APOSTILA - Princípio de ciência dos materiais

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Nome do professor 
 
Sobre o autor 
Valtency Ferreira Guimarães 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
O autor do caderno de estudos é o professor Valtency Ferreira Guimarães, 
brasileiro, natural de Barão do Monte Alto/MG, graduado em Matemática (1994), 
Química (1996) e Física (1997) pela Faculdade de Filosofia Ciências e Letras Santa 
Marcelina (FAFISM), Especialista em Física pela Universidade Federal de Ouro Preto 
(UFOP, 2001), Mestre em Engenharia e Ciência dos Materiais pela Universidade 
Estadual do Norte Fluminense Darcy Ribeiro (2009), e Doutor em Engenharia e 
Ciência dos Materiais pela Universidade Estadual do Norte Fluminense Darcy Ribeiro 
(2013). É professor da Faculdade Redentor desde 2009, nos cursos de Engenharia 
Civil, Engenharia Mecânica e Engenharia de Produção. Tem experiência nas 
disciplinas de Dinâmica I, Dinâmica II, Laboratório de Engenharia Mecânica, 
Tecnologia Metalúrgica, Química e Princípio de Ciências dos Materiais. Adquiriu vasta 
experiência em EaD ao atuar como tutor da UAB/CECIERJ de 2004 a 2013. 
 
 
 
Apresentação 
 
 
Olá querido aluno (a), seja muito bem-vindo (a)! 
 
Dando sequência à sua formação em Engenharia, surge um novo desafio em 
suas mãos. Estudar e entender nossa disciplina intitulada Princípio de Ciências dos 
Materiais, que envolve a investigação das relações que existem entre as estruturas e 
as propriedades dos materiais. Esta disciplina é muito importante para a sua formação 
profissional e aborda tópicos significativos para o sucesso do seu curso, uma vez que, 
como profissional da Engenharia, você irá uma vez ou outra ficar exposto(a) a um 
problema de projeto que envolva materiais. 
A aplicação de materiais é algo extremamente amplo, visto que tudo que 
enxergamos e tocamos é constituído de algum tipo de material. Desde coisas mais 
simples como as ferramentas ou talheres que usamos em uma tarefa cotidiana, até 
modernas roupas utilizadas em competições esportivas de alto desempenho. Você já 
pensou, por exemplo, nas complexidades que podem estar envolvidas em uma 
engrenagem de transmissão, na superestrutura de um edifício, no componente de 
uma refinaria de petróleo, ou em um chip de circuito integrado? Obviamente, os 
Engenheiros devem ser especialistas que estão totalmente envolvidos na investigação 
e no projeto dos materiais que integram essas complexidades. 
 É claro que quanto mais familiarizado estiver um(a) Engenheiro(a) com as 
várias características e relações entre a estrutura e propriedade, bem como com as 
técnicas de processamento dos materiais, mais capacitado e confiante ele ou ela 
estará para desempenhar suas funções profissionais. Mas lembre-se, não se 
consegue desenvolver a capacidade só observando o que está sendo descrito ou 
mesmo os exemplos disponibilizados: é preciso praticar! 
Esta disciplina foi dividida em 16 aulas, contendo exemplos e atividades a 
serem resolvidas, sendo importante você manter uma constância em seus estudos. 
Portanto, não acumule dúvidas! Consulte ao professor, participe dos fóruns, releia o 
caderno, as bibliografias recomendadas, faça as simulações e os exercícios 
programados, assista aos vídeos sugeridos e consulte sempre outras fontes que você 
considerar importantes para sua aprendizagem. 
 
Bons estudos! 
 
 
Objetivos 
 
 
 
A Ciência dos materiais é o campo da ciência de caráter interdisciplinar relativo 
ao estudo das propriedades dos materiais e a relação entre a sua estrutura em escalas 
atômicas ou moleculares com suas características macroscópicas, incorporando 
elementos da física e da química como as formas de caracterização e processamento. 
A disciplina Princípio de Ciências dos Materiais visa proporcionar uma formação 
básica, e está sendo amplamente difundida como um campo específico e exclusivo 
do curso de Engenharia. 
Esperamos que ao final da disciplina, você aluno(a) tenha condições de 
correlacionar o arranjo atômico com as propriedades macroscópicas dos materiais 
cerâmicos, metálicos e poliméricos. Utilizar os conceitos básicos da química geral, 
física geral e física do estado sólido e matemática, para constituir-se a base cientifica 
que dá suporte à interpretação dos fenômenos que ocorrem nos materiais. 
 
Este caderno de estudos tem como objetivos: 
 
 Apresentar os fundamentos básicos das Ciências dos Materiais de acordo 
com um nível apropriado para alunos universitários que buscam ampliar seus 
conhecimentos e solidificar as bases fundamentais para o sucesso de seu curso de 
Engenharia; 
 Apresentar a disciplina em uma ordem lógica, desde conceitos mais simples 
até os mais complexos para otimizar a compreensão dos materiais, propriedades, 
características e fenômenos relacionados; 
 Proporcionar aos alunos a oportunidade de compreender por completo os 
assuntos abordados, em parceria com outras fontes de informações, fornecendo 
alguma aplicabilidade prática; 
 Incluir conceitos e ferramentas que irão acelerar o processo de aprendizado. 
Numerosas ilustrações, simulações computacionais, vídeos explicativos, perguntas, 
exemplos e problemas selecionados que auxiliem na auto-avaliação do aluno. 
 
 
 
 
Sumário 
 
 
AULA 1 - MATERIAIS DE ENGENHARIA 
1 INTRODUÇÃO ............................................................................................................ 16 
1.1 Perspectiva histórica ....................................................................................... 16 
1.2 Evolução do uso dos materiais ...................................................................... 18 
1.3 A disciplina de ciências dos materiais ......................................................... 19 
1.4 Classificação dos materiais ........................................................................... 23 
1.5 Metais ............................................................................................................... 23 
1.6 Cerâmicos ....................................................................................................... 25 
1.7 Polímeros .......................................................................................................... 26 
1.8 Compósitos ...................................................................................................... 28 
1.9 Semicondutores............................................................................................... 29 
1.10 Biomateriais .................................................................................................... 30 
 
AULA 2 - ESTRUTURA ATÔMICA E LIGAÇÃO INTERATÔMICA 
2 INTRODUÇÃO ............................................................................................................ 38 
2.1 A estrutura dos átomos ................................................................................... 38 
2.2 Atrações interatômicas entre os átomos ...................................................... 43 
2.2.1 A ligação iônica ...................................................................................... 44 
2.2.2 A ligação covalente ............................................................................... 49 
2.2.3 A ligação metálica ................................................................................. 52 
2.2.4 A ligação secundária, ou de Van Der Waals ..................................... 54 
 
AULA 3 - ESTRUTURA DOS SÓLIDOS CRISTALINOS 
3 INTRODUÇÃO ............................................................................................................ 65 
3.1 Conceitos fundamentais ................................................................................ 65 
3.1.1 A estrutura cristalina cúbica de corpo centrado (CCC) .................. 70 
3.1.2 A estrutura cristalina cúbica de faces centradas (CFC) .................. 71 
3.1.3 A estrutura cristalina hexagonal compacta (HC) .............................. 74 
3.2 Cálculos da densidade ..................................................................................75 
3.3 Polimorfismo e alotropia ................................................................................. 76 
 
AULA 4 - IMPERFEIÇÕES EM SÓLIDOS 
 
 
 
4 INTRODUÇÃO ............................................................................................................ 86 
4.1 Defeitos pontuais - Lacunas e Auto-Interstício ............................................. 86 
4.2 Impurezas em sólidos - soluções sólidas ...................................................... 89 
4.3 Defeitos lineares - discordâncias................................................................... 91 
4.4 Defeitos planares - imperfeições interfaciais ............................................... 95 
4.4.1 Contornos de macla............................................................................... 97 
4.5 Defeitos volumétricos ou de massa ............................................................... 98 
4.6 Vibrações atômicas ........................................................................................ 98 
 
AULA 5 - DIFUSÃO 
5 INTRODUÇÃO .......................................................................................................... 108 
5.1 Mecanismos da difusão ............................................................................... 110 
5.1.1 Difusão por lacuna ................................................................................ 110 
5.1.2 Difusão intersticial .................................................................................. 111 
5.2 Difusão em estado estacionário .................................................................. 112 
5.3 Difusão em estado não-estacionário .......................................................... 115 
5.4 Fatores que influenciam a difusão .............................................................. 116 
5.4.1 Espécies difusivas .................................................................................. 116 
5.4.2 Temperatura .......................................................................................... 117 
5.5 Caminhos alternativos de difusão ............................................................... 119 
 
AULA 6 - DIAGRAMAS DE FASES 
6 A REGRA DA ALAVANCA ....................................................................................... 129 
6.1 Definições e conceitos básicos ................................................................... 129 
6.2 Fases ............................................................................................................... 130 
6.3 Microestrutura ................................................................................................ 131 
6.4 Equilíbrio de fases ......................................................................................... 132 
6.5 Diagramas de fases em condições de equilíbrio ...................................... 133 
6.5.1 Solução sólida completa ..................................................................... 134 
 
