Ciência dos Materiais - 01 Apostila 02

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UNEC / EAD DISCIPLINA: CIÊNCIA DOS MATERIAIS 
 
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4. ESTRUTURA DOS ÁTOMOS 
Até uma certa época, acreditava-se que o átomo era a menor unidade em que 
a matéria podia ser subdividida. Entretanto, posteriormente., tornou-se conhecido que 
o átomo é composto de unidades ainda menores. Atualmente, é possível subdividir o 
átomo e explorar a sua estrutura interna. 
Entretanto, é necessário considerar-se a estrutura geral do átomo, a fim de se 
tomar conhecimento dos fatores que governam as propriedades dos materiais. Por 
exemplo, quando um material é tensionado, a força de atração entre os átomos resiste 
à tensão e controla a deformação e a fragmentação do material. A oxidação dos 
metais é causada pela difusão de átomos metálicos ou de oxigênio através da 
superfície a fim de formar o óxido. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
4.1 LIGAÇÃO ATÔMICA 
 
O átomo é composto por um núcleo circundado por elétrons. O núcleo é 
composto por prótons e nêutrons. Os elétrons são partículas carregadas e com 
1/1836 da massa de um nêutron. A carga do elétron é convencionada negativa. Como 
os elétrons são componentes de todos os átomos, sua carga elétrica é 
frequentemente tomada como unidade. Sabemos que um próton possui uma carga 
que é numericamente igual à do elétron, só que de sinal oposto. Por exemplo, o átomo 
de hidrogênio, o mais simples de todos, é composto de um próton e de um elétron e 
é eletricamente neutro. O fato de o nêutron ser eletricamente neutro, sugere que o 
 
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mesmo pode ser considerado como uma combinação mais íntima de um próton e um 
elétron. 
 
4.2 CONSTITUIÇÃO DOS MATERIAIS 
 
Os materiais são constituídos por átomos, que no estado sólido, se mantêm 
unidos por ligações química e primárias e secundárias. Esse tipo de ligação afeta as 
propriedades químicas e físicas do material. 
 
4.3 ARRANJO ATÔMICO 
 
As propriedades dos materiais dependem do arranjo de seus átomos. Estes arranjos 
podem ser classificados em (1) estruturas moleculares, isto é, agrupamento e átomos, 
(2) estruturas cristalinas, isto é, um arranjo repetitivo de átomos, e (3) estruturas 
amorfas, isto é, estruturas sem nenhuma regularidade. Os materiais sólidos podem 
ser classificados em cristalinos ou não cristalinos de acordo com a regularidade na 
qual os átomos ou íons se dispõem em relação à seus vizinhos. 
 
4.4 MATERIAL CRISTALINO 
 
Uma molécula tem uma regularidade estrutural, porque as ligações covalentes 
determinam um número específico de vizinhos para cada átomo e a orientação no 
espaço dos mesmos formando uma estrutura tridimensional conforme na figura 
abaixo: 
 
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Figura 2. Material Cristalino 
 
 
 
 
 
 
 
Fonte: VAN LAWRENCE YLACI. H – Princípios da Ciência dos Materiais. (2000) 
 
 
4.5 MATERIAIS NÃO CRISTALINOS OU AMORFOS 
 
Nos materiais não cristalinos ou amorfos não existe ordem de longo alcance na 
disposição dos átomos. As propriedades dos materiais sólidos cristalinos dependem 
da estrutura cristalina, ou seja, da madeira na qual os átomos, moléculas ou íons estão 
espacialmente dispostos. Há um número grade de diferentes estruturas cristalinas, 
desde estruturas simples exibidas pelos metais até estruturas mais complexas 
exibidas pelos cerâmicos e polímeros. 
 
