ESTUDO DIRIGIDO - ciências dos materiais

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Nome: Leila Maria Simplicio Rodrigues 
 01. Cite a classificação dos materiais sólidos, listando as principais 
 características apresentadas pelos mesmos. 
 ● Metálicos: 
 - São substâncias inorgânicas compostas normalmente por uma ou 
 mais combinação de elementos metálicos, podendo também conter 
 não metálicos; 
 - Os metais possuem uma estrutura cristalina, na qual os átomos estão 
 organizados de maneira ordenada; 
 - Boa parte é relativamente resistente e dúcteis à temperatura ambiente, 
 tendo alguns resistentes a altas temperaturas; 
 - Em geral são bons condutores térmicos e elétricos; 
 - Possuem aparência lustrosa quando polidos; 
 - São resistentes à fratura; 
 - Opaco à luz visível; 
 - São geralmente usados na condução de eletricidade(fiação elétrica), 
 em estruturas(pontes, construção civil, etc), em automóveis(motor, 
 molas, corpo, etc) e em várias outras aplicações. 
 - Exemplos: (ferro), (cobre) e (alumínio). 𝐹𝑒 𝐶𝑢 𝐴𝑙 
 ● Cerâmicos: 
 - São materiais inorgânicos constituídos por elementos metálicos e não 
 metálicos unidos por ligações covalentes e iônicas; 
 - São duros, possuem rigidez e resistência comparado aos metais, 
 porém são frágeis, apresentando baixa resistência a esforços de 
 tração, torção, flexão etc; 
 - São mais resistentes a altas temperaturas e ambientes severos em 
 comparação com metais e polímeros; 
 - São isolantes térmicos e elétricos; 
 - Podem ser cristalinos, não cristalinos ou uma mistura de ambos; 
 - Geralmente são óxidos, nitretos e carbonetos; 
 - Suas aplicações mais comuns são a produção de tijolos, vasos 
 sanitários, refratários, entre outros; 
 - Exemplos: (óxido de alumínio), (dióxido de silício), 𝐴𝑙 
 2 
 𝑂 
 3 
 𝑆𝑖 𝑂 
 2 
 𝑆𝑖𝐶 
 (carboneto de silício) e (nitreto de silício). 𝑆 𝑖 
 3 
 𝑁 
 4 
 ● Poliméricos: 
 - Os polímeros são moléculas de cadeia longa, formados pela união de 
 várias(poli) unidades menores(meros); 
 - São geralmente compostos orgânicos baseados em carbono, 
 hidrogênio e outros elementos não-metálicos; 
 - A maior parte é não cristalina, mas alguns apresentam uma mistura de 
 regiões cristalinas e não cristalinas; 
 - Possuem grande ductilidade, baixa densidade e podem ser 
 extremamente flexíveis; 
 - São constituídos de macromoléculas; 
 - Além do carbono e hidrogênio, os polímeros podem conter oxigênio, 
 como o acrílico, nitrogênio, poliamidas ou náilons, flúor, 
 fluorocarbonos, silício e silicones; 
 - Incluem plásticos e borrachas; 
 - São isolantes elétricos, não magnéticos e, alguns polímeros, são 
 altamente resistentes a produtos químicos corrosivos; 
 - Exemplo: Polietileno . ( 𝐶 
 2 
 𝐻 
 4 
)
 𝑛 
 ● Compósitos 
 - Materiais compósitos são constituídos de mais de um tipo de material 
 insolúveis entre si(combinação de metais, cerâmicas e polímeros); 
 - Os principais tipos são materiais fibrosos (compostos de fibras em 
 uma matriz) e particulados (compostos de partículas em uma matriz); 
 - Um compósito é projetado para exibir uma combinação das melhores 
 características de cada um dos materiais componentes; 
 - A partir dos compósitos, é possível obtermos materiais leves, robustos, 
 dúcteis e resistentes a altas temperaturas; 
 - Exemplo: Compósito de matriz polimérica com fibra de vidro 
 (resistência da fibra de vidro + flexibilidade do polímero). 