AULA 7 - DIAGRAMAS DE FASES CONTINUAÇÃO 
7 DIAGRAMA EUTÉTICO SEM SOLUÇÃO SÓLIDA ...................................................... 149 
7.1 Diagrama eutético com solução sólida limitada....................................... 151 
7.2 A transformação eutética ............................................................................ 154 
 
 
7.3 Desenvolvimento das microestruturas em ligas isomorfas durante o 
resfriamento lento - condições de equilíbrio....................................................... 157 
 
AULA 8 - O SISTEMA FERRO-CARBONO 
8 INTRODUÇÃO .......................................................................................................... 174 
8.1 O diagrama de fases ferro-carbeto de ferro (Fe-Fe3C) ............................. 174 
8.1.1 Discussão sobre o diagrama de fases ferro-carbono ..................... 177 
8.1.2 A transformação eutetoide ................................................................. 179 
8.1.3 Comentário sobre as ligas ferrosas presentes no diagrama Fe-C . 179 
8.2 Desenvolvimento das microestruturas em ligas Fe-C ................................ 180 
8.2.1 As ligas eutetoides ................................................................................ 181 
8.2.2 As ligas hipoeutetoides ......................................................................... 184 
8.2.3 As ligas hipereutetoides........................................................................ 188 
8.3 Resfriamento fora das condições de equilíbrio .......................................... 191 
 
AULA 9 - O SISTEMA FERRO-CARBONO - FERROS FUNDIDOS 
9 OS FERROS FUNDIDOS ............................................................................................. 201 
9.1 O diagrama de equilíbrio ............................................................................. 201 
9.2 A reação eutética no diagrama Fe-C ........................................................ 204 
9.3 Discussão sobre o diagrama de equilíbrio ................................................. 206 
9.3.1 Microestrutura dos ferros fundidos no diagrama Fe-C .................... 207 
 
AULA 10 - LIGAS METÁLICAS 
10 INTRODUÇÃO .......................................................................................................... 221 
10.1 Ligas ferrosas ................................................................................................ 221 
10.1.1 Aços carbono e de baixa liga .......................................................... 222 
10.1.2 Aços de alta liga ................................................................................. 224 
10.1.3 Superligas ............................................................................................. 228 
10.1.4 Ferros fundidos ..................................................................................... 229 
10.2 Ligas não-ferrosas ........................................................................................ 233 
10.2.1 Ligas de alumínio ................................................................................. 233 
10.2.2 Ligas de cobre ..................................................................................... 235 
10.2.3 Ligas de magnésio .............................................................................. 236 
10.2.4 Ligas de titânio ..................................................................................... 236 
10.2.5 Ligas de níquel ..................................................................................... 237 
 
 
10.2.6 Zinco, chumbo e outras ligas ............................................................ 238 
10.3 Processamento de metais ........................................................................... 241 
10.3.1 Operações de conformação ........................................................... 242 
10.3.2 Forjamento ........................................................................................... 243 
10.3.3 Laminação ........................................................................................... 244 
10.3.4 Extrusão ................................................................................................. 244 
10.3.5 Estiramento ........................................................................................... 244 
10.3.6 Fundição ............................................................................................... 245 
10.3.7 Fundição em molde de areia ........................................................... 246 
10.3.8 Fundição com matriz .......................................................................... 246 
10.3.9 Fundição de precisão ........................................................................ 247 
10.3.10 Fundição contínua ............................................................................ 247 
10.4 Técnicas diversas ......................................................................................... 248 
10.4.1Metalurgia do pó ................................................................................ 248 
10.4.2 Soldagem ............................................................................................. 249 
10.5 Efeitos do processamento de metais ......................................................... 251 
 
AULA 11 - PROCESSAMENTO TÉRMICO DE LIGAS METÁLICAS 
11 TRATAMENTOS TÉRMICOS ....................................................................................... 265 
11.1 Introdução .................................................................................................... 265 
11.2 Definição e objetivos ................................................................................... 265 
11.3 Fatores de influência nos tratamentos térmicos ....................................... 266 
11.3.1 Aquecimento ....................................................................................... 267 
11.4 Tempo de permanência à temperatura de aquecimento ...................... 269 
11.4.1 Resfriamento ........................................................................................ 270 
11.4.2 Atmosfera do forno ............................................................................. 272 
11.5 Tratamentos térmicos usuais ....................................................................... 273 
11.5.1 Recozimento ........................................................................................ 273 
11.5.2 Recozimento pleno ou total .............................................................. 274 
11.5.3 Recozimento para alívio de tensões ou subcrítico ........................ 275 
11.5.4 Normalização ...................................................................................... 276 
11.5.5 Esferoidização ...................................................................................... 277 
11.5.6 Tratamento térmico de têmpera ...................................................... 277 
11.6 Revenido ....................................................................................................... 285 
11.6.1 Fragilidade do revenido ..................................................................... 285 
 
 
11.6.2 Transformação da austenita retida .................................................. 286 
11.7 Martêmpera e Austêmpera ........................................................................ 287 
11.8 Têmpera superficial ..................................................................................... 288 
11.8.1 Têmpera por chama .......................................................................... 289 
11.8.2 Têmpera por indução ........................................................................ 289 
11.9 Tratamentos termoquímicos ....................................................................... 291 
11.9.1 Cementação (carbonetação) ......................................................... 292 
11.9.2 Nitretação ............................................................................................ 297 
11.9.3 Carbonitretação ................................................................................. 298 
11.9.4 Cianetação.......................................................................................... 299 
 
AULA 12 - PROCESSAMENTO TÉRMICO DE LIGAS METÁLICAS- APROFUNDAMENTO 
NOS TRATAMENTOS TÉRMICOS 
12 INTRODUÇÃO .......................................................................................................... 307 
12.1 Processos de recozimento .......................................................................... 308 
12.2 Recozimento intermediário ......................................................................... 309 
12.3 Alívio de tensão ........................................................................................... 309 
12.4 Recozimento de ligas ferrosas .................................................................... 310 
12.4.1 Normalização ...................................................................................... 311 
12.4.2 Recozimento pleno ............................................................................. 313 
12.5 Recozimento para recristalização ............................................................. 315 
12.6 Recozimento para alívio de tensões .......................................................... 316 
12.7 Recozimento de recristalização x recozimento para alívio de tensões . 317 
12.8 Cementita globulizada ................................................................................ 318 
12.9 Sobre os tratamentos de recozimento ....................................................... 320 
12.9.1 Trabalho a frio ...................................................................................... 320 
12.9.2 Recuperação ...................................................................................... 321 
12.9.3 Recristalização ..................................................................................... 322 
12.9.4 Crescimento de grão ......................................................................... 322 
12.10 Tratamento térmico de aços .................................................................... 325 
12.10.1 Martensita ........................................................................................... 326 
12.11 Bainita ......................................................................................................... 329 
12.12 Austêmpera e Martêmpera ...................................................................... 330 
12.12.1 Austêmpera ....................................................................................... 330 
12.12.2 Martêmpera ....................................................................................... 333 
 
 
12.12.3 Endurecibilidade ............................................................................... 335 
12.12.4 Ensaio Jominy..................................................................................... 335 
12.12.5 Curvas de endurecibilidade ............................................................ 338 
12.12.6 Influência do meio de resfriamento, do tamanho e da geometria 
da amostra ......................................................................................................... 341 
12.13 Endurecimento por precipitação e por solubilização (envelhecimento) .. 
 ..................................................................................................................... 344 
12.13.1 Considerações................................................................................... 346 
 
AULA 13 - CERÂMICAS E VIDROS 
13 INTRODUÇÃO .......................................................................................................... 357 
13.1 Cerâmicas - Materiais cristalinos ............................................................... 358 
13.2 Vidros - materiais não-cristalinos ............................................................... 362 
13.3 Vitrocerâmicas ............................................................................................. 364 
13.4 A cinética das transformações de fase ..................................................... 366 
13.5 Processamento de cerâmicas e vidros ..................................................... 368 
 
AULA 14 - POLÍMEROS 
14 INTRODUÇÃO .......................................................................................................... 383 
14.1 Polimerização............................................................................................... 383 
14.1.1 Características estruturais dos polímeros ......................................... 390 
14.1.2 4 Polímeros termoplásticos ................................................................. 396 
14.1.3 Polímeros termofixos ............................................................................ 402 
14.2 Aditivos .........................................................................................................407 
14.2.1 Processamento de polímeros ............................................................ 409 
 
AULA 15 - COMPÓSITOS 
15 INTRODUÇÃO .......................................................................................................... 420 
15.1 Compósitos reforçados com fibra .............................................................. 423 
15.1.1 Fibra de vidro convencional ............................................................. 423 
15.1.2 Compósitos avançados ..................................................................... 425 
15.1.3 Madeira - um compósito natural reforçado com fibra ................. 429 
15.1.4 Compósitos agregados ...................................................................... 432 
15.1.5 Resistência interfacial ......................................................................... 439 
15.2 Processamento de compósitos .................................................................. 441 
 
 
 