5. FORÇAS DE LIGAÇÃO E ENERGIAS DE LIGAÇÃO 
 
A compreensão de muitas das propriedades físicas dos mate-riais está 
baseada no conhecimento das forças interatômicas que unem os átomos, prendendo-
os. A grandes distâncias, as interações entre eles são desprezíveis; no entanto, à 
medida que os átomos se aproximam, cada um exerce forças sobre o outro. Essas 
forças são de dois tipos, atrativa e repulsiva, e a magnitude de cada uma delas é 
função da separação ou distância interatômica. as camadas eletrônicas mais externas 
dos dois átomos começam a se superpor, e uma intensa força repulsiva FR entra em 
 
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ação. A força líquida FL entre os dois átomos é exatamente a soma das componentes 
de atração e de repulsão, isto é, 
FL = FA + FR 
Quando FA e FR se anulam, ou se tornam iguais, não existe qualquer força 
líquida ou resultante, isto é, 
FA + FR = 0 
 
 
 
 
 Fonte: Autor (2020). 
 
5.1 LIGAÇÃO IÔNICA 
 
É sempre encontrada em compostos cuja compo-sição envolve tanto 
elementos metálicos como não-metálicos, ou seja, elementos que estão localizados 
nas extremidades horizontais da tabela periódica. Os átomos de um elemento 
metálico perdem facilmente os seus elétrons de valência para os átomos não-
metálicos. No processo, todos os átomos adquirem configurações estáveis ou de gás 
inerte e adicionalmente, uma carga elétrica; isto é, eles se tomam íons. O cloreto de 
sódio (NaCl) é o material iônico clássico demonstrado na figura 3. 
Figura 3. Formação do cloreto de sódio (sal de cozinha) 
 
Fonte: Blog ENEM (2016) 
• Na+Cl– = NaCl – Cloreto de sódio, mais conhecido como o sal de cozinha; 
ATRATIVA 
REPULSIVA 
 
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• Mg+Cl– = MgCl2 – Cloreto de Magnésio; 
• Al+O– = Al2O3 – Óxido de Alumínio. 
Os elementos químicos que realizam ligação iônica apresentam algumas 
características específicas. Ou seja, são moléculas sólidas e os a organização dos 
átomos acontece para que retículos cristalinos sejam formados, além de serem 
solúveis na água. 
 
5.2 LIGAÇÃO COVALENTE 
 
Os elementos químicos que realizam ligação iônica apresentam algumas 
características específicas. Ou seja, são moléculas sólidas e a organização dos 
átomos acontece para que retículos cristalinos sejam formados, além de serem 
solúveis na água. A ligação covalente é direcional; isto é, ela ocorre entre átomos 
específicos e pode existir somente na direção entre um átomo e o outro que participa 
no compartilhamento de elétrons. Quando os átomos se unem por ligação covalente 
formam substâncias covalentes ou moleculares. 
Figura 4. Representação esquemática da ligação covalente em uma molécula de 
metano (CH4). 
 
 
 
 
 
Fonte: VAN LAWRENCE YLACI. H – Princípios da Ciência dos Materiais. (2000) 
 
 
5.3 LIGAÇÃO METÁLICA 
 
A ligação metálica, o último tipo de ligação primária, é encontrada em metais e 
suas ligas. Foiproposto um modelo relativamente simples que muito se aproxima do 
 
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esquema de ligação. Os materiais metálicos possuem um, dois ou, no máximo, três 
elétrons de valência. Com esse modelo, estes elétrons de valência 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". Os elétrons restantes, aqueles que não são 
elétrons de valência, juntamente com os núcleos atômicos, formam o que são 
chamados núcleos iônicos, que possuem uma carga líquida positiva igual em 
magnitude à carga total dos elétrons de valência por átomo. 
Figura 5. Ilustração esquemática da ligação metálica 
 
Fonte: VAN LAWRENCE YLACI. H – Princípios da Ciência dos Materiais. (2000) 
 
5.4 LIGAÇÃO SECUNDÁRIA OU LIGAÇÃO DE VAN DER WAALS 
 
Ligações secundárias existem entre virtualmente todos os átomos ou 
moléculas, mas a sua presença pode ficar obscurecida se qualquer um dos três tipos 
de ligação primária estiver presente. A ligação secundária fica evidente para os gases 
inertes, que possuem estruturas eletrônicas estáveis, e ainda entre suas moléculas, 
em estruturas moleculares que são ligadas covalentemente. Apresentam 
propriedades de ductibilidade, maleabilidade e condutividade elétrica. 
 
