Slide - Interações Intermoleculares Propriedades e Aplicações 2020

Disciplina: Química Geral 2020 Universidade Federal de Minas Gerais Instituto de Ciências Exatas Departamento de Química Modelos para a Ligação metálica Teoria de Bandas 2 Modelos para a Ligação metálica ▪ Teoria do “mar de elétrons” livres ▪ Teoria de Bandas: banda de valência e a banda de condução; ▪ Metais, Isolantes e Semicondutores: Banda Proibida e tipos de condutores; ▪ Ligação metálica (Atkins, 2018) A classificação dos sólidos 3 ▪ Classificação de sólidos conforme o tipo de ligação/interação Classificação e exemplos de sólidos de acordo com o tipo de ligação predominante. (Brown, 2016) (Brown, 2016) Propriedades dos metais 4 (Brown, 2016) • Alto ponto de fusão e ebulição; • Brilho metálico característico; • Alta condutividade térmica; • Alta condutividade elétrica; • Maleável e dúctil – são facilmente moldados; Os átomos são capazes de deslizar uns em relação aos outros, diferentes dos sólidos iônicos e covalentes que tipicamente são quebradiços. Modelo do “mar de elétrons” 5 (Brown, 2016) • Teoria do mar de elétrons: explica algumas características dos metais; • Rede de cátions metálicos em um "mar de elétrons" de valência; • Os elétrons estão confinados ao metal por meio de atrações eletrostáticas aos cátions; • Os cátions estão uniformemente distribuídos pela estrutura; • Os elétrons são móveis e nenhum elétron individual está confinado a qualquer íon metálico específico; Propriedades dos metais 6 • Alta condutividade elétrica; - - - - - - - - - - - - Diferença de potencial elétrico DV Condutividade elétrica (s) dos metais é alta. V2 V1 • Alta condutividade térmica; T2 T1 Q (fluxo de calor) T2 > T1 Condutividade térmica (k) dos metais é alta. ➢ Vibração da rede e elétrons livres • Modelo de Drude (1900) - - - - - - - - - - - Corrente elétrica Figuras modificadas do (Brown, 2016) Propriedades dos metais 7 • Alto ponto de fusão e ebulição; Tf = 29,8 °C (Koltz, 2018) Propriedades dos metais 8 (Atkins, 2018) • Maleável e dúctil – são facilmente moldados; Os átomos são capazes de deslizar uns em relação aos outros, diferentes dos sólidos iônicos e covalentes que tipicamente são quebradiços. • Sólido iônico é quebradiço • Sólido metálico Propriedades dos metais 9 • Brilho metálico característico; Ouro, alumínio, aço, cobre (Atkins, 2016) ouro prata l (nm) % Reflectância Teoria de Bandas 10 ▪ A ligação é descrita como deslocalizada: elétrons deslocalizados sobre vários átomos; ▪ Um conjunto de N orbitais atômicos sobrepostos vão formar N orbitais ligantes e antiligantes na Teoria de Bandas ▪ O modelo de mar de elétrons permite uma visão qualitativa das propriedades dos metais, mas não explica adequadamente; ▪ Modelo da Teoria de Bandas (Teoria do orbital molecular para os metais, TOM) Teoria de Bandas 11 ▪ Teoria do Orbital Molecular (TOM) (Koltz, 2016) Energia 1s Orbital atômico 1s Orbital atômico s1s Orbital molecular s* 1s Orbital molecular Orbital molecular ligante (s1s) Orbital molecular anti-ligante (s* 1s) H2 No metal vamos sobrepor um número N de orbitais atômicos Teoria de Bandas 12 ▪ Rede cristalina periódica (Koltz, 2016) Cúbica simples Cúbica de corpo centrado Cúbica de face centrada Cúbica simples Cúbica de corpo centrado Cúbica de face centrada Empacotamento hexagonal compacto Empacotamento Teoria de Bandas 13 Bandas proibidas 1s 2s 2p 3s ▪ Bandas proibidas Egap Teoria de Bandas 14 ▪ TOM (Brown, 2016) Banda de condução Banda de valência 2s Teoria de Bandas 15 ▪ Condutores, semicondutores e isolantes Eg > 3eV Eg  3 eV Banda de valência Banda de valência Banda de valência Banda de condução Banda de condução Banda de condução condutor isolante Energia semicondutor Semicondutores 16 ▪ Material semicondutor Material Condutividade s (W-1.m-1) Resistividade r (W.m) Prata 6,29 107 1,59 10-8 Cobre 5,81 107 1,72 10-8 Alumínio 3,55 107 2,82 10-8 Germânio 2,2 0,46 Silício 1,6 10-3 640 Madeira 10-8 - 10-11 108 - 1011 Borracha 10-12 - 10-13 1012 - 1013 Vidro 10-10 - 10-14 1010 - 1014 Isolantes Condutores Semicondutores s = 1/r Microeletrônica (Diodos, transistores, LED, microchip,...) ➢ Dopando um semicondutor podemos alterar sua condutividade (Atkins, 2018) Semicondutores 17 ▪ Adicionando impurezas podemos mudar a condutividade (s) de um material semicondutor de ‘isolante’ para ‘condutor’. Silício dopado com Fósforo (P), temos elétrons em excesso Silício dopado com Boro (B), temos falta de elétrons Semicondutor tipo N Semicondutor tipo P Elétron extra Buraco (falta de um elétron) (Brown, 2016) Aplicações 18 ▪ Junção P-N Diodo LED (Light Emitting Diode) (Atkins, 2018) Aplicações 19 ▪ Célula solar LED Célula solar 20 Revisando ▪ Teria de Bandas; ▪ Condutores, semicondutores e isolantes ▪ Aplicações: Diodos, LED, Célula Solar. Referências ▪ ATKINS, P.; JONES, L.; LAVERMAN, L. Princípios de química: questionando a vida moderna e o meio ambiente. 7. ed. Porto Alegre: Bookman, 2018. 1094 p. ▪ BROWN , T. L. ET AL. Química. A Ciência Central. 13. ed. São Paulo: Pearson, 2016. 1216 p. ▪ KOTZ, J.C.; ET AL. Química Geral e Reações Químicas. 9° ed. São Paulo: Cengage, 2016 p. 21