AULA 16 - ENSAIOS NÃO DESTRUTIVOS (ENDS) 
16 INTRODUÇÃO .......................................................................................................... 454 
16.1 Ensaio visual ................................................................................................. 456 
16.1.1 Sequência do ensaio .......................................................................... 457 
16.1.2 Vantagens e desvantagens do ensaio ........................................... 458 
16.2 Líquido penetrante ....................................................................................... 459 
16.2.1 Etapas do ensaio ................................................................................. 460 
16.2.2 Vantagens e desvantagens do ensaio ........................................... 466 
16.3 Ultrassom....................................................................................................... 467 
16.3.1 Vantagens e desvantagens em relação a outros ensaios ........... 469 
16.4 Ensaio por partículas magnéticas .............................................................. 470 
16.4.1 Comportamento do campo magnético ........................................ 471 
16.4.2 As partículas magnéticas ................................................................... 473 
16.4.3 Magnetização da peça .................................................................... 474 
16.4.4 Radiografia industrial .......................................................................... 479 
16.4.5 Correntes parasitas ............................................................................. 484 
16.4.6 Emissão acústica ................................................................................. 488 
16.4.7 Termografia .......................................................................................... 490 
 
 
 
 
 
 
Iconografia 
 
 
 
 
 
 
 
 
Materiais de engenharia 
Aula 1 
 
 
 
APRESENTAÇÃO DA AULA 
 
Caro(a) aluno(a), nesta aula faremos uma breve introdução sobre os materiais, 
apresentando uma perspectiva histórica e uma abordagem de suas principais classes, 
destacando que os materiais desempenham um papel fundamental no amplo espectro 
da ciência e tecnologia contemporâneas. Estudaremos as categorias que os materiais 
sólidos têm sido convenientemente agrupados em três classificações básicas, a saber 
metais, cerâmicos e polímeros, além dos três outros grupos de materiais importantes 
na Engenharia - compósitos, semicondutores e biomateriais. 
Veremos que para entender as propriedades desses materiais diversos, é 
preciso examinar a estrutura em escala microscópica ou atômica. 
 
OBJETIVOS DA AULA 
 
Esperamos que, após o estudo do conteúdo desta aula, você seja capaz de: 
 
 Proporcionar uma ideia inicial da importância dos materiais para o 
desenvolvimento da ciência e tecnologia; 
 Introduzir uma série de conceitos básicos relacionados à estrutura, 
propriedades e aplicação dos materiais; 
 Conhecer os principais materiais, suas propriedades e aplicações 
visando a especificação de materiais; 
 Citar os quatro componentes que estão envolvidos no projeto, 
produção e utilização de materiais, e descrever sucintamente as 
relações entre estes componentes; 
 Listar seis classificações diferentes de propriedades dos materiais que 
determinam a sua aplicabilidade. 
 
 
P á g i n a | 16 
 
 
1 INTRODUÇÃO 
Nesse momento vale a pena fazer uma 
breve perspectiva histórica para que você se 
situe de maneira adequada em relação à 
disciplina. Vale destacar que os materiais estão 
provavelmente mais entranhados na nossa cultura do que 
a maioria de nós imagina. Transportes, habitação, 
vestuário, comunicação, recreação e produção de 
alimentos - virtualmente, cada seguimento de nossas 
vidas diárias é influenciado em maior ou menor grau pelos 
materiais. 
1.1 Perspectiva histórica 
Historicamente, o desenvolvimento e o avanço das 
sociedades têm estado intimamente ligados às 
habilidades dos seus membros em produzir e manipular 
materiais para satisfazer as suas necessidades. De fato, 
as civilizações antigas foram designadas pelo nível de 
seus desenvolvimentos em relação aos materiais, como, 
Idade da Pedra, Idade do Bronze, outros. 
Os primeiros seres humanos tiveram acesso a 
apenas um número limitado de materiais, aqueles que 
ocorrem naturalmente: pedra, madeira, argila, peles, e 
assim por diante. Com o tempo eles descobriram técnicas 
para a produção de materiais que tinham propriedades 
superiores às dos produtos naturais; estes novos 
materiais incluíam as cerâmicas e os vários metais. Além 
disso, foi descoberto que as propriedades de um material 
poderiam ser alteradas através de tratamentos térmicos e 
pela adição de outras substâncias. 
Até meados do século XIX, o que se conhecia acerca dos materiais era 
essencialmente empírico, ou na melhor das hipóteses, resultado de alquimia. Apenas 
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em tempos relativamente recentes que os cientistas compreenderam as relações 
entre os elementos estruturais dos materiais e as suas propriedades. Este 
conhecimento, adquirido ao longo do último século, deu-lhes condições de moldar, em 
grande parte, as características dos materiais. 
O desenvolvimento do microscópio eletrônico no 
início do século XX, permitiu um grande salto no 
conhecimento dos materiais. A observação ao microscópio, 
permitiu estudos sistemáticos, que por sua vez conduziram 
ao domínio dos materiais e de seus processos de fabricação 
e transformação. Hoje, dispõe-se de aproximadamente 
dezenas de milhares de materiais que compõem o cenário 
industrial moderno, desenvolvidos com características 
relativamente específicas que atendem as necessidades de 
nossa moderna e complexa sociedade; estes incluem os 
metais, os plásticos, os vidros e fibras. 
O desenvolvimento de muitas tecnologias que tornam 
nossa existência tão confortável tem estado intimamente 
associado com a acessibilidade a materiais adequados. Um 
avanço na compreensão de um tipo de material é 
frequentemente o precursor da progressão escalonada de 
uma tecnologia. Por exemplo, os automóveis não teriam 
sido possíveis sem a disponibilidade de aço a baixo custo 
ou de algum outro substituto comparável. Em nossos 
tempos, dispositivos eletrônicos sofisticados dependem de 
componentes que são feitos a partir dos chamados materiais semicondutores. 
Neste momento, caro(a) aluno(a), você deve estar se 
perguntando "mas como será possível para o Engenheiro ter um 
conhecimento detalhado dos muitos milhares de materiais agora 
disponíveis, assim como manter-se a par dos novos 
desenvolvimentos?" 
 Pois acalme-se. Um bom Engenheiro deve é ter um conhecimento adequado 
dos princípios gerais que governam as propriedades de todos os materiais. E lembre-
se sempre, esta disciplina irá lhe auxiliar no estudo da estrutura, que vai incluir desde 
as característicaspossíveis de uma observação direta até aquelas submicroscópicas; 
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desde as peças componentes até os grãos e cristais que compõem as mesmas e, até 
mesmo, as partículas subatômicas que determinam as propriedades do material. 
1.2 Evolução do uso dos materiais 
Após essa explanação inicial, acompanhe na página a seguir a figura 1.1 que 
apresenta de A-H um diagrama da evolução dos materiais de Engenharia ao longo 
dos tempos e suas importâncias relativas. Observe que a escala não é linear. 
Figura 1.1: A evolução dos materiais da Engenharia com o tempo. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
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Figura 1.1: A evolução dos materiais da Engenharia com o tempo (conclusão). 
 
 
 
 
1.3 A disciplina de ciências dos materiais 
Caro(a) aluno(a), você deve sempre ter em mente que a Ciência e Engenharia 
dos Materiais é um campo interdisciplinar que estuda e manipula a composição e a 
estrutura de materiais utilizando escalas de proporção, a fim de controlar as 
propriedades dos materiais através de síntese e do processamento. Aí você pode se 
perguntar, mas o que vem a ser composição, estrutura e processamento diante 
do novo desafio de cursar essa disciplina?... Bem, então, vamos ver... 
O termo composição indica a constituição química de um material. Já o termo 
estrutura se refere à descrição detalhada do arranjo de átomos. Os cientistas e 
Engenheiros lidam não só com o desenvolvimento de materiais, mas também com sua 
síntese e seu processamento, bem como com os processos de fabricação 
relacionados à produção de componentes. Tenha em mente caro(a) aluno(a), o termo 
"síntese" refere-se ao modo como os materiais são feitos, a partir de quais substâncias 
químicas naturais ou produzidas pelo homem; o termo "processamento" diz respeito 
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ao modo como os materiais são transformados em componentes úteis e com 
propriedades adequadas. Parece complexo não é mesmo?... Mas lembre-se, uma das 
mais importantes funções dos Engenheiros consiste exatamente em estabelecer a 
correlação entre as propriedades e o desempenho de um material ou dispositivo, a 
sua microestrutura, além da sua composição e do modo como o dispositivo foi 
sintetizado e processado. Então, a Ciência dos Materiais concentra-se nos 
fundamentos científicos da correlação entre síntese e processamento, microestrutura 
e propriedades dos materiais; e a Engenharia dos Materiais desenvolve modos de 
converter ou transformar materiais em dispositivos ou estruturas úteis. 
Um dos aspectos mais fascinantes da Ciência dos Materiais envolve a 
investigação da estrutura de cada material. De fato, a estrutura dos materiais tem 
grande influência sobre muitas de suas propriedades, mesmo que a composição 
química global não seja alterada. 
Se você, por exemplo, dobrar um fio de cobre puro repetidamente, 
ele vai se tornar não só mais rígido, mas também mais frágil. Por fim, o fio 
de cobre puro vai ser rígido e frágil a ponto de quebrar. Além disso, a 
resistividade elétrica do fio vai aumentar ao ser dobrado repetidamente. 
Observe nesse exemplo simples, caro(a) aluno(a), que não alteramos a 
composição do material (ou seja, sua composição química). As mudanças nas 
propriedades do material decorrem de uma alteração de sua estrutura interna. 
Se você observar o fio já dobrado, notará que ele parece o mesmo; no entanto, 
sua estrutura interna foi alterada em escala microscópica. Nessa escala, a estrutura é 
conhecida como microestrutura. Se você puder compreender o que mudou 
microscopicamente, começará a descobrir meios de controlar as propriedades dos 
materiais. 
Agora vamos analisar um exemplo utilizando o tetraedro da ciência e 
Engenharia de materiais, apresentado na figura 1.2, tendo como exemplo "chapas 
de aço" usadas na fabricação de chassis de automóveis (figura 1.3). 
E lembre-se sempre, você está estudando uma Engenharia situada na fronteira 
entre ciências naturais (física e química) e aplicações na Engenharia. 
 