 ● Semicondutores 
 - Os semicondutores são materiais com propriedades elétricas 
 intermediárias entre os condutores (metais) e os isolantes (polímeros e 
 cerâmicas); 
 - Os semicondutores são, geralmente, feitos de silício, germânio e 
 arsenato de gálio; 
 - Suas propriedades elétricas são extremamente sensíveis a pequenas 
 concentrações de átomos de impurezas presentes em sua composição 
 que podem ser controladas ao longo de pequenas regiões espaciais; 
 - Podem ser combinados entre si para gerar propriedades eletrônicas e 
 ópticas; 
 - A sua principal aplicação é nos componentes eletrônicos de 
 computadores; 
 - Exemplos: Silício , Arseneto de Gálio , Germânio . ( 𝑆𝑖 ) ( 𝐺𝑎𝐴𝑠 ) ( 𝐺𝑒 )
 ● Biomateriais 
 - são utilizados na área da saúde para as mais diversas finalidades, 
 entre elas dispositivos biomédicos, materiais implantáveis, órgãos 
 artificiais, entre outros; 
 - Não tóxicos; 
 - Pertencem aos materiais metais, cerâmicos, compósitos e polímeros; 
 - Exemplos: Aço inox, óxido de alumínio, quitosana, etc. 
 02. Cite de forma resumida as principais diferenças entre ligação iônica, 
 covalente e metálica 
 ● As ligações iônicas são ligações que são realizadas através da relação entre 
 os íons de cargas opostas(cátions e ânions). Essa relação é definida pela 
 atração oposta entre os íons, pois quanto mais afastados maior o grau iônico. 
 Se encontra em compostos que são constituídos de elementos tanto 
 metálicos quanto não-metálicos. Eles possuem correlação com os 
 cerâmicos. 
 ● As ligações covalentes são ligações que agem de maneira contrária à iônica, 
 pois quanto mais juntos maior o seu grau de covalência. Eles possuem 
 correlação com os polímeros. É um tipo de ligação em que ocorre o 
 compartilhamento de elétrons entre os átomos adjacentes. A ligação 
 covalente é direcional, ou seja, é entre átomos específicos e pode existir 
 apenas na direção entre um átomo e um outro que participa no 
 compartilhamento eletrônico. Muitas moléculas elementares não-metálicas 
 como moléculas contendo átomos dissimilares são covalentemente ligadas. 
 ● As ligações metálicas são ligação que ocorrem entre os metais, formando 
 estruturas cristalinas de ligas metálicas. Essas ligações liberam elétrons de 
 suas camadas mais externas e esses elétrons se deslocam com grande 
 mobilidade entre as camadas, assim gerando uma nuvem eletrônica, que 
 produz uma força que une os átomos dos metais. Este tipo de ligação é 
 encontrado para todos os metais elementares. 
 03. Qual o tipo de ligação química é usualmente presente nos seguintes 
 materiais: metais, cerâmicos, polímeros, compósitos, semicondutores e 
 biomateriais? 
 Os materiais cerâmicos possuem ligação iônica e mista iônica-covalente, os 
 materiais polímeros possuem ligação covalente e van der Waals, os materiais 
 metálicos possuem ligações metálicas, entretanto os semimetais e intermetal tem 
 ligações mistas, sendo mista covalente-metálica os semimetais e mista 
 metálica-iônica os intermetálicos, o tipo de ligação de materiais compósitos e 
 biomateriais dependem da matriz e do reforço que os forma e os semicondutores 
 possuem ligações covalentes e iônicas. 
 04. Diferencie materiais cristalinos de materiais não cristalinos em termos de 
 arranjo atômico. 
