RESUMO ESTRUTURA ATÔMICA E MOLECULAR DOS MATERIAIS - MATERIAIS DE CONSTRUÇÃO I - MATECO I

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RESUMO ESTRUTURA ATÔMICA E MOLECULAR DOS MATERIAIS
Para entender as características dos materiais é importantíssimo as informações
sobre a estrutura atômica e molecular deles, pois elas influenciam muito as propriedades
físicas e o comportamento mecânico. Dentro da estrutura tem-se 4 níveis: estrutura atômica,
arranjo atômico, microestrutura e macroestrutura. O primeiro diz respeito a quais átomos
formam o material e o segundo, a quais conjuntos de átomos (ex: celulose).
Os átomos são formados por nêutrons, prótons e elétrons. Os dois primeiros se
localizam no núcleo e os elétrons ficam ao redor nos chamados níveis energéticos ou
camadas eletrônicas.
Cada átomo possui uma massa, composta pela soma da massa dos prótons e
nêutrons, que exerce pouca influência nas propriedades dos materiais. Já o número atômico é
uma grandeza muito importante, a qual indica o número de prótons ou elétrons (em um átomo
de carga neutra). A partir dele é possível obter a distribuição eletrônica e observar a
quantidade de elétrons na camada de valência (camada mais externa da estrutura atômica).
Esse último item é de bastante interesse para a engenharia, pois afeta a condutividade elétrica,
influencia as características ópticas dos materiais e a partir dele determinam-se as
propriedades químicas dos materiais, estabelece-se a natureza das ligações entre átomos, as
características mecânicas e de resistência.
A maioria dos átomos busca um arranjo estável formado por 8 elétrons na camada
de valência. Para isso, dependendo da quantidade inicial de elétrons nela, eles terão a
tendência de perder (se tiverem 3 ou menos), receber (se tiverem de 5 a 7) ou compartilhar
elétrons (se tiverem 4). Fato que está diretamente relacionado ao tipo de ligação atômica que
eles farão.
As ligações atômicas podem ser primárias (iônicas, covalentes e metálicas),
consideradas fortes, ou secundárias, mais fracas, também chamadas de forças de Van der
Waals.
As ligações iônicas dão-se pela atração entre íons de cargas elétricas contrárias,
motivadas por forças coulombianas e predominam em materiais cerâmicos. Os materiais
iônicos quando são submetidos a esforços mecânicos, normalmente se comportam de forma
frágil (deformam-se pouco até a ruptura) devido ao carácter forte da ligação, que dificulta a
movimentação dos átomos dentro dela. Além disso, apresentam elevados pontos de fusão e
ebulição, sendo também isolantes elétricos e térmicos.
As ligações covalentes se dão pela aproximação intensa entre dois elementos
químicos que vão se ligar de maneira que alguns elétrons da camada de valência de um dos
átomos circundem o núcleo do outro átomo. Nenhum dos dois ganham ou perdem elétrons,
mas os compartilham de forma que se tornem estáveis. Os compostos covalentes apresentam
pontos de fusão e ebulição inferiores aos compostos iônicos, têm baixa condutividade elétrica
devido a dificuldade de alterar a posição entre os átomos e são sólidos quebradiços.
As ligações metálicas são caracterizadas pelas nuvens eletrônicas. Os elementos
metálicos de baixa valência liberam seus elétrons da última camada e com a perda dos
elétrons de valência, os remanescentes tornam-se íons positivos. São comuns em metais e
ligas metálicas. Elas possuem alta condutividade térmica e elétrica e permitem grandes
deformações plásticas pois as ligações não estão fixas em uma direção só.
Falando das ligações secundárias, elas também ocorrem pela atração de cargas
opostas, semelhante às iônicas, entretanto não há transferência de elétrons (a atração depende
das distribuições assimétricas das cargas dentro de cada átomo ou unidade molecular sendo
ligada).
A assimetria se chama dipolo e existem 3 tipos de ligações: moléculas polares,
dipolo induzido e pontes de hidrogênio. No primeiro tipo, o centro de carga positivo e
negativo não coincidem, causando uma assimetria, chamado de dipolo elétrico. Já as ligações
chamadas de dipolo induzido são um caso no qual moléculas inicialmente simétricas sofrem
uma polarização momentânea, formando então dipolos que se atraem. Essa alteração
momentânea é decorrente do movimento ao acaso dos elétrons e da vibração atômica. Por
último, as pontes de hidrogênio. São um caso particular de atração por moléculas polares, em
que a carga positiva do núcleo do átomo de hidrogênio de uma molécula é atraída pelos
elétrons de valência de átomos de moléculas adjacentes. E o exemplo mais famoso é o caso
das moléculas de água.
Os materiais geralmente são formados por vários tipos de ligações, entretanto
possuem algum predominante. Essa variação torna a análise do material mais complexa do
que quando se avalia somente a energia de um tipo de ligação (energia mínima requerida para
criar ou quebrar a ligação).
Nos metais, os tipos de ligações predominantes são as ligações metálicas; nas
cerâmicas e vidros, iônicas; nos polímeros, covalentes; e nos semicondutores, covalentes.
Outro conceito importante é o do espaço interatômico, que é a distância de equilíbrio
entre os átomos, determinado por um balanço entre forças de repulsão e atração. Átomos
separados por distâncias superiores às distâncias de equilíbrio vão perdendo as forças que os
mantém unidos, enquanto átomos com distâncias inferiores às distâncias de equilíbrio sofrem
os efeitos repulsivos de seus núcleos.
Nesse contexto, os módulos de elasticidade e coeficiente de variação térmica são as
propriedades dos materiais que mais são afetados pelas relações entre força-distância e
energia-distância dos átomos.
Com relação aos arranjos atômicos, eles são os responsáveis pela formação dos
materiais e podem gerar três classes estruturais: moleculares, cristalinas e amorfas.
Aqui falaremos das duas primeiras. As moleculares podem ser caracterizadas por um
agrupamento de átomos. Nelas existem grupos limitados de átomos ligados geralmente por
ligações covalentes, formando moléculas que se ligam entre si por meio de ligações
secundárias. As cristalinas são caracterizadas quando existe uma organização padrão na
disposição espacial dos átomos que constituem determinado arranjo atômico. Ou seja, há uma
regularidade estrutural, com repetição, nas 3 dimensões. E a unidade básica que se repete é
chamada de célula unitária.