 
 
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Figura 1.2: Tetraedro da ciência e Engenharia de materiais. 
 
 
Figura 1.3: Material utilizado na Engenharia em diferentes escalas. 
 
 
Como você provavelmente sabe, o aço tem sido empregado na manufatura de 
componentes há mais de cem anos, mas é provável que na Idade do Ferro, há 
milhares de anos, já existisse alguma forma rudimentar de aço. Você deve saber 
também que na fabricação de chassis de automóveis é preciso empregar um material 
com resistência mecânica bastante elevada, mas que ainda possibilite a conformação 
de superfícies com boas propriedades aerodinâmicas. Outro aspecto a considerar é a 
economia de combustível, portanto, o aço em chapas deve ser também fino e leve. 
Além disso, tais tipos de aço precisam, em caso de colisão, absorver quantidades 
significativas de energia, elevando assim a segurança do veículo. Em suma, são 
requisitos contraditórios. Portanto, nesse caso, os Engenheiros preocupam-se com as 
seguintes características do aço na forma de chapas: 
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 Composição química; 
 Resistência mecânica; 
 Peso; 
 Propriedades de absorção de energia; 
 Maleabilidade (conformabilidade). 
 
Na figura 1.4 está destacado a aplicação do tetraedro da ciência e Engenharia 
de materiais a chapas de aço para chassis de automóveis. Observe que os fatores 
composição-propriedades, microestrutura e processamento-síntese estão inter-
relacionados e afetam a razão desempenho-custo. 
Figura 1.4: Tetraedro da ciência e Engenharia de materiais aplicado a chapas de aço para 
chassis de automóveis. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
- O que é razão resistência 
mecânica-densidade? 
- O que é conformabilidade? 
- Como isso se relaciona com 
a resistências de um veículo a 
impactos? 
- O que é custo de 
fabricação? 
 
- À base de ferro? 
- À base de alumínio? 
- Quais elementos de 
liga devem ser 
utilizados? 
- Em que quantidades? 
 
- Como a síntese e o processamento 
do aço podem ser controlados de 
modo que forneçam um alto nível de 
tenacidade e conformabilidade? 
- Como um chassi de carro com boas 
propriedades aerodinâmicas pode 
ser conformado? 
 
- Quais características da 
microestrutura limitam a 
resistência mecânica e a 
conformabilidade? 
- O que controla a 
resistência? 
 
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1.4 Classificação dos materiais 
Uma pergunta óbvia feita por um aluno ou aluna de Engenharia que, como 
você, ingressa nos estudos das Ciências dos Materiais é "que materiais estão 
disponíveis para mim?"... Pois bem, saiba caro(a) aluno(a) que diversos sistemas de 
classificação são possíveis para o amplo espectro de respostas a essa pergunta, 
porém, segundo Callister (veja referência bibliográfica), os materiais sólidos têm sido 
convenientemente agrupados em três classificações básicas: metais, cerâmicos e 
polímeros. Esse esquema está baseado principalmente na composição química e na 
estrutura atômica, e a maioria dos materiais se encaixa em um ou outro grupamento 
distinto, embora existam alguns materiais intermediários. Adicionalmente, existem três 
outros grupos de materiais importantes na Engenharia - compósitos, semicondutores 
e biomateriais. Os compósitos consistem em combinações de dois ou mais materiais 
diferentes, enquanto os semicondutores são utilizados devido às suas características 
elétricas peculiares; os biomateriais são implantados no interior do corpo humano. 
Antes de fazer uma pausa para o café, acompanhe a seguir uma explicação 
sucinta dos tipos de materiais e suas características representativas. 
1.5 Metais 
Materiais metálicos são normalmente combinações de elementos metálicos. 
Eles possuem um número grande de elétrons não-localizados; isto é, estes elétrons 
não estão ligados a qualquer átomo em particular. Muitas propriedades dos metais 
são atribuídas diretamente a estes elétrons.Os metais são condutores extremamente 
bons de eletricidade e calor, e não são transparentes à luz visível; uma superfície 
metálica polida possui uma aparência lustrosa. Além disso, os metais são muito 
resistentes, e ainda assim deformáveis, o que é responsável pelo seu uso extenso em 
aplicações estruturais. 
Propriedades básicas dos metais: 
 Fortes e podem ser moldados; 
 Dúcteis (deformam antes de quebrar); 
 Superfície "metálica"; 
 Bons condutores de corrente elétrica e de calor. 
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A figura 1.5 apresenta exemplos de peças metálicas comuns, incluindo várias 
molas e garras, que são características de sua grande variedade de aplicações; e a 
figura 1.6 apresenta a tabela periódica dos elementos com os elementos 
inerentemente metálicos na natureza em destaque. 
Figura 1.5: Exemplos de peças metálicas comuns. 
 
 
Figura 1.6: Tabela periódica dos elementos. Os elementos metálicos aparecem em fundo 
cinza. 
 
 
Estudaremos com mais detalhes os metais em diversas aulas de nosso curso. 
Entre eles os aços, ferros fundidos e as principais ligas ferrosas e não ferrosas. 
 
 
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1.6 Cerâmicos 
Os cerâmicos são compostos entre os elementos metálicos e não-metálicos; 
eles são frequentemente óxidos, nitretos e carbetos. A grande variedade de materiais 
que se enquadra nesta classificação inclui cerâmicos que são compostos por minerais 
argilosos, cimento e vidro. Estes materiais são tipicamente isolantes à passagem de 
eletricidade e calor, e são mais resistentes a altas temperaturas e ambientes abrasivos 
do que os metais e polímeros. 
Com relação aos comportamentos mecânicos, os cerâmicos são duros, porém 
muito quebradiços. Saiba, caro(a) aluno(a), que nos aprofundaremos no estudo das 
cerâmicas na aula 13. 
Acompanhe algumas propriedades básicas das cerâmicas e vidros: 
 Combinação de metais com O, N, C, P e S; 
 Altamente resistentes a temperatura (refratários); 
 Isolantes térmicos e elétricos; 
 Frágeis (quebram sem deformar); 
 Menos densos do que metais; 
 Podem ser transparentes. 
 
Acompanhe na figura 1.7 um material de cozinha fabricado de uma cerâmica 
vítrea, que oferece boas propriedades mecânicas e térmicas por suportar um choque 
térmico de temperaturas simultaneamente altas (uma chama de fogo) e baixa (um 
bloco de gelo); e a figura 1.8 apresenta a tabela periódica com os compostos 
cerâmicos indicados por uma combinação de um ou mais elementos metálicos (em 
cinza claro) com um ou mais elementos não-metálicos (em cinza escuro). 
Figura 1.7: Material de cozinha fabricado de uma cerâmica vítrea. 
 
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Figura 1.8: Tabela periódica indicando a combinação de elementos metálicos (em cinza 
claro) com elementos não-metálicos (em cinza escuro). 
 
 
Estudaremos com mais detalhes os materiais cerâmicos, suas propriedades e 
tecnologia na aula 13 de nosso curso. 
1.7 Polímeros 
Os polímeros compreendem os materiais comuns de plástico e 
borracha. Muitos deles são compostos orgânicos que têm sua química 
baseada no carbono, no hidrogênio e em outros elementos não-
metálicos; além disso, eles possuem estruturas moleculares muito 
grandes. Estes materiais possuem tipicamente baixas densidades e podem ser 
extremamente flexíveis. Estudaremos a fundo os polímeros na aula 14. 
Acompanhe, por enquanto, algumas propriedades básicas dos polímeros: 
 São na maioria sintéticos - feitos pelo homem; 
 Altamente moldáveis - plásticos; 
 Formados pela combinação de unidades - "meros"; 
 Formados por um número bem limitado de elementos: C e H, O (acrílicos), 
N (nylons), F (fluor-plásticos) e Si (silicones); 
 Leves e não frágeis; e em geral, são menos resistentes do que metais e 
cerâmicas. 
 
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Veja na figura 1.9 alguns exemplos de classes de polímeros e na figura 1.10 a 
tabela periódica destacando os elementos associados aos polímeros. 
Figura 1.9: Classes de polímeros comuns do nosso cotidiano. 
 
 
Figura 1.10: Tabela periódica com os elementos associados aos polímeros comerciais em 
fundo cinza. 
 