 O material cristalino é um material que os átomos ficam posicionados em 
 colocações periódicas ou repetitivas em grandes distâncias atômicas. Assim, 
 quando se solidificam, existe uma ordem de longo alcance. Quando está ausente a 
 ordem atômica, ou seja, desorganizados, com poucas unidades atômicas, são 
 chamados de não cristalinos ou amorfos, pois não se cristalizam. 
 05. Quais são as estruturas cristalinas mais comuns encontradas nos 
 materiais metálicos? 
 A maioria dos metais possuem uma célula unitária com geometria cúbica, seus 
 átomos estão localizadas nas vértices e no centro das faces do cubo, devidoisso, é 
 chamado de estrutura cristalina cúbica de faces centradas (CFC). A estrutura 
 cristalina dos metais também pode ser cúbica de corpo centrado (CCC), ela possui 
 uma célula unitária cúbica, e seus átomos estão localizados em todos os oito 
 vértices e um átomo no centro do cubo. Enquanto, alguns metais possuem células 
 unitárias com simetria cúbica e uma célula unitária hexagonal, que é chamada de 
 hexagonal compacta (HC). 
 06. O que você entende por “fator de empacotamento atômico” e de que 
 depende? 
 O Fator de empacotamento atômico(FEA) consiste na definição da fração de volume 
 da célula unitária que corresponde a esferas sólidas que é ocupada pelos átomos. 
 Desta forma, o fator de empacotamento atômico é a razão entre o volume de 
 átomos em uma célula unitária e o volume total da célula unitária. Sua função é 
 informar sobre a organização dos átomos em uma estrutura cristalina, determinando 
 quantos átomos podem ser organizados e a qualidade do empilhamento. Sendo 
 assim, ele faz a medição da fração de espaço da rede que é efetivamente ocupada 
 pelos átomos. Isso se dá por causa da forma em que os átomos estão organizados, 
 determinando sua estrutura cristalina, assim os espaços podem ser ocupados de 
 forma eficiente ou não. 
 07. O que é polimorfismo ou alotropia? Quais as consequências deste 
 fenômeno nas propriedades dos materiais? Cite 2 exemplos de materiais que 
 exibem polimorfismo. 
 O polimorfismo é um fenômeno que alguns sólidos (metálico ou não metálico) 
 apresentam mais de uma estrutura cristalina, dependendo das condições de 
 temperatura, pressão e etc. Assim, quando é encontrado esse fenômeno em 
 elementos sólidos puros é denominada alotropia. A estrutura cristalina que 
 prevalece depende tanto da temperatura quanto da pressão externa. O carbono é 
 um exemplo, pois a grafita é um polimorfo estável sob as condições ambientes, 
 enquanto o diamante é formado sob pressões extremamente elevadas. Na maioria 
 das vezes, uma transformação polimórfica é acompanhada de uma mudança na 
 massa específica e em outras propriedades físicas. 
 8. Represente a direção [111] e os planos (111) e (222) na figura abaixo. 
 9. Identifique as famílias de planos representadas abaixo: 
 10. Identifique os planos representados abaixo: 
 11. Quais as informações básicas que podem ser obtidas por difração de 
 raios-X? 
 A difração de raios-X é utilizada para identificar os compostos cristalinos, sua 
 estrutura e seu parâmetro de rede, assim como obter detalhes do tamanho e sua 
 perfeição. Desta forma, com a difração de raios-X é possível obter informações 
 sobre a estrutura atômica e molecular detalhada, assim entendendo a unidade 
 celular do cristal e sua simetria. 
 12. O que é uma discordância? Quais as principais causas da formação de 
 discordâncias? 
