Modelos atômicos e bandas de energia

Prof. Sandro R. Zang (Sala 116.2)Departamento das Engenharias de Telecomunicações e Mecatrônica (DETEM)

Universidade Federal de São João del-Rei (UFSJ) Campus Alto Paraopeba - Ouro Branco/MG

Disciplina: Materiais Elétricos e

Magnéticos.

Introdução

2Materiais Elétricos e Magnéticos – Prof. Sandro R. Zang

Para o estudo dos materiais aplicados a engenharia, énecessária a compreensão dos fenômenos que ocorremnos sólidos e isso requer o domínio de vários conceitosfundamentais.

Questão básica: Por que e como os átomos dos diversoselementos formam materiais sólidos?

Sistema de classificação em função da natureza daligação atômica nos materiais;

Ligação Primária: Envolve a transferência oucompartilhamento de elétrons;

Ligação Secundária: Envolve uma atraçãorelativamente fraca entre os elétrons, sem troca oucompartilhamento;

Introdução: Átomo

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Núcleo com prótons enêutrons (muito menor,porem contem quasetoda a massa do átomo) identificação química;

Elétrons em sua órbita,dispostos em camadasLigação atômica;

Materiais Elétricos e Magnéticos – Prof. Sandro R. Zang

Menor partícula que ainda caracteriza umelemento químico;

Cada próton e neutron possui uma massa deaproximadamente 1,66 x 10-24 g;

1,66 x 10-24 g Unidade de massa atômica(uma); Ex: C12 (6 prótons e 6 neutrons) 12uma.

Existem 6,023 x 1023 uma/g Número de prótons ou neutrons

necessários para produzir uma

massa de 1 g.

Número de Avogadro

(átomo-gramamol).



Nem todo átomo de carbono C12 contém 6 neutrons

no núcleo, alguns possuem 7 isso identifica

diferentes isótopos – na natureza 1,1% dos átomos

de carono são isótopos C13;

Entretanto, o número de prótons é fixo número

atômico.

Assim é formada a tabela periódica,

Em função do número atômico e

da massa atômica.



Elétron massa de 0,911x10-27 g, tem uma contribuiçãomínima para a massa do átomo;

Elétron Possui carga negativa de 1,6x10-19 Coulomb (C)– igual a carga do próton (positiva).

NeutronObviamente é neutro.



Elétron:

Agrupados em posições orbitaisfixas em relação ao núcleo;

O raio de cada orbital écaracterizado por um nível deenergia (energia de ligaçãoentre o elétron e o núcleo),



Elétron:

O elétron da primeira camada (mais próximo donúcleo) possui uma energia de -283,9 eV

ligação mais forte (atração);

Os életrons da últimacamada possui uma energiade apenas -6,5 eV ligaçãomais fraca;

Introdução: Tabela Periódica


Ligações Atômicas


Ligação Primária


Transferência ou Compartilhamento de

elétrons;

Produz uma junção relativamente forte

dos átomos adjacentes;

Separadas em: Ligações iônica,

covalente e metálica.

Ligação Primária: Ligação Iônica


Resultado da transferência de um elétron deum átomo para outro.

baseada na atração eletrostática entredois íons carregados com cargas opostas;

Geralmente ligações iônicas se formam entreum metal e um ametal

um metal doa um elétron, devido a suabaixa eletronegatividade formando um íonpositivo ou cátion;

http://pt.wikipedia.org/wiki/Atra%C3%A7%C3%A3o_eletrost%C3%A1tica










http://pt.wikipedia.org/wiki/%C3%8Don

http://pt.wikipedia.org/wiki/Metal

http://pt.wikipedia.org/wiki/Ametal

http://pt.wikipedia.org/wiki/Eletronegatividade

http://pt.wikipedia.org/wiki/C%C3%A1tion



O átomo do ametal tem uma configuraçãoeletrônica semelhante a de um gás nobre, quasetotalmente preenchida de elétrons;

Eles têm alta eletronegatividade, e facilmenteganham elétrons formando um íon negativoou ânion

Os dois ou mais íons logo se atraem devido a forçaseletrostáticas;

Ligações desse tipo são mais fortes que ligações dehidrogênio, e têm força menor que as ligaçõescovalentes.

http://pt.wikipedia.org/wiki/Configura%C3%A7%C3%A3o_eletr%C3%B4nica



http://pt.wikipedia.org/wiki/G%C3%A1s_nobre



http://pt.wikipedia.org/wiki/%C3%82nion

http://pt.wikipedia.org/w/index.php?title=For%C3%A7as_eletrost%C3%A1ticas&action=edit&redlink=1



http://pt.wikipedia.org/wiki/Liga%C3%A7%C3%A3o_de_Hidrog%C3%AAnio





http://pt.wikipedia.org/wiki/Liga%C3%A7%C3%B5es_covalentes



Ligação Iônica


Exemplo: Formação do Sólido Cloreto de Sódio(NaCl):

Um átomo de cloro (não-metal) (17 elétrons)tende a “capturar” outro elétron extra paracompletar sua terceira “camada” eletrônica etornar-se estável.

