LISTA DE EXERCÍCIOS RESOLVIDA Estrutura Atômica e Molecular dos Materiais - MATECO 1 - MATERIAIS DE CONSTRUÇÃO 1 - ENGENHARIA CIVIL - COM RESPOSTAS

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LISTA DE EXERCÍCIOS
Estrutura Atômica e Molecular dos Materiais
1) Quais as diferenças e semelhanças entre prótons, nêutrons e elétrons?
Elétrons e prótons são eletricamente carregados enquanto os nêutrons não
possuem essa característica. Além disso, os elétrons ficam localizados na
eletrosfera enquanto nêutrons e prótons situam-se no núcleo dos átomos.
2) Defina: (a) número atômico; (b) massa atômica.
a) Número atômico é uma espécie de grandeza/propriedade/característica
comum a todos os átomos que indica o número de prótons no núcleo ou
elétrons (em um átomo de carga neutra).
b) Massa atômica é a junção da massa dos prótons e dos nêutrons presentes
em um átomo. Os elétrons são muito leves, portanto, a massa deles é
desprezível. É medida em unidades de massa atômica (u.m.a) que
corresponde a 1/12 da massa do Carbono-12.
3) Descreva as propriedades dos materiais que são constituídos por: (a) ligações iônicas;
(b) covalentes; (c) metálicas. Dê exemplo de um material de cada tipo.
a) 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. Um exemplo desse
tipo de material são as cerâmicas.
b) 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.
Um exemplo desse tipo de material são os polímeros.
c) Materiais constituídos predominantemente por ligações metálicas possuem
alta condutividade térmica e elétrica e permitem grandes deformações
plásticas pois as ligações não estão fixas em uma direção só. Um exemplo
desse tipo de material são os metais.
4) O que são ligações secundárias? Qual a força motriz para a formação destas ligações?
Ligações secundárias são ligações mais fracas, também chamadas de forças
de Van der Waals. Elas 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.
5) Defina os seguintes termos: (a) estrutura molecular; (b) estrutura cristalina; (c)
estrutura amorfa; (d) ordenação de longo alcance; (e) ordenação de curto alcance; (f)
célula unitária.
a) As estruturas moleculares são um tipo de arranjo atômico, as quais 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.
b) As estruturas cristalinas são mais um tipo de arranjo atômico. Elas são
caracterizadas quando existe uma organização padrão na disposição
espacial dos átomos que constituem determinado arranjo. Ou seja, há uma
regularidade estrutural, com repetição, nas 3 dimensões.
c) Estruturas amorfas são aquelas nas quais os átomos não apresentam
qualquer tipo de regularidade ou organização em termos de sua disposição
espacial, ou, caso exista algum ordenamento, ele ocorre a curto alcance (em
pequenas distâncias).
d) Ordenação de longo alcance é aquela no qual o arranjo atômico se
estende através de todo o material, formando um padrão regular e repetitivo.
e) Ordenação de curto alcance é aquela no qual um material exibe
ordenamento dos átomos apenas até os vizinhos mais próximos.
f) Célula unitária é a unidade básica que se repete ao longo de todo o arranjo
das estruturas cristalinas.
6) Explique alotropia e polimorfismo. Cite exemplos.
Polimorfismo é um fenômeno no qual um sólido (metálico ou não metálico)
pode apresentar mais de uma estrutura cristalina, dependendo da
temperatura e da pressão, mantendo a mesma composição química. Como é
o caso da sílica, que forma quartzo, cristobalita e tridimita.
A alotropia é um polimorfismo em elementos puros. Nesse caso temos o
exemplo do diamante e grafite, os quais são constituídos por átomos de
carbono arranjados em diferentes estruturas cristalinas.
7) Qual notação é utilizada para demonstrar uma direção e um plano cristalográfico em
um cristal?
A direção e um plano cristalográfico em um cristal são demonstrados por
meio de um sistema de eixos cartesianos aplicados na célula unitária,
chamado de Índices de Miller.
Os índices de uma direção estão relacionados com as coordenadas de um
ponto com relação à origem do sistema de eixos. Assim, a direção [100]
corresponde a um vetor paralelo ao eixo x, enquanto que a direção [010]
corresponde a um vetor paralelo ao eixo y.
No caso dos planos, os índices correspondem ao inverso do valor das
interseções do plano com os eixos. Deste modo, um plano (100) corresponde
a um plano paralelo aos eixos y e z. Enquanto que um plano (010)
corresponde a um plano paralelo aos eixos x e z.
8) Qual a diferença entre uma solução sólida substitucional e solução sólida intersticial.
Uma solução sólida substitucional ocorre quando o átomo do soluto tem
dimensões e estruturas eletrônicas semelhantes ao átomo do solvente.
Dessa forma, podem ocorrer substituições de alguns átomos da matriz do
solvente por átomos “semelhantes” do soluto.
Uma solução sólida intersticial ocorre quando a dissolução se dá não por
substituição entre os átomos, mas sim pela inserção de novos átomos do
soluto em interstícios ou espaços vazios entre átomos do solvente. Assim, os
átomos a serem inseridos devem ter dimensões iguais ou inferiores aos
espaços entre os átomos do solvente.
9) Defina imperfeição estrutural e cite os tipos de imperfeições em sólidos cristalinos.
Imperfeição estrutural é um erro no arranjo regular dos átomos de um cristal.
Ou seja, pode significar irregularidades na posição ou quanto ao tipo de
átomo.
Existem 3 tipos delas:
Defeitos pontuais: associados com uma ou várias posições atômicas.
Defeitos de linha (discordâncias): ocorrem em uma dimensão.
Defeitos de superfície ou planares (fronteiras): ocorrem em duas dimensões.