Exercicios Resolvidos de Padilha capitulo 1 ate 5

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Universidade Lúrio
Faculdade de Engenharia
Licenciatura em Engenharia Mecânica 
2o Ano
Ciência e Tecnologia dos Materiais
Nomes: Carlos Paulo Sassique Andrassone
Resolução dos Capítulos 1 até 5 do livro de Padilha
Capítulo 01- Os materiais da engenharia
1.Compare os três grupos (tipos) de materiais (metálicos, cerâmicos e poliméricos) quanto às seguintes propriedades: ponto de fusão, dureza, maleabilidade, densidade e resistividade eléctrica.
Resposta
	
	Metálicos 
	Cerâmicos 
	Polímeros 
	Ponto de fusão 
	Media 
	Alto 
	Baixo 
	Dureza
	Maleável 
	Muito duro frágil 
	Muito maleável 
	Maleabilidade
	Moldável 
	Não flexível
	Flexível e Leve
	Densidade
	Alta densidade
	Média densidade
	Baixa densidade
	Resistividade eléctrica 
	Óptimo condutor eléctrico e térmico
	Isolantes Térmicos e eléctricos
	Isolantes Térmicos e eléctricos
2. Por que o desenvolvimento dos plásticos modernos ocorreu tardiamente em comparação com os materiais cerâmicos e metálicos ?
Resposta
Porque não havia conhecimentos relacionados com a química orgânica, algo essencial para se trabalhar com polímeros.
3. O que é microestrutura de um material? 
Resposta
Microestrutura pode ser definida, sucintamente, como o conjunto de características físicas, incorporando-se a elas, aspectos ligados à morfologia, escala, localização e orientação que define as propriedades de um material. As características físicas podem ser definidas como as diferentes fases que o material pode possuir e seus defeitos, sendo que as fases podem ser cristalinas ou não. A microestrutura depende da composição química e dos tratamentos termomecânicos pelos quais o material passou.
4. O que são materiais avançados? 
Resposta
Materiais avançados, ou projectados, ou aperfeiçoados, são feitos a partir de conhecimentos científicos, com propriedades que podem ser quantitativamente previstos, , ou seja aqueles que podem ser obtidos combinando outros materiais já existente. Estes materiais têm geralmente suas propriedades optimizadas ou são materiais novos de alto desempenho. Biomateriais, semicondutores, materiais inteligentes são exemplos de materiais avançados.
5. Faça uma lista dos principais factores que influenciam o preço de um material. Ordene a sua lista de factores em ordem decrescente de importância. 
Resposta
Primeiramente, o preço de um produto depende dos custos do mesmo e de seu valor de mercado. Por exemplo, se uma única empresa produz um produto indispensável no mercado e que não se encontra similares, o produto, consequentemente, terá um alto preço. Em relação aos custos gerados pelo produto, o de fabricação pode ser considerado o maior deles, quanto mais complexo e mais etapas de fabricação o produto tem maior será ele. Após vem o custo de mão-de-obra e o preço da matéria prima. Sendo assim, minha lista em ordem decrescente é: custos de fabricação, valor de mercado, mão-de-obra e matéria-prima.
6. Compare o preço das cerâmicas tradicionais com o preço das cerâmicas avançadas. Justifique a diferença.
Resposta
Cerâmicas tradicionais são obtidas através de matéria prima natural, enquanto que cerâmicas avançadas são fabricadas a partir de óxidos, nitretos, carbonetos e boretos de alta pureza tornando seu custo mais alto.
7. Descreva com suas palavras e em não mais que 20 linhas a sua conceituação de ciência dos materiais. 
Resposta
Ciência dos materiais é uma ciência que faz parte do conhecimento básico para todas as engenharias, pois é ela que estuda as características, estruturas e comportamentos dos matérias. É inteiramente ligada com física e química, exigindo um conhecimento mínimo nestas matérias. É essencial para conhecimentos em disciplinas como mecânica dos fluidos e dos sólidos.
8.O termo novos materiais é muito utilizado na imprensa, em artigos de divulgação científica e até em programas de governo. Você acha este termo adequado ? Justifique. 
Resposta 
Sim, pois este termo é utilizado em materiais recentes e também em materiais antigos com aprimoramentos tecnológicos através de estudos, melhorando sua pureza e provendo custos inferiores.
9. Qual a importância da reciclagem dos materiais ? Discuta pelo menos três aspectos. 
Resposta
A Reciclagem é importante por vários motivos, mas basicamente pelos seguintes motivos: 
· Há materiais não encontrados em sua forma pura na natureza, e utilizam uma quantidade muito grande de energia para serem sintetizados, como o alumínio;
· A economia nos gastos ao se obter o material por meio de recicla-lo;
· A diminuição do impacto na natureza.