 
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Fique tranquilo, caro(a) aluno(a), que estudaremos com mais detalhes a 
tecnologia dos materiais poliméricos na aula 14 de nosso curso. 
1.8 Compósitos 
Você deve saber que materiais compósitos, que consistem em mais de um tipo 
de material, têm sido cada vez mais desenvolvidos pela Engenharia. Pois bem, a fibra 
de vidro é um exemplo familiar, no qual fibras de vidro são incorporadas no interior de 
um material polimérico. Um compósito é projetado para mostrar uma combinação das 
melhores características de cada um dos materiais que o compõe. 
A fibra de vidro adquire resistência do vidro e flexibilidade do polímero. Muitos 
dos desenvolvimentos recentes de materiais têm envolvido materiais compósitos. 
Estudaremos os compósitos de forma aprofundada na aula 15. Para entendê-
los melhor neste momento, dê uma olhada na figura 1.11, que destaca em escala 
microscópica um composto de fibras de vidro reforçando uma matriz de polímero; a 
madeira, que também é um excelente exemplo de material natural com propriedades 
mecânicas úteis, devido à sua estrutura reforçada com fibra; também o concreto, que 
é um exemplo comum de compósito agregado, com a brita e a areia reforçando uma 
complexa matriz cimento-silicato. Nem é preciso ilustrar uma região da tabela 
periódica como característica dos compósitos, pois eles envolvem praticamente a 
tabela inteira, exceto os gases nobres. 
Propriedades básicas dos compósitos: 
 Combinação de metais, cerâmicas e polímeros; 
 Preservam as propriedades "boas" dos componentes e 
possuem propriedades superiores às de cada componente separado. 
Figura 1.11: Exemplo de um compósito de fibra de vidro. 
 
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Teremos a oportunidade de nos aprofundarmos nos 
fundamentos e na tecnologia dos materiais compósitos na aula 15 de 
nosso curso. 
1.9 Semicondutores 
Os semicondutores possuem propriedades elétricas que são intermediárias 
entre aquelas apresentadas pelos condutores elétricos e pelos isolantes. Além disso, 
as características elétricas destes materiais são extremamente sensíveis à presença 
de minúsculas concentrações de átomos de impurezas, concentrações que podem 
ser controladas ao longo de regiões espaciais muito pequenas. Os semicondutores 
tornaram possível o advento dos circuitos integrados, que revolucionaram totalmente 
as indústrias de produtos eletrônicos e de computadores, isso sem mencionar a sua 
vida, caro(a) aluno(a), ao longo das últimas duas décadas. 
Propriedades básicas dos semicondutores: 
 compõem todos os componentes eletrônicos do computador; 
 condutividade finamente controlada pela presença de 
elementos impurezas - dopantes; 
 podem ser combinados entre si para gerar propriedades eletrônicas e óticas 
"sob medida"; 
 são a base da tecnologia de optoeletrônica - lasers, detetores, circuitos 
integrados óticos e células solares. 
 
Acompanhe na figura 1.12 a imagem de um microcircuito típico contendo um 
complexo arranjo de regiões semicondutoras; e na figura 1.13 a tabela periódica com 
os semicondutores elementares em cinza escuro e os elementos que formam os 
compostos semicondutores em cinza claro. 
Os compostos semicondutores são formados por partes de elementos das 
colunas IIIA e VA (por exemplo, GaAs) ou das colunas IIB e VIA (por exemplo, CdS). 
 
 
 
 
 
 
 
P á g i n a | 30 
 
 
Figura 1.12: Microcircuito contendo complexo arranjo de regiões semicondutoras. 
 
 
Figura 1.13: Tabela periódica com os semicondutores elementares e com os elementos que 
formam os compostos semicondutores. 
 
 
1.10 Biomateriais 
Os biomateriais são empregados em componentes 
implantados no interior do corpo humano para a substituição de 
partes do corpo doentes ou danificadas. Esses materiais não devemproduzir substâncias tóxicas e devem ser compatíveis com os tecidos 
do corpo; isto é, não devem causar reações biológicas adversas. Todos os materiais 
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citados nos itens anteriores - metais, cerâmicos, polímeros, compósitos e 
semicondutores - podem ser usados como biomateriais. Propriedades básicas dos 
biomateriais: 
 Materiais utilizados na área da saúde para ajudar o ser humano; 
 Usado em medicina na substituição de partes do corpo humano. 
 Formados pela combinação de unidades - "meros"; 
 Formados por um número bem limitado de elementos: C e H, O (acrílicos), 
N (nylons), F (fluor-plásticos) e Si (silicones). 
A figura 1.14 apresenta exemplos de biomateriais que possuem ampla gama 
de aplicações clínicas típicas para a vida do ser humano. 
Figura 1.14: Biomateriais de uso difundido para melhorar a vida do ser humano. 
 
 
Bem, solícito(a) aluno(a), até aqui você iniciou a exploração do 
campo da Engenharia e Ciência dos Materiais focalizando a ciência dos 
materiais. Entendendo que se trata de um campo interdisciplinar que se 
ocupa da descoberta de novos materiais e dispositivos e do 
aperfeiçoamento dos materiais já existentes, pelo desenvolvimento de uma maior 
compreensão das relações entre microestrutura-composição-síntese-processamento; 
além da classificação dos materiais. 
Nesse momento, é bom fazer uma breve pausa antes de dar prosseguimento 
aos seus estudos. Mas não se preocupe, você verá que muitos dos conceitos que dão 
continuidade a este capítulo podem já ter sido vistos em algum momento do seu curso. 
Boa pausa e bom café. 
 
 
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Assista agora a três pequenos vídeos que tratam dos 
conceitos iniciais que acabamos de ver nesta aula. Estes 
vídeos vão te proporcionar uma visão geral mais ampla sobre 
a classificação dos "materiais de Engenharia": 
<https://www.youtube.com/watch?v=LkCyXRwbQ6E&list=PLwUJv5gwq1xmRXdOG3-
o4P7yTbxNT8Kwt&index=5>. 
<https://www.youtube.com/watch?v=ercdzLrY27Q&list=PLA90935055A0C9030&index
=2>. 
<https://www.youtube.com/watch?v=qsDQ4lLO0g>. 
 
 
https://www.youtube.com/watch?v=LkCyXRwbQ6E&list=PLwUJv5gwq1xmRXdOG3-o4P7yTbxNT8Kwt&index=5
https://www.youtube.com/watch?v=LkCyXRwbQ6E&list=PLwUJv5gwq1xmRXdOG3-o4P7yTbxNT8Kwt&index=5
https://www.youtube.com/watch?v=ercdzLrY27Q&list=PLA90935055A0C9030&index=2
https://www.youtube.com/watch?v=ercdzLrY27Q&list=PLA90935055A0C9030&index=2
https://www.youtube.com/watch?v=qsDQ4lLO0g
 
 
Resumo 
 
 
 
Nesta breve aula, caro(a) aluno(a), vimos que o desenvolvimento e o avanço 
das sociedades está intimamente ligados à produção e manipulação dos materiais 
para satisfazer as necessidades das civilizações, e que o desenvolvimento de muitas 
tecnologias tornaram nossa existência muito mais confortável; por isso, um bom 
Engenheiro deve ter um conhecimento adequado dos princípios gerais que governam 
as propriedades de todos os materiais. 
 
Fizemos também a abordagem sobre: 
 A evolução do uso dos materiais; 
 Como a Ciência e Engenharia dos Materiais estuda e manipula a 
composição e a estrutura de materiais, a fim de controlar as propriedades dos 
materiais através de síntese e do processamento; 
 A classificação dos materiais, destacando os metais, as cerâmicas, os 
polímeros, além dos compósitos, semicondutores e biomateriais. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Complementar 
 
 
 
Caro(a) aluno(a), como esta nossa primeira aula é relativamente 
simples e faz apenas abordagens sobre conceitos fundamentais, sendo muitos 
deles para você somente uma revisão, recomendamos que faça os poucos 
exercícios sugeridos. Você deve também continuar e iniciar o estudo da aula 
2. Porém, seria muito interessante, para fixar ainda mais e para enriquecer 
nosso material, que você reveja as vídeoaulas indicadas, leia o capítulo 1 dos 
dois primeiros livros sugeridos nas referências bibliográficas, e também acesse 
o link abaixo que traz uma boa e concisa informação preparada pela 
UNICAMP sobre a introdução ao estudo dos "materiais de Engenharia": 
 
<http://www.fem.unicamp.br/~caram/capitulo1.pdf>. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
http://www.fem.unicamp.br/~caram/capitulo1.pdf
 
 
Referências Bibliográficas 
 
Básica: 
ASKELAND, D. R., WRIGHT, W.J.; Ciência e Engenharia dos Materiais. 
Editora Cengage Learning, 2015. 
 
CALLISTER Jr., W. Ciência e Engenharia de Materiais - Uma 
introdução. Editora LTC, 2002. 
 
GUY, A. G., Ciências dos Materiais. Rio de Janeiro, Livros Técnicos e 
Científicos. 
 
SHACKELFORD, J., Ciência dos Materiais. 6. edição, São Paulo, Editora 
Pearson Education do Brasil, 2008. 
 
VAN VLACK, L. H., Princípios de Ciência e Tecnologia dos Materiais. Rio 
de Janeiro, Editora Campus. 
 
Disponível em: <www.cienciadosmateriais.org>. Acesso em: 10 jan. 2017. 
Material do projeto “Ciência dos Materiais no Ensino Médio e na Escola 
Profissionalizante”, financiado pela FINEP no Edital “Ciência para Todos”, 2004. 
 
