Considere dois átomos isolados, A e B . Quando esses átomos se aproximam um do outro, as forças interatômicas começam a agir.
a) Explique sucintamente as forças que estão presentes quando os átomos A e B se aproximam um do outro. Como essas forças variam com a distância interatômica? Represente em um gráfico esquemático de força em relação à distância interatômica, e o relacione com o gráfico de energia potencial em função da distância interatômica.
b) Defina a “energia de ligação” e explique como ela está relacionada à formação de ligações químicas entre os átomos A e B .
c) Cite propriedades que são diretamente influenciadas pela energia de ligação em um material
a) Explique sucintamente as forças que estão presentes quando os átomos A e B se aproximam um do outro. Como essas forças variam com a distância interatômica? Represente em um gráfico esquemático de força em relação à distância interatômica, e o relacione com o gráfico de energia potencial em função da distância interatômica.
b) Defina a “energia de ligação” e explique como ela está relacionada à formação de ligações químicas entre os átomos A e B .
c) Cite propriedades que são diretamente influenciadas pela energia de ligação em um material
Passo 1
O enunciado trata de dois átomos isolados A e B que, ao se aproximarem, passam a interagir por forças de natureza atrativa e repulsiva. Precisamos:
– Identificar essas forças e como variam com a distância interatômica .
– Mostrar esquematicamente o gráfico de força versus
e relacioná-lo ao gráfico de energia potencial
.
– Definir a energia de ligação e sua relação com a formação de ligações químicas.
– Citar propriedades de um material influenciadas pela energia de ligação.
– Identificar essas forças e como variam com a distância interatômica
– Mostrar esquematicamente o gráfico de força
– Definir a energia de ligação e sua relação com a formação de ligações químicas.
– Citar propriedades de um material influenciadas pela energia de ligação.
Passo 2
As forças interatômicas principais são:
– Atração a médias e longas distâncias, originada por interações de van der Waals (dipolo–dipolo, dipolo induzido) ou pelo compartilhamento/troca de elétrons (ligação covalente) e atração coulômbica em íons.
– Repulsão muito intensa em distâncias curtas, devido ao princípio de exclusão de Pauli entre elétrons de mesmo spin e à sobreposição desfavorável de orbitais.
À medida que , a atração tende a zero; conforme
diminui até um valor de equilíbrio
, a atração cresce (força negativa); para
, a repulsão cresce fortemente (força positiva).
– Atração a médias e longas distâncias, originada por interações de van der Waals (dipolo–dipolo, dipolo induzido) ou pelo compartilhamento/troca de elétrons (ligação covalente) e atração coulômbica em íons.
– Repulsão muito intensa em distâncias curtas, devido ao princípio de exclusão de Pauli entre elétrons de mesmo spin e à sobreposição desfavorável de orbitais.
À medida que
Passo 3
Esquematicamente, a força interatômica e a energia potencial se relacionam por
No gráfico de
versus
:
– Para ,
(atração).
– Em ,
(equilíbrio).
– Para ,
(repulsão).
No gráfico de versus
:
– Há um poço de potencial cujo mínimo em define a energia mais baixa do par atômico.
– quando
.
– cresce rapidamente para
(repulsão).
– Para
– Em
– Para
No gráfico de
– Há um poço de potencial cujo mínimo em
–
–
Passo 4
A energia de ligação \emph{(ou energia de coesão)} é a energia necessária para separar os dois átomos do estado de equilíbrio
até
. Matematicamente,
Quanto mais profunda a cavidade de
, maior a energia de ligação e mais forte é a ligação química entre A e B.
Passo 5
Propriedades de um material diretamente influenciadas pela energia de ligação incluem:
– Ponto de fusão e ponto de ebulição (quanto maior , maior a temperatura necessária para separar átomos).
– Módulo de elasticidade (mais coesão ⇒ maior rigidez).
– Dureza e resistência mecânica (maior energia de ligação ⇒ mais difícil deformar ou fraturar).
– Calor de vaporização e calor de formação.
– Condutividade térmica (ligação forte favorece transportes vibracionais).
– Coeficiente de expansão térmica (ligação forte reduz a expansão com a temperatura).
– Ponto de fusão e ponto de ebulição (quanto maior
– Módulo de elasticidade (mais coesão ⇒ maior rigidez).
– Dureza e resistência mecânica (maior energia de ligação ⇒ mais difícil deformar ou fraturar).
– Calor de vaporização e calor de formação.
– Condutividade térmica (ligação forte favorece transportes vibracionais).
– Coeficiente de expansão térmica (ligação forte reduz a expansão com a temperatura).
Resposta
(a) As forças interatômicas são atrativas (van der Waals, ligação covalente ou coulômbica) para
e repulsivas (exclusão de Pauli) para
. O gráfico de
cruza zero em
, sendo negativo (atração) à direita e positivo (repulsão) à esquerda. O gráfico de
exibe um poço de potencial com mínimo em
, relacionando-se a
por
.
(b) A energia de ligação é a energia necessária para levar os átomos de
a
, ou seja,
. Ela quantifica a força da ligação química entre A e B.
(c) Propriedades afetadas pela energia de ligação: ponto de fusão e ebulição, módulo de elasticidade, dureza, calor de vaporização, condutividade térmica e coeficiente de expansão térmica.
(b) A energia de ligação
(c) Propriedades afetadas pela energia de ligação: ponto de fusão e ebulição, módulo de elasticidade, dureza, calor de vaporização, condutividade térmica e coeficiente de expansão térmica.