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As forças de ligações secundárias surgem de dipolos atômicos ou moleculares. 
Essencialmente, um dipolo elétrico existirá sempre que houver alguma separação 
entre as frações positiva e negativa de um átomo ou molécula. A ligação resulta da 
atração coulombiana entre a extremidade positiva de um dipolo e a região negativa 
de um dipolo adjacente conforme apresentado na figura 6. As interações de dipolo 
ocorrem entre dipolos induzidos, entre dipolos induzidos e moléculas polares ( que 
possuem dipolos permanentes), e entre moléculas polares. 
Figura 6. Ilustração esquemática da ligação de van der Waals entre dois dipolos. 
 
Fonte: VAN LAWRENCE YLACI. H – Princípios da Ciência dos Materiais. (2000) 
 
 
6. ESTRUTURAS CRISTALINAS 
 
Um material cristalino é aquele no qual os átomos estão situados em um arranjo 
que se repete ou que é periódico ao longo de grandes distâncias atômicas; isto é, 
existe ordem de longo alcance, de tal modo que quando ocorre a solidificação os 
átomos se posicionarão em um padrão tridimensional repetitivo, no qual cada átomo 
está ligado aos seus átomos vizinhos mais próximos. Todos os metais, muitos 
materiais cerâmicos e certos polímeros formam estruturas cristalinas sob condições 
normais de solidificação. Ao descrever estruturas cristalinas, os átomos (ou íons) são 
considerados como se fossem esferas sólidas que possuem diâmetros bem definidos. 
Isso é conhecido como o modelo da esfe-ra rígida atômica, no qual as esferas que 
representam os átomos vizinhos mais próximos se tocam entre si. 
 
6.1 CÉLULA UNITÁRIA 
A ordenação atômica em sólidos cristalinos indica que peque-nos grupos de 
átomos formam um padrão repetitivo. Dessa forma, ao descrever estruturas 
 
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cristalinas, com frequência toma-se conveniente subdividir a estrutura em pequenas 
entidades que se repetem, chamadas células unitárias. As células unitárias para a 
maioria das estruturas cristalinas são paralelepípedos ou prismas que possuem três 
conjuntos de faces paralelas; Uma célula unitária é escolhida para representar a 
simetria da estrutura cristalina, onde todas as posições dos átomos no cristal podem 
ser geradas mediante translações proporcionais às distâncias inteiras da célula 
unitária ao longo de cada uma das suas arestas. Assim sendo, a célula unitária 
consiste na unidade estrutural básica ou bloco de construção básico da estrutura 
cristalina e define a estrutura cristalina em virtude da sua geometria e das posições 
dos átomos no seu interior, conforme apresentado na figura 7. 
 
Fonte: A figura foi adaptada de W. G. Moffatt, G. W. Pearsall e J. Wulff, The Structure and Properties 
of Materiais, Vol. I, Structure, p. 51. Copyright© 1964 de John Wiley & Sons, New York. Reimpresso 
sob permissão de John Wiley & Sons, Inc.) 
 
6.2 ESTRUTURA CRISTALINA CÚBICA DE FACES CENTRADAS 
 
A estrutura cristalina encontrada em muitos metais possui uma célula unitária 
com geometria cúbica, com os átomos localiza-dos em cada um dos vértices e nos 
centros de todas as faces do cubo. Esta é adequadamente chamada de estrutura 
cristalina cúbica de faces centradas (CFC) conforme representado na figura 8. Duas 
 
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outras características importantes de uma estrutura cristalina são o número de 
coordenação e o fator de empacotamento atômico (FEA). Para os metais, cada átomo 
possui o mesmo número de vizinhos mais próximos ou de átomos em contato, o que 
se constitui no seu número de coordenação. No caso das estruturas cristalinas 
cúbicas nas faces centradas, o número de coordenação é 12. O FEA representa a 
fração do volume de uma célula unitária que corresponde a esferas sólidas, 
assumindo o modelo da esfera atômica rígida. 
Figura 8. Rede cúbica de Corpo centrado (CFC) 
 
 
Fonte: Fonte: Blog ENEM (2016) 
 