 
 
 
 
 
 
AULA 1 
Exercícios 
 
 
 
Questão 1. Com relação às afirmativas sobre a 
classificação dos materiais, assinale a alternativa incorreta: 
a) Materiais metálicos são formados essencialmente por 
um metal ou pela combinação de elementos metálicos, mas que podem conter 
elementos não metálicos ou semi-metálicos em menor proporção. Características: são 
opacos, possuem brilho, conduzem bem o calor e a eletricidade, e podem ser 
deformados. Ex. Aço (Fe-C), latão (Cu-Zn). 
b) Materiais cerâmicos são materiais inorgânicos formados por elementos 
metálicos e não- metálicos. Características: não tem o brilho metálico, são isolantes 
de calor e eletricidade, possuem dureza elevada e são frágeis. Ex.: Alumina (óxido de 
alumínio), quartzo (óxido de silício), zircônia (óxido de zircônio). 
c) Materiais plásticos (polímeros) são materiais orgânicos formados pela união 
de grandes cadeias moleculares (polímeros), com estrutura constituída por carbono, 
hidrogênio e elementos não-metálicos. Ex.: Polietileno ...-C2H4-..., PVC ...- C2H3Cl-... 
d) Compósitos são materiais formados pela combinação de mais de um tipo de 
material. Ex.: Fibra de vidro e concreto. 
e) Semicondutores são materiais que exibem propriedades intermediárias entre 
aquelas apresentadas pelos metais e pelos sólidos iônicos. Ex.: Si, Ge, GaAs. 
 
Questão 2. Compare alguns tipos de materiais de Engenharia - metálicos, 
cerâmicos, poliméricos e compósitos - quanto à propriedade de densidade. 
 
Questão 3. O que é microestrutura de um material? 
 
Questão 4. Faça uma pesquisa e responda de forma sucinta o que são 
materiais avançados? 
 
 
 
Estrutura atômica e 
ligação interatômica 
Aula 2 
 
 
 
APRESENTAÇÃO DA AULA 
 
Caro(a) aluno(a), esta aula será um pouco mais longa que a primeira, porém 
você não deve se preocupar pois muitos assuntos abordados já foram estudados em 
algum momento do seu curso. Além disso, uma leitura mais ampla, porém elaborada, 
lhe poupará tempo evitando necessidade de voltar várias vezes a um mesmo tópico. 
Nesta aula, faremos uma breve introdução sobre os materiais, apresentando uma 
perspectiva histórica e uma abordagem de suas principais classes, além de 
estudarmos os conceitos básicos da estrutura atômica e das ligações interatômicas, 
que nos permite explicar as propriedades de um material, dando ênfase às forças e 
energias atrativa, repulsiva e líquida em função da separação interatômica para dois 
átomos ou íons. Para auxiliá-lo ainda mais no estudo sobre esses conceitos, 
indicaremos diversas simulações ao longo desta aula (e também nas próximas) 
desenvolvidas pelo projeto “Ciência dos Materiais no Ensino Médio e na Escola 
Profissionalizante”, disponíveis no site <http://www.cienciadosmateriais.org>. 
São realmente muito interessantes e de fácil navegação. Bem-vindo! 
 
OBJETIVOS DA AULA 
 
Esperamos que, após o estudo do conteúdo desta aula, você seja capaz de: 
 
 Identificaros modelos atômicos e observar as diferenças entre eles; 
 Descrever o importante princípio quântico-mecânico que se relaciona 
às energias dos elétrons; 
 Entender esquematicamente os diagramas de força e energia líquida 
em função da distância interatômica; 
 Descrever sucintamente as ligações iônica, covalente, metálica, de 
hidrogênio e de van der Waals; 
 Entender quais materiais exibem cada tipo de ligação estudada. 
 
P á g i n a | 38 
 
 
2 INTRODUÇÃO 
Na aula anterior, você estudou uma introdução dos tipos básicos de 
materiais disponíveis aos Engenheiros. Porém, deve entender que uma 
base desse sistema de classificação é encontrada na natureza da ligação 
atômica dos materiais. Logo, uma razão importante para se ter uma compreensão da 
ligação interatômica em sólidos se deve ao fato de que, em alguns casos, o tipo de 
ligação nos permite explicar as propriedades de um material. Por exemplo, considere 
o carbono, que pode existir tanto na forma de grafite como na de diamante. Enquanto 
o grafite é relativamente macio o diamante é o mais duro material conhecido. Essa 
disparidade drástica nas propriedades é atribuída diretamente a um tipo de ligação 
interatômica encontrada no grafite que não existe no diamante. Você terá 
oportunidade de visualizar essa estrutura ao longo desta aula. Assim, levaremos em 
consideração agora diversos conceitos fundamentais e importantes, com o objetivo de 
preparar para discussões subsequentes, quais sejam: estrutura atômica, 
configurações eletrônicas dos átomos e tabela periódica, e os vários tipos de ligações 
interatômicas primárias e secundárias que mantêm unidos os átomos que compõem 
um sólido. 
2.1 A estrutura dos átomos 
Lembramos a você, caro(a) aluno(a), que os 
conceitos mencionados a seguir foram abordados no seu 
curso na disciplina introdutória de Química Geral. Mas não 
se preocupe se você se sentir em uma aula de Química, 
o que forneceremos aqui será apenas uma breve análise. 
Para entender a ligação entre os átomos, temos de 
apreciar a estrutura dentro dos átomos individuais. Para 
esse propósito, basta usar um modelo planetário 
relativamente simples da estrutura atômica - ou seja, 
elétrons (os planetas) giram em torno de um núcleo (o 
Sol). 
Não é preciso considerar a estrutura detalhada do 
núcleo, para a qual os físicos catalogaram uma grande 
 
 
Amadeo Avogadro (1776-
1856), físico italiano que, 
entre outras 
contribuições, criou o 
termo molécula. 
Infelizmente, sua hipótese 
de que todos os gases 
(em determinada 
temperatura e pressão) 
contém o mesmo número 
de moléculas por unidade 
de volume, de modo 
geral, não foi aceita como 
correta antes de sua 
morte. 
 
P á g i n a | 39 
 
 
quantidade de partículas elementares. Só precisamos considerar o número de 
prótons e nêutrons no núcleo como base da identificação química de determinado 
átomo. A figura 2.1 destaca um modelo planetário de um átomo de carbono. 
Mas lembre-se, essa ilustração é esquemática e definitivamente não está em 
escala. 
Na realidade o núcleo é muito menor, embora contenha quase toda a massa 
do átomo. Cada próton e nêutron possui uma massa de aproximadamente 1,66.10-24 
g. 
Esse valor é denominado unidade de massa atômica (uma). É conveniente 
expressar a massa dos materiais elementares nessas unidades. Por exemplo, o 
isótopo de carbono mais comum, C12 (que aparece na figura 2.1), contém em seu 
núcleo seis prótons e seis nêutrons, com uma massa atômica de 12 uma. 
É também conveniente destacar que existem 6,023.1023 uma por grama, e que 
esse valor enorme é conhecido como número de Avogadro, representando o 
número de prótons ou nêutrons necessários para produzir uma massa de 1 g. Então, 
o número de Avogadro de átomos de C12 teria uma massa de 12,00 g. 
Figura 2.1: Esquema do modelo planetário de um átomo de C12. 
 
 
P á g i n a | 40 
 
 
O número de Avogadro de átomos de determinado elemento é denominado 
átomo-grama. Para um composto, o termo correspondente é mol; ou seja, um mol 
de NaCl contém o número de Avogadro de átomos de sódio (Na) e o número de 
Avogadro de átomos de cloro (Cl). 
De modo geral, o número de prótons no núcleo é conhecido como número 
atômico do elemento. A periodicidade bem conhecida dos elementos químicos é 
baseada nesse sistema de números atômicos e massas atômicas elementares, 
organizado em grupos (ou famílias) quimicamente semelhantes - colunas verticais - 
em uma tabela periódica. Você já estudou por diversas vezes a tabela periódica, 
lembra? Pois bem, olha ela sendo útil aí mais uma vez. A figura 2.2 destaca essa 
importante ferramenta de estudos, mas você pode visitar o endereço: 
<http://www.ptable.com/?lang=pt>. 
e fazer uma fantástica "viagem" pelo mundo da tabela periódica. 
Figura 2.2: Tabela periódica dos elementos, indicando o número atômico e a massa 
atômica (em uma - unidades de massa atômica). 
 
http://www.ptable.com/?lang=pt
P á g i n a | 41 
 
 
 
Enquanto a identificação química é feita em relação ao núcleo, a ligação 
atômica envolve os elétrons e os orbitais eletrônicos. O elétron tem uma carga 
negativa de 1,6.10-19 C (Coulomb) e é igual em magnitude à carga de +1,6.10-19 C de 
cada próton. Naturalmente, o nêutron é eletricamente neutro. 
Os elétrons são excelentes exemplos de dualidade onda-partícula; ou seja, eles 
são entidades em escala atômica que exibem um comportamento tipo onda e tipo 
partícula. Mas calma caro(a) aluno(a) que está além do escopo de nossos estudos 
nesse momento tratar dos princípios da mecânica quântica que definem a natureza 
dos orbitais eletrônicos (com base na característica ondulatória dos elétrons). 
Entretanto, um breve resumo da natureza dos orbitais eletrônicos é útil neste ponto. 
Como você pôde ver na figura 2.1, os elétrons são agrupados em posições 
orbitais fixas em relação a um núcleo. Além disso, o raio de cada orbital é 
caracterizado por um nível de energia, uma energia de ligação fixa entre os elétrons 
e seu núcleo. Acompanhe na figura 2.3 um diagrama de níveis de energia para os 
elétrons em um átomo do gás nobre criptônio (Kr). 
Figura 2.3: Representação esquemática dos estados energéticos preenchidos para um 
átomo de criptônio (36Kr). 
 
