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LIGACAO METALICA E LIGAS METÁLICAS. Propriedades tecnológicas.ppt
- 1. Propriedades Gerais dosMetais • 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 LIGAÇÃO METÁLICA
- 2. Quadro 1: CondutividadeElétrica de Quadro 1: Condutividade Elétrica de Vários Sólidos 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
- 3. 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 TIPOS DE LIGAÇÕES
- 4. TABELA 1 :INTERAÇÕES ENTRE TABELA 1 : INTERAÇÕES ENTRE AS ESPÉCIES QUÍMICAS 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
- 5. A ligação iônicaenvolve 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
- 6. TRANSIÇÃO ENTRE OSPRINCIPAIS 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
- 7. LIGAÇÃO METÁLICA LIGAÇÃO METÁLICA Osmetais são formados por íons positivos empacotados, normalmente segundo um dos três arranjos Cúbico de corpo centrado: elementos do grupo 1 e Bário Cúbico de face centrada:Cu e Ca Denso hexagonal: Be e Mg
- 8. Modelo de Marde 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 LIGAÇÃO METÁLICA
- 9. – Sem quaisquerligações 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 METÁLICA
- 10. LIGAÇÃO METÁLICA LIGAÇÃO METÁLICA ILUSTRAÇÃODO MODELO DO MAR ILUSTRAÇÃO DO MODELO DO MAR DE ELÉTRONS DE ELÉTRONS
- 11. LIGAÇÃO METÁLICA –OUTRA ILUSTRAÇÃO LIGAÇÃO METÁLICA – OUTRA ILUSTRAÇÃO DO MODELO DO MAR DE ELÉTRONS DO MODELO DO MAR DE ELÉTRONS
- 12. Na ilustração esquemáticado 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 LIGAÇÃO METÁLICA – MODELO DO MAR DE ELÉTRONS DO MAR DE ELÉTRONS
- 13. O modelo domar 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 LIGAÇÃO METÁLICA – MODELO DO MAR DE ELÉTRONS DO MAR DE ELÉTRONS
- 14. DIFICULDADE: Entretanto, os metaisdo 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 LIGAÇÃO METÁLICA – MODELO DO MAR DE ELÉTRONS DO MAR DE ELÉTRONS
- 15. LIGAÇÃO METÁLICA –MODELO LIGAÇÃO METÁLICA – MODELO DO MAR DE ELÉTRONS DO MAR DE ELÉTRONS Tabela 2 - Pontos de Fusão de Alguns Metais de Transição
- 16. • A ligaçãodeslocalizada 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 LIGAÇÃO METÁLICA Modelo do Orbital Molecular Para os Metais
- 17. • Lembre-se: onúmero de orbitais moleculares é igual ao número de orbitais atômicos. • Nos metais há um número muito grande de orbitais. LIGAÇÃO METÁLICA LIGAÇÃO METÁLICA Modelo do Orbital Molecular Para os Metais
- 18. OS ELÉTRONS PIDESLOCALIZADOS OS ELÉTRONS PI DESLOCALIZADOS NO ANEL BENZÊNICO NO ANEL BENZÊNICO
- 19. • À medidaque 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 LIGAÇÃO METÁLICA Modelo do Orbital Molecular Para os Metais
- 20. • Conseqüentemente, oselétrons 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 LIGAÇÃO METÁLICA Modelo do Orbital Molecular Para os Metais
- 21. • Orbitais moleculares ligantes Orbitalmolecular ligante Orbital molecular antiligante Orbitais atômicos FORMANDO ORBITAIS MOLECULARES A PARTIR DE ORBITAIS ATÔMICOS
- 22. LIGAÇÃO METÁLICA LIGAÇÃO METÁLICA Modelodo Orbital Molecular Para os Metais
- 23. A ilustração anteriormostra 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 LIGAÇÃO METÁLICA Modelo do Orbital Molecular Para os Metais
- 24. • Ao movermosao 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 LIGAÇÃO METÁLICA Modelo do Orbital Molecular Para os Metais
- 25. • Espera-se queo 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 METÁLICA LIGAÇÃO METÁLICA Modelo do Orbital Molecular Para os Metais
- 26. ISOLANTES, CONDUTORES E ISOLANTES,CONDUTORES E SEMICONDUTORES INTRÍNSECOS SEMICONDUTORES INTRÍNSECOS Tabela 3 :
- 27. ISOLANTES, CONDUTORES E ISOLANTES,CONDUTORES E SEMICONDUTORES INTRÍNSECOS SEMICONDUTORES INTRÍNSECOS Banda de Banda de Banda de Banda de Banda de Banda de Grande lacuna Grande lacuna entre as bandas entre as bandas Pequena lacuna entre as bandas Ex: Silício Ex: Lítio Ex: Diamante
- 28. A condutividade elétricade 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 SEMICONDUTORES EXTRÍNSECOS
- 29. Em um semicondutordo 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
- 30. Semicondutores Extrínsecos Os semicondutoresextrínsecos contêm dopantes; um dopante é uma impureza introduzida em um semicondutor em quantidades mínimas para reforçar a sua condutividade elétrica. SEMICONDUTORES EXTRÍNSECOS SEMICONDUTORES EXTRÍNSECOS
- 31. Semicondutores Íntrínsecos: Se ummaterial 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
- 32. SEMICONDUTORES INTRÍNSECOS E SEMICONDUTORESINTRÍNSECOS E EXTRÍNSECOS 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
- 33. 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 SEMICONDUTORES INTRÍNSECOS E EXTRÍNSECOS EXTRÍNSECOS
- 34. No Si dopadocom 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 SEMICONDUTORES EXTRÍNSECOS
- 35. Se o Sié 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 SEMICONDUTORES EXTRÍNSECOS
- 36. O Si dopadocom 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 SEMICONDUTORES EXTRÍNSECOS
- 37. Uma liga éuma 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 LIGAS
- 38. • Os metaispuros 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 LIGAS
- 39. QUADRO 2 -ALGUMAS LIGAS COMUNS 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
- 40. Existem dois tiposde 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 LIGAS DE SOLUÇÃO
- 41. • Nas ligasintersticiais: – 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 LIGAS DE SOLUÇÃO
- 42. • NA LIGAHETEROGÊNEA 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 LIGAS HETEROGÊNEAS
- 43. – O RESFRIAMENTORÁPIDO LEVA A PROPRIEDADES DISTINTAS DAQUELAS QUE SÃO OBTIDAS PELO RESFRIAMENTO LENTO. LIGAS HETEROGÊNEAS LIGAS HETEROGÊNEAS
- 44. LIGA SUBSTITUCIONAL AESQUERDA LIGA SUBSTITUCIONAL A ESQUERDA E INTERSTICIAL A DIREITA E INTERSTICIAL A DIREITA LIGA SUBSTITUCIONAL LIGA INTERSTICIAL
- 45. OS COMPOSTOS INTERMETÁLICOSSÃO 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 COMPOSTOS INTERMETÁLICOS
- 46. TABELA 4 :TIPOS DE SÓLIDOS CRISTALINOS 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