 As discordâncias são defeitos cristalinos unidimensionais em que alguns átomos se 
 encontram fora da sua posição na estrutura cristalina. As discordâncias têm função 
 de controlar a resistência ao escoamento e a subsequente deformação plástica dos 
 sólidos cristalinos a temperaturas normais. Existem dois tipos de discordâncias: 
 discordância cunha(linhas da discordância de átomos em uma estrutura cristalina) e 
 discordância hélice(as ligações interatômicas são significativamente distorcidas nas 
 imediações da linha de discordância), porém a maioria das discordâncias são 
 misturas dos dois tipos. Normalmente, os defeitos lineares são causados por uma 
 distorção da rede cristalina em torno de uma linha. Essas imperfeições geralmente 
 ocorrem na solidificação, na deformação plástica de sólidos cristalinos ou ainda na 
 concentração de vacâncias. 
 13. Por que as propriedades mecânicas dos materiais são estudadas? 
 Porque o conhecimento das propriedades mecânicas dos materiais é de grande 
 importância para escolher bem determinados materiais e suas aplicações, já que as 
 propriedades mecânicas definem como o material se comporta quando está sujeito 
 a situações de esforço mecânico, determinando a sua resistência à tração, 
 resistência à compressão, resistência à torção, resistência ao choque, resistência ao 
 desgaste, dureza, etc. Desta forma, por meio do estudo das propriedades 
 mecânicas dos materiais é possível proporcionar segurança adequada em um 
 projeto. Além disso, seu conhecimento é imprescindível para o melhoramento de 
 qualidades tecnológicas. 
 14. O vetor de Burger é a distância de deslocamento dos átomos ao redor da 
 discordância, ou seja, dá a magnitude e a direção de distorção da rede. Qual a 
 orientação deste vetor para discordâncias em cunha, em hélice e mista? 
 As discordâncias em cunha tem o vetor de Burger perpendicular a direção da linha 
 da discordância, enquanto em helicoidal, elas são paralelas em direção da linha da 
 discordância. As mistas não são nem perpendiculares e nem paralelas 
 15. De acordo com a tabela abaixo responda quais dos elementos você 
 esperaria formar com o Níquel: 
 a) Solução sólida substitucional, com completa solubilidade. Justifique. 
 b) Solução sólida substitucional, com solubilidade incompleta. Justifique. 
 c) Solução sólida intersticial. Justifique. 
 A) Apenas a Platina forma uma solução sólida substitucional, com completa ( 𝑃𝑡 )
 solubilidade com o Níquel . Pois conforme a regra o tamanho iônico é ( 𝑁𝑖 )
 menor que 15%, possui a mesma estrutura cristalina CFC, eletronegatividade 
 semelhante e mesma valência. 
 B) Os elementos Prata , Alumínio , Cobalto , Cromo , Ferro ( 𝐴𝑔 ) ( 𝐴𝑙 ) ( 𝐶𝑜 ) ( 𝐶𝑟 ) ( 𝐹𝑒 )
 e Zinco formam soluções sólidas com solubilidade incompleta, pois ( 𝑍𝑛 )
 esses elementos são diferentes do Níquel no tamanho iônico que é maior ( 𝑁𝑖 )
 que 15%, estrutura cristalina CCC ou HC, valência diferente de 2+. 
 C) Os elementos Carbono Hidrogênio e Oxigênio formam soluções ( 𝐶 ), ( 𝐻 ), ( 𝑂 ),
 sólidas intersticiais com o Níquel pois possuem tamanho muito menor ( 𝑁𝑖 ),
 que o hospedeiro. 
 16. O contorno de grão favorece a nucleação de novas fases, difusão. Por 
 quê? O tamanho de grão tem um papel importantíssimo nas propriedades dos 
 materiais. Na prática, como o tamanho de grão pode ser controlado? 
 A difusão de elementos, alojamento de impurezas e outras estruturas é favorecida 
 por causa de um empacotamento atômico menos eficiente, assim possibilitando a 
 formação de novas fases. O tamanho de grão pode ser controlado pelas 
 composições químicas e taxas de cristalização ou solidificação, ou seja, pode ser 
 controlado por meio do tempo de solidificação/esfriamento de um dado material 
 metálico.