Um átomo de Sódio (metal) (11 elétrons) tendea “perder” seu único elétron da terceira“camada” para que suas duas camadasinteriores formem um núcleo fechado.

Ligação Iônica


Exemplo: Formação do Sólido Cloreto de Sódio(NaCl): Logo, quando um átomo de cloro está próximo

de outro de sódio, este passa seu elétron para ode cloro, dando origem a 2 íons com cargaselétricas opostas, que se atraem devido ainteração eletrostática. Quando temos 1023 átomos de sódio“próximos” de 1023 átomos de cloro aconteceexatamente o mesmo, porém, agora elestendem a formar um sistema tridimensionalem equilíbrio, na forma de um sólido cristalino.



A ligação Iônica é não direcional;

Um Na+ atrairá um Cl- vizinhoigualmente em todas as direções.

Os íons são empilhadossistematicamente para maximizaro número de íons com cargasopostas adjacentes.



Esta ligação é muito forte, consequentemente o pontode fusão do material é muito alto. Logo, é necessáriouma grande quantidade de energia para que os átomosliberem-se uns dos outros para formar o estado líquido;

Como os elétrons são fortemente ligados aos átomos,esses cristais tem, em geral, uma pequena condutividadeelétrica e térmica, isto é, são bons isolantes.

A ausência de elétrons livres resulta numa boatransparência ótica em uma grande parte do espectroeletromagnético.

Alguns exemplos: halogenetos alcalinos (NaCl, KCl, NaBr,LiF, etc) vários óxidos, sulfetos, selenetos, teluretos eoutros.

Ligação Primária: Ligação Covalente


Compartilhamento cooperativo dos elétronsde valência entre dois átomos adjacentes;

É altamente direcional,

Átomos tendem a compartilhar elétrons demodo que suas camadas eletrônicas externassejam preenchidas e eles adquiramuma distribuição eletrônica mais estável;

Normalmente ocorrem entre átomoscom eletronegatividades similares e altas(geralmente entre dois não-metais)

http://pt.wikipedia.org/wiki/Camada_eletr%C3%B3nica



http://pt.wikipedia.org/wiki/Distribui%C3%A7%C3%A3o_eletr%C3%B3nica



http://pt.wikipedia.org/wiki/Eletronegatividade

Ligação Primária: Ligação Covalente


MetanoCH4

Os sólidos covalentes tem em geral um pontode fusão menor que os iônicos, porém, temmaior dureza;

Alguns exemplos: semicondutores, silício,germânio, arsenieto de gálio (GaAs), etc.

Diamante: ligações covalente entre átomos de C.

Ligação Primária: Ligação Metálica


Formado por átomos que têm poucos elétrons fora de sua

última camada cheia.

Esses elétrons são fracamente ligados ao núcleo atômico.

Quando colocados juntos, esses átomos liberam seus

últimos elétrons que ficam “passeando” livremente entre

eles , formando um “mar” de elétrons.

Ou seja, envolve compartilhamento de elétrons mas é não

direcional;

Elétrons de valência são considerados delocalizados, ou

seja, podem estar associados a qualquer um dos átomos

adjacentes;



Em metais típicos, a delocalização estáassociada ao material todo, formando umanuvem de elétrons;

Essa nuvem de elétrons é responsável pela altacondutividade térmica e elétrica dos metais;

As ligações são razoavelmente fracas,resultando em um ponto de fusão,relativamente baixo, maleabilidade,ductibilidade.

Ligação Secundária – Van der Waals


NÃO ocorre Transferência ouCompartilhamento de elétrons;

Semelhante a ligação iônica atraçãoentre cargas opostas (mas não hátransferência de elétrons).

Essa atração depende da distribuiçãoassimétrica de cargas positivas enegativas dentro de cada átomo

dipolos elétricos (ligeira distorção dadistribuição de cargas).


Ligação de Van der Waals

Produz uma junção relativamente FRACA dosátomos adjacentes Baixa energia de ligação

entre os átomos;

Podem ser de 2 tipos: dipolos temporários oupermanentes

Ocorre entre átomos neutros;

Gases nobres (He,Ne,Ar,Kr,Xe,Rn);

Possui ponto de fusão muito baixo.



Exemplo: Ligação secundária entreátomos de argônio (Ar) DipoloTemporária

Quando 2 átomos de Ar se aproximam acarga negativa é atraída em direção donúcleo positivo do átomo adjacente;

Isso ocorre simultaneamente nos doisátomos

O resultado é um dipolo induzido.



Exemplo: Ponte de hidrogênio DipoloPermantente

Conecta moleculas adjacentes de água;

H2O (isolado) ligação covantedirecional, sendo o H positivo e o Onegativo.

Essas moleculas conectadas geramdipolos elétricos permantes devido a essanatureza negativa e positiva.


Materiais e Classificação das Ligações

Ponto de Fusão: indica a temperatura emque um sólido deve ser exposto para fornecerenergia térmica suficiente para que suasligações coesivas sejam quebradas, passandodo estado sólido para o líquido.


Materiais e Classificação das Ligações

Modelos atômicos e bandas de energia

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