10. Discuta a importância da disponibilidade do chumbo e do ferro para a construção das prensas de Gutenberg.
Resposta
Na prensa de Guttemberg, os tipos eram feitos de chumbo que era fundido em formas de ferro, o que tornavam estes tipos mais resistentes e duradouros se comparado com os de madeira usados na época. Sem a disponibilidade e habilidade no uso destes materiais, não haveria, ou seria mais tardia, a revolução da imprensa. Que resultou na liberdade religiosa e política
Capítulo 02- O átomo 
1. Segundo a teoria atómica de Dalton, os átomos de um determinado elemento são idênticos em massa e tamanho. Critique esta afirmação. 
Resposta
O átomo não é idêntico em massa, pois sabe se que o átomo tem uma área central (núcleo) e ao redor do núcleo tem a eletrosfera que é onde tem vários eletrões girando em volta do núcleo, ou seja um átomo não é idêntico em massa.
2. Por que uma lâmpada emite luz quando acesa?
Resposta
São os raios catódicos. Foi-se observado que quando gases (no caso das lâmpadas incandescentes) ficam sob baixa pressão, e são submetidos à eletricidade, os eletrões passam de uma extremidade para outra, provocando aumento da luz. Quanto mais eletricidade no gás, mas luz.
Todos os gases quando entram em contacto com a eletricidade produzem luz, essa luz foi chamada de raios catódicos. No caso das fluorescentes, a energia luminosa cinética é produzida pela resistência que têm naquele filamento em forma de espiral. A energia passa com muita dificuldade causando assim aquecimento e gerando luz.
3. É possível identificar um elemento químico por meio da tonalidade (comprimento de onda) da luz emitida após aquecimento. Justifique.
Resposta
Sim e é chamado análise química qualitativa por via seca, esta análise é utilizada para identificar metais através da cor de chama que é emitida e é muito simples e fácil: Você pega um grafite próprio para isto, o umedece em algum ácido que não contaminará o sal, encosta a ponta do grafite no sal e o coloca na chama (no bico de buisen). E a luz característica do metal será emitida, em alguns casos é difícil de ver diferença na chama.
4. Por que os filamentos de lâmpada são feitos geralmente de tungsténio?
Resposta
É um material que emite luz ao aumentar um pouco a sua temperatura, fora que não arrebenta com facilidade em altas temperaturas, desde que esteja em um ambiente com condições adequadas.
5. Um alvo metálico quando bombardeado com electrões de alta energia (ou velocidade) emite raios x. Justifique. 
Resposta
Devido à desaceleração do electrão causada pela interacção eléctrica (campo eléctrico) entre o electrão (de carga negativa) de alta energia e o núcleo (de carga positiva). Esta interacção faz com que o electrão tenha alteração na sua trajectória. Havendo assim a transferência de momentos e aceleração aplicada sobre ambos.
7. Consulte seus livos de química e explique o princípio da exclusão de Pauli.
Resposta
O princípio de exclusão de Pauli diz que apenas dois electrões podem ter os mesmos números quânticos orbitais e estes não são idênticos já que tem spins contrários, electrões do mesmo nível, orbital devem ter direcções contrários.
8. Considere os átomos com números atómicos 4, 12, 20 e 38. A qual família eles pertencem?
Resposta
4- 1S2 2S2; 12- 1S2 2S2 2P6 3S2; 20-1S2 2S2 2P6 3S2 3P6 4S2 e 38- 1S2 2S2 2P6 3S2 3P6 4S2 3d10 4P6 4S2
Feita a distribuição, observou-se que todos terminam com o subnível (s2) então pertencem ao II-Grupo A.
9. Pela posição ocupada na tabela periódica, coloque os elementospuros nióbio, tântalo, tungsténio e vanádio em ordem crescente de densidade e de ponto de fusão. 
Resposta
Tungsténio, Nióbio, Vanádio e Tântalo.
Capítulo 03- Ligações atómicas
1. Quais os tipos de ligações químicas existentes nos materiais metálicos, cerâmicos e poliméricos?
Resposta
Metais: Ligação Metálica
Cerâmicos: ligação iónica entre metais e não-metais
Polímeros: Cadeias ligadas por forças de Van der Waals (ligação covalente)
2. Relacione o ponto de fusão de um material com a sua energia de ligação.
Resposta
 A Energia de Ligação esta directamente relacionada com o ponto de fusão do material. Quanto maior a energia associada com a formação da ligação mais difícil é sua quebra ou seja, quanto maior a energia de ligação, maior o ponto de fusão de um material. A maior ou melhor é a ligação de hidrogénio.