 
É importante observar que os elétrons em torno de um núcleo de Kr ocupam 
esses níveis de energia específicos, com energias intermediárias proibidas. Isto quer 
dizer que as energias dos elétrons de um átomo são quantizadas; isto é, a energia de 
um elétron pode mudar, mas ao fazê-lo, ele deve efetuar um salto quântico para uma 
energia permitida mais elevada (com absorção de energia) ou para uma energia 
permitida mais baixa (com emissão de energia). Com frequência, é conveniente 
pensar nestas energias eletrônicas permitidas como estando associadas com níveis 
P á g i n a | 42 
 
 
ou estados energéticos. Você com certeza já ouviu falar em níveis de energia, não é 
mesmo caro(a) aluno(a)?!... A figura 2.4 representa esquematicamente as energias 
relativas dos elétrons para as várias camadas e subcamadas. 
Figura 2.4: Níveis de energia associados com os orbitais atômicos. 
 
 
Você tem agora a oportunidade de visualizar uma simulação sobre os 
níveis de energia e os orbitais atômicos. Acesse o endereço eletrônico: 
<http://www.cienciadosmateriais.org/index.php?acao=exibir&cap=2>. 
 
Mas atenção, caro(a) aluno(a), para o perfeito funcionamento das 
imagens interativas do link é necessário ter instalado os plug-in´s 
ShockWavePlayer e FlashPlayer no seu computador. Se ainda não 
tiver, o próprio site te proporciona essa ferramenta. Boa navegação! 
Obviamente, nem todos os estados possíveis em um átomo estão preenchidos 
com elétrons. Para a maioria dos átomos, os elétrons preenchem os orbitais 
energéticos mais baixos possíveis nas camadas e subcamadas eletrônicas. Você 
mesmo acompanhou na figura 2.3 a representação esquemática dosestados 
energéticos preenchidos para um átomo de criptônio (36Kr). Quando todos os elétrons 
ocupam as menores energias possíveis de acordo com as restrições anteriores, diz-
se que o átomo está em seu estado fundamental. Na notação convencional, o 
http://www.cienciadosmateriais.org/index.php?acao=exibir&cap=2
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número de elétrons em cada subcamada (ou subnível) é indicado por um índice 
sobrescrito após a designação da camada e subcamada. Por exemplo, as 
configurações eletrônicas para o hidrogênio, hélio e sódio são, respectivamente1s1, 
1s2 e 1s22s22p63s1. Você certamente se lembra quando estudou as configurações 
eletrônicas para os elementos de acordo com o famoso diagrama de Pauling, não é 
verdade?! É importante alguns comentários em relação a estas configurações 
eletrônicas. Em primeiro lugar, os elétrons de valência são aqueles que ocupam a 
camada preenchida mais externa. Esses elétrons são extremamente importantes. 
Como será visto, eles participam da ligação entre os átomos para formar os agregados 
atômicos e moleculares. Além disso, muitas das propriedades físicas e químicas dos 
sólidos estão baseadas nesses elétrons de valência. A figura 2.5 ilustra a distribuição 
em níveis de energia dos elétrons do sódio, considerando o modelo planetário já 
discutido anteriormente, para destacar a camada de valências. 
Figura 2.5: Esquema do modelo planetário para o átomo de sódio (11Na). 
 
 
2.2 Atrações interatômicas entre os átomos 
Como a maioria dos materiais usados pelo Engenheiro é sólida 
ou líquida, é desejável conhecer-se as atrações que mantêm os 
átomos unidos nesses estados. Para que você entenda bem caro(a) 
aluno(a), pense que na importância destas atrações ilustrada através 
de um pedaço de fio de cobre. Nas condições usuais, as forças de atração que 
mantêm os átomos unidos são fortes. Se tal não ocorresse, os átomos seriam 
facilmente separados, e o cobre se deformaria sob pequenas solicitações. Assim, 
como no caso deste fio, as propriedades de qualquer material dependem das forças 
P á g i n a | 44 
 
 
interatômicas presentes. Mas lembre-se, as atrações interatômicas são consequência 
das estruturas eletrônicas dos átomos. 
Três tipos diferentes de ligações primárias ou ligações químicas são 
encontradas nos sólidos - iônica, covalente e metálica. Você com certeza já as 
estudou nesse curso e no seu ensino básico. Para cada tipo, a ligação envolve 
necessariamente os elétrons de valência; além disso, a natureza da ligação depende 
das estruturas eletrônicas dos átomos constituintes. Em geral, cada um desses três 
tipos de ligação se origina da tendência dos átomos para adquirir estruturas 
eletrônicas estáveis, como as dos gases nobres, pelo preenchimento total da camada 
eletrônica mais externa. Forças e energias secundárias também são encontradas em 
muitos materiais sólidos; elas são mais fracas do que as primárias, mas ainda assim 
influenciam as propriedades físicas de alguns materiais. 
2.2.1 A ligação iônica 
A ligação interatômica que é mais fácil de ser descrita é a ligação iônica, que é 
o resultado da transferência de elétrons de um átomo para outro. A figura 2.6 ilustra 
uma ligação iônica entre o sódio e o cloro. A transferência de um elétron do sódio é 
favorecida porque produz uma configuração eletrônica mais estável; ou seja, o íon 
positivo (cátion) Na+ resultante tem uma camada orbital externa completa, definida 
como um conjunto de elétrons em determinada órbita. De modo semelhante, o cloro 
aceita prontamente o elétron, produzindo um íon negativo (ânion) Cl- estável, também 
com uma camada orbital externa completa. Assim, querido(a) aluno(a), lembre-se que 
a transferência de elétrons na formação do NaCl produz camadas externas estáveis, 
com íons positivos e negativos que se formam atraindo-se mutuamente através de 
forças coulombianas formando a ligação iônica. 
 
 
 
 
 
 
 
 
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Figura 2.6: Ligação iônica entre átomos de sódio e cloro. 
 
 
 
 
 
 
 
 
É importante observar que a ligação iônica é não-direcional; isto é, uma carga 
positiva é atraída por todas as cargas negativas e uma carga negativa por todas as 
positivas. Consequentemente, os íons Na+ ficam envolvidos por íons Cl-, e os íons Cl- 
por íons Na+, sendo a atração igual em todas as direções. O principal requisito que 
um material iônico sempre satisfaz é a neutralidade elétrica, isto é, o número de cargas 
positivas é sempre igual ao número de cargas negativas. A figura 2.7 mostra a 
representação esquemática da ligação iônica no cloreto de sódio (sal de cozinha). 
Figura 2.7: Representação da ligação iônica no cloreto de 
sódio. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Como dito anteriormente, a ligação iônica é o 
resultado da atração coulombiana entre as espécies com 
cargas opostas. Logo, é conveniente ilustrar a natureza da 
força de ligação para a ligação iônica, uma vez que a Lei de 
Coulomb é uma relação simples já conhecida por você, 
 
 
Charles-Augustin de 
Coulomb (1736-1806), 
físico francês, foi o 
primeiro a demonstrar 
experimentalmente a 
natureza das equações 
de atração entre cargas 
opostas. Além das 
importantes 
contribuições para a 
compreensão da 
eletricidade e do 
magnetismo, Coulomb 
foi um pioneiro 
importante no campo da 
mecânica aplicada 
(especialmente nas 
áreas da fricção e 
torção). 
 
P á g i n a | 46 
 
 
 
 
onde F é a força de atração coulombiana entre dois íons de cargas opostas, k 
é uma constante de proporcionalidade, Z é a valência do íon carregado (por exemplo, 
+1 para Na+ e -1 para Cl-), q é a carga de um elétron isolado (1,6.10-19 C) e a é a 
distância de separação entre os centros dos íons. Uma representação gráfica da 
equação 2.1, mostrada na figura 2.8(a), demonstra que a força de atração 
coulombiana aumenta drasticamente à medida que a distância de separação entre 
centros de íons adjacentes (a) diminui. Essa relação por sua vez, implica que o 
comprimento de ligação (a) ideal seria zero. De fato, os comprimentos de ligação 
definitivamente não zero, pois, a tentativa de juntar dois íons com cargas opostas para 
aumentar a atração coulombiana é combatida por uma força repulsiva oposta, que é 
devida à sobreposição dos campos elétricos com carga semelhante (negativa) de 
cada íon, além da tentativa de juntar os dois núcleos carregados positivamente. 
A força de ligação é a força de atração (ou repulsão) líquida em função da 
distância de separação entre dois átomos ou íons. A figura 2.8(b) mostra a curva da 
força de ligação (resultante) para um par de íons. 
Figura 2.8: Representações gráficas (a) da força coulombiana em função da distância a, e 
(b) da força de ligação resultante mostrando um comprimento de ligação em equilíbrio (a0) 
para um par Na+Cl-. 
 