6.3 ESTRUTURA CRISTALINA CÚBICA DE CORPO CENTRADO 
 
Outro tipo comum de estrutura cristalina encontrada em metais também possui 
uma célula unitária cúbica, com átomos localizados em todos os oito vértices e um 
único átomo localizado no centro do cubo. Esta é conhecida por estrutura cristalina 
cúbica de corpo centrado (CCC). Os átomos no centro e nos vértices tocam-se ao 
longo da diagonal do cubo, e o com-primento da célula unitária a e o raio atômico R 
estão relaciona-dos através da expressão 
 
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Dois átomos estão associados a cada célula unitária CCC: o equivalente a um 
átomo, distribuído entre os oito vértices, onde cada átomo em um vértice é 
compartilhado por oito células unitárias, e o único átomo do centro, que está 
totalmente contido dentro da sua célula. Além disso, as posições atômicas central e 
no vértice são equivalentes. O número de coordenação para a estrutura cristalinaCCC 
é 8; cada átomo central possui como vizinhos mais próximos os seus oito átomos 
localizados nos vértices do cubo de acordo com a figura 8. Uma vez que o número de 
coordenação é menor na CCC do que na CFC, o fator de empacotamento atômico na 
CCC também é menor do que na CFC, sendo de 0,68, contra 0,74 na CFC. 
Figura 9. Rede Cúbica de Corpo Concentrado (CCC). 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Fonte: foi adaptada de W. G. Moffatt, G. W. Pearsall e J. Wulff, The Structure and Properties of 
Materiais, Vol. I, Structure, p. 51. Copyright© 1964 de John Wiley & Sons, New York. Reimpresso sob 
permissão de John Wiley & Sons, Inc.) 
 
 
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6.4 ESTRUTURA CRISTALINA HEXAGONAL COMPACTA 
 
Nem todos os metais possuem células unitárias com simetria cúbica. A última 
estrutura cristalina comumente encontrada nos metais que vamos discutir possui uma 
célula unitária com o formato hexagonal. As faces superior e inferior da célula unitária 
são compostas por seis átomos que formam hexágonos regulares e que se encontram 
em tomo de um único átomo no centro. Um outro plano que fornece três átomos 
adicionais para a célula unitária está localizado entre os planos superior e inferior. Os 
átomos nesse plano intermediário possuem como vizinhos mais próximos os átomos 
em ambos os planos adjacentes. O equivalente a seis átomos está contido em cada 
célula unitária; um sexto de cada um dos 12 átomos localizado nos vértices das faces 
superior e inferior, metade de cada um dos dois átomos centrais localizados nas faces 
superior e inferior, e todos os três átomos interiores no plano intermediário conforme 
a figura 10. 
Figura 10. Representação da Rede Hexagonal Compacta (HC) 
 
 
 
 
 
 
 
Fonte: foi adaptada de W. G. Moffatt, G. W. Pearsall e J. Wulff, The Structure and Properties of 
Materiais, Vol. I, Structure, p. 51. Copyright© 1964 de John Wiley & Sons, New York. Reimpresso sob 
permissão de John Wiley & Sons, Inc.) 
 
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7. REFERÊNCIAS 
 
Azaroff, L. F., Elemets of X-Rav Crvs///ography, McGraw-Hill Book Company, New 
York, 1968. Reimpresso por TechBooks. Marietta. OH, 1990. 
Barrett, C. S. and T. B. Massalski. Structure of Metais, 3rd edition, Pergamon Press, 
Oxford,1980. 
Buerger, M. J., Elementarv Cnsrnllographv, John Wiley & Sons, New York. 1956. 
Cullity, B. D., Elements of X-Ray Dijfi-action, 3rd edition, Addison-Wesley 
Publishing Co., Reading, MA. 1998. 
Schwartz, L. H. and J. B. Cohen, Di.ffi-action from Materiais, 2nd edition, Springer-
Yerlag. New York, 1987. 
Wyckoff, R. W. G., Crystal Structures, 2nd edition. lnterscience Publishers, 1963. 
Reimpresso por Krieger Publishing Company, Melbourne, FL. 1986. 
Kotz, J. C. and P. Treichel, Jr., Chemistry and Chemica/ Reactivity, 4th edition, 
Saunders Col-lege Publishing, Fort Worth, TX, 1999. 
Masterton, W. L. and C. N. Hurley, Chemistry, Principies and Reactions, 3rd edition, 
Saunders College Publishing, Philadelphia, 1996.