3. Por que o diamante tem alto ponto de fusão enquanto o ponto de fusão do polietileno é muito mais baixo? (Os dois materiais apresentam ligações covalentes fortes!).
Resposta
As cadeias macromoleculares do polietileno se encontram ligadas por Pontes de Hidrogénio que se quebram por acção do calor, fundindo-se o material. Já os diamantes possuem ligações covalentes muito estáveis, difíceis de serem quebradas.
4. Por que o diamante é duro e o polietileno é mole? 
Resposta
Devido a clivagem octaédrica perfeita que o diamante possui ele torna-se o material mais duro que conhecemos, ele não pode ser riscado por nenhum outro material. Também no diamante cada átomo de carbono possui quatro átomos vizinhos, aos quais está fortemente ligado, formando o conjunto uma estrutura tridimensional extremamente dura e resistente e polietileno não possui estrutura cristalina, sendo um material amorfo.
5. Por que o diamante é frágil e o polietileno é maleável? 
Resposta
O diamante é muito frágil, por causa da clivagem octaédrica perfeita segundo {111}.
6. Por que os sólidos iónicos são frequentemente frágeis enquanto os metais são maleáveis? 
Resposta
Isto deve-se a configuração da estrutura da rede cristalina. Os metais tem uma rede cristalina cúbica de corpo centrado ou de faces centrada e tem espaços intermolecular os átomos podes deslizar entre eles e ocuparem outras posições, já os sólidos iónicos tem estruturas hexagonal compacta e os espaços intermolecular são pequenos em relação ao átomo isto dificulta a ocupação de outros lugares daí os sólidos iónicos não são maleável.
7. Relacione o módulo de elasticidade de um material com a sua energia de ligação. 
Resposta
A porção apical dos colmos apresenta maior resistência a compressão e à flexão, enquanto a parte central dos colmos, onde observam-se os internódios mais longos, apresenta maior resistência à tração. Afirmam que as oscilações na densidade dos tecidos lenhosos são originadas pela diferença estrutural, pela presença de extractivos e pela composição química destes. A diferença estrutural é explicada pela organização das estruturas anatómicas e pelas variações das dimensões (comprimento, espessura e diâmetro) dos elementos estruturais.
8. Por que a luz não atravessa uma chapa fina de metal?
Resposta
Pois a chapa de metal é um meio opaco, dessa forma a luz não consegue atravessar.
Capítulo 04- Estruturas cristalinas
1. Justifique as seguintes afirmações: 
a) os metais têm pequena propensão para formarem sólidos amorfos ao se solidificarem;
b) os metais apresentam diminuição de volume (contracção) ao se solidificarem; 
c) alguns semi-metais apresentam aumento de volume ao se solidificarem.
Resposta
a) Os metais puros, normalmente encontrados na natureza tem uma grande propensão à cristalização. Dessa forma é difícil encontrar na natureza metais na forma amorfa. Uma das maneiras utilizadas para obtenção de sólidos amorfos é a solidificação ultra-rápida a partir do líquido, nesse caso a solidificação do sólido é interrompida impedindo o sólido de solidifica-se, obtendo assim o material desejado.
b) Nos sólidos os átomos e moléculas tentem a ficarem muitos próximos umas das outras, tal fato é o que caracteriza o sólido e dar aos metais, por exemplo, determinadas propriedades. Os metais são classificados como materiais resistentes, sendo bastante duras e pouco maleáveis tais propriedades só são possíveis por conta da organização atómica nos metais, as suas formas geométricas bem como as distancias que separam uma estrutura de outra.
c) O estado físico das moléculas nada mais é do que as oscilações que eles fazem, quanto mais quente mais oscilam e, portanto, se distanciam, ao se solidificar as moléculas ficam muito mais juntas, por isso a diminuição do seu volume, mas não da massa.
2. Qual o número de coordenação para metais com as estruturas CCC, CFC e HC?
Resposta
· Na estrutura CFC, o número de coordenação é 12;
· Na estrutura CCC, o número de coordenação é 8;
· Na estrutura HC o número de coordenação é igual da estrutura CFC-12.
3. Determine o factor de empacotamento para metais com as estruturas CS, CCC, CFC e HC.
Resposta
· N- número de átomos que ocupam efectivamente a célula;
· - volume do átomo (esfera rígida de raio definido) = ;
· - Volume da célula unitária.
Para CS, o factor de empacotamento é:
Quer dizer que somente 52% da célula cúbica simples são efectivamente preenchidos por átomos.