 
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Parece complexo não é mesmo caro(a) aluno(a)?!... Mas calma que estamos 
apenas fazendo um estudo mais aprofundado sobre a ligação iônica, bem ao nível do 
seu curso. Também é importante destacar a energia de ligação, E, que se relaciona 
com a força de ligação por meio da expressão diferencial que aparece na figura 2.9. 
𝐹 =
𝑑𝐸
𝑑𝑎
 (2.2) 
Essa relação demonstra que o comprimento da ligação em equilíbrio, a0, que 
corresponde a F = 0, também corresponde a um mínimo na curva de energia. 
Figura 2.9: Comparação entre a curva da força de ligação e a curva da energia de ligação 
para um par Na+Cl-. 
 
 
Assim, prezado(a) aluno(a), entenda que isso é uma maneira 
de dizer que as posições estáveis de íons correspondem a um 
mínimo de energia. Ou seja, para mover os íons de seu 
espaçamento de equilíbrio, é preciso fornecer energia a esse 
sistema. Por exemplo, pela carga compressiva ou de tensão, ou 
ainda, através de energia térmica, relacionando-se com o ponto de fusão do material. 
Neste momento é importante que você acompanhe uma simulação sobrea 
energia de ligação entre um par de íons no endereço eletrônico: 
<http://www.cienciadosmateriais.org/index.php?acao=exibir&cap=2&top=203>. 
http://www.cienciadosmateriais.org/index.php?acao=exibir&cap=2&top=203
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Tendo estabelecido que existe um comprimento de ligação em equilíbrio, a0, 
entenda que esse comprimento de ligação é a soma de dois raios iônicos. No caso do 
NaCl, 
 𝑎0 = 𝑟𝑁𝑎+ + 𝑟𝐶𝑙−. 
 
Mas é importante dizer que essa equação implica que os dois íons sejam 
esferas rígidas tocando em um único ponto. A figura 2.10 compara dois modelos de 
um par de íons Na+ - Cl-: (a) mostra um modelo planetário simples dos dois íons, e (b) 
mostra um modelo de esfera rígida do par iônico. 
Figura 2.10: Comparação de (a) um modelo planetário de um par Na+ - Cl- com (b) um 
modelo de esfera rígida. 
 
 
Antes de seguir para o estudo da ligação covalente, é interessante você 
observar um exemplo que mostra o cálculo da força de atração coulombiana entre Na+ 
e Cl- no NaCl. 
 
 
 
 
 
(2.3) 
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Exemplo 2.1.: Usando a equação 2.1 (lei de Coulomb) e os raios iônicos, 
calcule a força de atração entre Na+ e Cl- no sólido cristalino NaCl. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Solução.:Você saberia refazer o exemplo 2.1 se fosse o sólido cristalino Na2O? 
Utilize equação 2.1 e aceite este desafio. 
2.2.2 A ligação covalente 
Outra ligação forte é a ligação covalente. O nome covalente vem 
do compartilhamento cooperativo dos elétrons de valência entre dois 
átomos adjacentes. Como já foi dito anteriormente caro(a) aluno(a), a 
estrutura eletrônica de um átomo é relativamente estável se o mesmo 
contém oito elétrons na camada de valência (com exceção da camada K, que é estável 
com dois elétrons). Então, muitas vezes, um átomo pode adquirir estes oito elétrons 
compartilhando elétrons com um átomo adjacente. Um exemplo simples deste 
compartilhamento é a molécula do gás cloro, Cl2, mostrada na figura 2.11, que destaca 
em (a) um modelo planetário comparado com (b) a densidade de elétrons real, que é 
nitidamente concentrada ao longo de uma linha reta entre os dois núcleos de Cl, e em 
(c) a notação abreviada comum de elétrons como uma linha de ligação. 
 
 
 
 
 
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Figura 2.11: Ligação covalente em uma molécula de gás cloro, Cl2, ilustrada com um 
modelo planetário comparado com a densidade real de elétrons e um esquema de linha de 
ligação, respectivamente. 
 
 
Outra característica importante dos sólidos covalentes é o ângulo de ligação, 
determinado pela natureza direcional do compartilhamento dos elétrons de valência. 
Pois, enquanto a ligação iônica é não-direcional, a ligação covalente é altamente 
direcional. A figura 2.12 ilustra o ângulo de ligação para um átomo de carbono típico, 
que costuma formar quatro ligações igualmente espaçadas. 
Essa configuração de tetraedro resulta em um ângulo de ligação de 109,5º. 
Figura 2.12: Configuração de tetraedro das ligações covalentes com carbono. 
 
 
Bem, caro(a) aluno(a), essa característica de ser direcional e formar ângulos 
bem definidos nos leva à discussão de que a ligação covalente implica em intensas 
forças de atração entre os átomos, o que pode ser evidenciado no diamante, por 
exemplo, que é o mais duro material encontrado na natureza e que é inteiramente 
constituído por carbono. Nele, existe uma ligação covalente entre cada par adjacentes 
de átomos de carbono (C), como mostrado na figura 2.12 que mostra a estrutura 
tridimensional da ligação no carbono sólido covalente. A força da ligação covalente no 
diamante é demonstrada não só pela sua elevada dureza como também pela 
a) b) c) 
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temperatura extremamente elevada (> 3500ºC) a que pode ser aquecido antes da 
destruição da estrutura pela energia térmica, ou seja, promover a fusão do material. 
Figura 2.13: Estrutura tridimensional das ligações do carbono no diamante. 
 
 
Acesse o endereço para visualizar as estruturas do carbono e do grafite. 
<http://cienciadosmateriais.org/index.php?acao=exibir&cap=6>. 
Embora as ligações covalentes sejam sempre fortes, nem todos os materiais 
com ligações covalentes apresentam pontos de fusão e ebulição elevados ou alta 
dureza. O metano, por exemplo, tem muitas ligações covalentes, mas a molécula 
resultante tem apenas uma pequena atração pelas moléculas adjacentes, porque 
camadas eletrônicas externas já estão preenchidas (veja figura 2.13). Portanto, as 
moléculas do metano, assim como os gases nobres, atuam quase que 
independentemente das outras moléculas. Uma consequência disso é o fato de o 
metano não se condensar até que a sua temperatura caia a -161ºC. 
Figura 2.14: Ligação covalente em uma molécula de metano, CH4, ilustrada pela (a) 
representação bidimensional, pelo (b) modelo tridimensional de esferas rígidas e por (c) 
ligações covalentes. 
 
http://cienciadosmateriais.org/index.php?acao=exibir&cap=6
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Nesse momento, caro(a) aluno(a), faça um passeio pelo endereço eletrônico: 
<http://www.cienciadosmateriais.org/index.php?acao=exibir&cap=2&top=203>. 
 
para visualizar e comparar as ligações iônica e covalente. Isto vai ajudá-lo(a) a 
entendê-las melhor. Acompanhe a simulação e aproveite para fazer uma comparação 
entre elas. 
2.2.3 A ligação metálica 
Bem, caro(a) aluno(a), vamos relembrar, a ligação iônica envolve a 
transferência de elétrons e é não-direcional; a ligação covalente envolve o 
compartilhamento de elétrons e é direcional. Pois bem, a ligação 
metálica, o último tipo de ligação primária, é encontrada em metais e 
suas ligas e envolve o compartilhamento de elétrons e também é não-
direcional. Mas esse não é um compartilhamento qualquer dos elétrons 
de valência. Para entender isso, foi proposto um modelo relativamente simples que 
muito se aproxima do esquema de ligação. Os materiais metálicos possuem um, dois 
ou, no máximo, três elétrons de valência, e estes elétrons não se encontram ligados 
a qualquer átomo em particular no sólido e estão mais ou menos livres para se 
movimentar ao longo de todo o metal. Eles podem ser considerados como 
pertencendo ao metal como um todo, ou como se estivessem formando um "mar de 
elétrons" ou uma "nuvem de elétrons". 
A figura 2.14 é uma ilustração esquemática da ligação metálica. Os elétrons 
livres protegem os núcleos iônicos carregados positivamente das forças eletrostáticas 
mutuamente repulsivas que eles iriam, de outra forma, exercer uns sobre os outros. 
Adicionalmente, esses elétrons livres atuam como uma "cola" para manter juntos os 
núcleos iônicos. Este tipo de ligação pode ser fraco ou forte, o que faz com que as 
energias de ligação variem muito; para se ter ideias, entre 68 kJ/mol para o mercúrio 
e 850 kJ/mol para o tungstênio, e com isso as respectivas temperaturas de fusão 
destes metais são muito diferentes, -39 e 3410ºC, respectivamente. 
 
 
http://www.cienciadosmateriais.org/index.php?acao=exibir&cap=2&top=203
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Figura 2.15: Ilustração esquemática da ligação metálica. 
 
 
Embora esta descrição seja muito simplificada, ela 
permite uma explicação útil para muitas propriedades dos 
metais. Por exemplo, o arranjo cristalino dos átomos em um 
metal sólido (que você irá estudar na próxima aula) ajuda a 
determinar as propriedades mecânicas do metal. Os 
elétrons livres dão ao metal sua condutividade elétrica 
elevada característica, pois podem se mover livremente sob 
ação de um campo elétrico. Também a condutividade 
térmica elevada está associada à mobilidade dos elétrons 
de valência, que podem transferir energia térmica de um 
nível de alta temperatura para outro de baixa. Um outro 
efeito da ligação metálica é que os elétrons livres do metal 
absorvem a energia luminosa, daí serem todos os metais 
opacos. Nesse momento, querido(a) aluno(a), vale a