO SÃO TAMBÉM
DEPENDENTES DA MANEIRA PELA QUAL O
SÓLIDO É FORMADO A PARTIR DA
MISTURA FUNDIDA.
LIGAS HETEROGÊNEAS
– O RESFRIAMENTO RÁPIDO LEVA A
PROPRIEDADES DISTINTAS DAQUELAS
QUE SÃO OBTIDAS PELO
RESFRIAMENTO LENTO.
LIGAS HETEROGÊNEAS
LIGA SUBSTITUCIONAL A ESQUERDA E 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 INTERMETÁLICOS
TABELA 4 : TIPOS DE SÓLIDOS CRISTALINOS
TIPO DE SÓLIDO FORMA DAS
PARTÍCULAS
UNITÁRIAS
FORÇA ENTRE AS
PARTÍCULAS
EXEMPLOS
MOLECULAR ÁTOMOS E
MOLÉCULAS
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
IÔNICO
ÍONS POSITIVOS
E NEGATIVOS
LIGAÇÕES
IÔNICAS
CLORETO DE
SÓDIO, NITRATO
DE CÁLCIO
METÁLICO ÁTOMOS LIGAÇÕES
METÁLICAS
TODOS OS ELEMEN-
TOS METÁLICOS
Ex: Na, Ag, Fe, W