Para CCC o factor de empacotamento é:
Quer dizer que somente 68% desta célula unitária são efectivamente preenchidos por átomos.
Para CFC o factor de empacotamento é:
Quer dizer que somente 74% desta célula unitária são efectivamente preenchidos por átomos, que é o valor máximo do índice de ocupação que pode ser conseguido quando se considera o átomo como uma esfera rígida de raio definido.
Para HC o factor de empacotamento é:
Quer dizer que somente 74% desta célula unitária são efectivamente preenchidos por átomos.
4. Compare e justifique os valores do número de coordenação e do factor de empacotamento obtidos para as estruturas CFC e HC dos exercícios acima.
Resposta
O factor de empacotamento e o número de coordenação das estruturas HC e CFC são iguais, onde significa que os átomos estão mais próximos ou empacotados, que é o valor máximo do índice de ocupação que pode ser conseguido quando se considera o átomo como uma esfera rígida de raio definido. 
5. A estrutura CFC de um metal apresenta interstícios octaédricos e interstícios tetraédricos: 
a) Localize-os na célula unitária; 
b) Se os átomos metálicos têm raio atómico R, calcule o raio r dos vazios tetraédricos em função de R; 
c) Faça o mesmo para os vazios octaédricos.
Resposta
a) 
b) Para os interstícios tetraédricos da estrutura CFC vale a relação: . Assim, a maior esfera que cabe nestes interstícios tetraédricos terá raio 0,28Ǻ. 
c) Na estrutura CFC, a razão entre o raio do interstício octaédrico (r) e o raio atómico da rede (R) é:
6. A estrutura CCC de um metal apresenta interstícios octaédricos e interstícios tetraédricos: 
a) Localize-os na célula unitária; 
b) Se os átomos metálicos têm raio atómico R, calcule o raio r dos vazios tetraédricos em função de R; 
c) Faça o mesmo para os vazios octaédricos.
Resposta
a) 
b) Na estrutura CCC, a razão entre o raio do interstício tetraédricos e o raio do átomo de rede é .
c) Para os interstícios octaédricos da rede CCC vale a relação . 
7. O ferro tem estrutura CCC, raio atómico = 0,124 nm e peso atómico = 55,9 g/mol. Calcule sua densidade e compare-a com a densidade determinada experimentalmente (7,87 g/cm3).
Resposta 
A densidade determinada é próxima a densidade experimental se não igual.
8. O molibdénio tem densidade 10,22 g/cm3, massa molecular 95,94 g/mol e raio atómico 0,1363 nm. A estrutura cristalina do molibdénio é CCC ou CFC?
Resposta
R//Como o número de coordenação (n) é 2, logo trata-se da CCC.
13. Calcule a densidade do NaCl e compare-a com a densidade determinada experimentalmente (2,16 g/cm3). Dados: peso atómico do sódio = 22,99 g/mol peso atómico do cloro = 35,45 g/mol raio iónico do sódio = 0,102 nm raio iónico do cloro = 0,181 nm.
Resposta
Capítulo 05- Direcções e planos cristalográficos1. Quais das seguintes direcções pertencem ao plano (110)? [112]; [110]; [001]; [112] e [889].
Resposta 
Das direcções dadas faz parte do plano somente a direcção [001].
4. Desenhe em uma célula cúbica as seguintes direcções: [100]; [001]; [110]; [111]; [110] e [210].
Resposta 
5. Desenhe em uma célula cúbica os seguintes planos cristalográficos: (100); (001); (110); (111); (110) e (210).
Resposta
6 O chamado tetraedro de Thompson é formado por quatro planos {111} da estrutura CFC. Identifique em uma célula cúbica cadaum destes planos pelos seus índices de Miller. Identifique também as seis arestas do tetraedro por meio de índices de Miller.
Resposta
As arestas por meio de índice de Miller são: (111), (, ,(
7. Calcule a fracção de área ocupada por átomos (denominada densidade planar por alguns autores) para os planos {100}, {110} e {111} da estrutura CFC. 
Resposta
Para {100}
`
Para {110}
Para {111}
8. Calcule a densidade planar para os planos {100}, {110} e {111} da estrutura CCC.
Resposta 
Para {100}
Para {110}
Para {111}
10. Represente em células unitárias hexagonais as seguintes direções cristalográficas: [0001]; [1100]; [1120]; [1012]; [1011] e [1121]. 
Resposta
11. Represente em células unitárias hexagonais os seguintes planos cristalográficos: (0001); (1011); (1010); (1121); (1122); (1120); (1012) e (1011).
Resposta