Átomos e Elétrons (Bruno Szpoganicz)

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UFSC - QMC 
Prof. Bruno Szpoganicz 
Sala 216 (Química) 
ÁTOMOS E ELÉTRONS 
Evidência direta dos átomos: Os microscópios de varredura. 
 
O compartilhamento ou a transferência de elétrons permite os 
átomos formarem os diversos materiais que conhecemos e novas formas 
de matéria são sintetizadas para atender as necessidades da nossa 
sociedade. 
 
Atualmente, com os microscópios de varredura é possível 
obter uma imagem direta dos átomos na superfície de um material. 
 
O microscópio de varredura eletrônica (SEM, scanning 
electron microscope), o microscópio de varredura de força (SFM, 
scanning force microscope) e o microscópio de varredura de tunelamento 
(STM, scanning tunnelling microscope) baseiam-se em princípios 
diferentes, mas possuem um significado comum. A superfície do material 
é percorrida com uma ponta tão fina que termina em um átomo como 
mostra a Figura 1. Trabalhar de modo eficiente no mundo dos átomos, 
ou seja, na escala “nano”, é necessário a mais fina e limpa ponta de 
prova. O ideal é que a ponta de prova ou “tip” termine num simples 
átomo. 
 
 
Figura 1 
 
A maioria dos químicos está familiarizada com o microscópio 
de varredura eletrônica (SEM). Detalhes típicos são mostrados na 
Figura 2. Numa primeira vista parecem folhas numa superfície rugosa. Na 
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verdade são detritos de zinco formados pela eletrodeposição, cada folha 
não sendo mais larga do que o cabelo humano. 
 
 
Figura 2 
 
Entretanto, existem sérias desvantagens no SEM: nem todas 
as amostras sobrevivem a um feixe de elétrons, algumas precisam de 
uma película de ouro e não funcionam no ar ou em solução, e sua 
resolução é limitada a um grupamento de poucos átomos. Alguns desses 
problemas têm sido resolvidos na nova geração de microscópios 
eletrônicos de varredura, em particular o SFM e o STM. 
 
O SFM é o mais simples dos dois. A ponta de prova percorre 
sistematicamente a superfície e a profundidade ou altura de cada ponto é 
medida. A Figura 3 mostra uma topografia SFM gerada de uma superfície 
de grafite com Au(CN)2 absorvido. Esta imagem foi obtida no ar, que é 
uma enorme vantagem sobre as condições de vácuo da microscopia de 
varredura eletrônica. SFM (ou AFM, atomic force microscopy) pode ser 
usado em condutores ou em solução. Com alguma experiência um 
operador pode normalmente obter uma imagem em 30 minutos. 
 
3 
 
 
Figura 3. 
 
No STM a ponta deve ficar somente alguns ângstrons (1 Å = 
10-8 cm) da superfície por causa do fenômeno da mecânica quântica 
chamado “tunelamento”. Os elétrons ao redor do núcleo atômico não 
estão confinados numa camada fixa, mas sim numa distribuição suave ao 
redor do núcleo, e isso significa que o limite de um átomo não é bem 
definido. A probabilidade de encontrar o elétron a uma dada distância r 
do núcleo é dada pela equação onde A é uma constante e ro é o raio de 
Bohr. 
P( r ) = A e-r/ro 
Essa equação mostra que o elétron fica mais tempo próximo 
do núcleo do que afastado. A probabilidade de distribuição diminui 
exponencialmente com a distância do núcleo. Sendo os limites dos 
átomos não bem definidos, existe uma região entre dois átomos distantes 
de alguns ângstroms que se entrelaçam. 
 
O movimento dos elétrons de um átomo para outro é proibido 
pela física clássica, porque o elétron não tem energia suficiente para se 
transferir entre átomos. Entretanto, comportam-se como descritos pela 
mecânica quântica. Ou seja, um elétron pode passar (tunelamento) de 
um átomo da ponta de prova para um átomo na superfície que está 
sendo investigado (ou vice-versa). A Figura 4 ilustra esse fenômeno. 
4 
 
 
 
Figura 4 
 
Aplicando uma diferença de potencial, um experimento STM 
leva ao aparecimento de uma corrente contínua entre a ponta de prova e 
a superfície porque tanto a ponta como o material em estudo são 
condutores ou semicondutores. A distribuição do elétron no átomo 
diminui exponencialmente com a distância. Assim, a medida da corrente 
de tunelamento é uma medida da separação interatômica. A ponta de 
prova movendo-se pela superfície a uma altura constante, a constante de 
tunelamento mudará porque o entrelaçamento entre o átomo da ponta e 
os átomos da superfície irá variar. Quando a ponta de prova estiver 
diretamente sobre a superfície de um átomo, a corrente de tunelamento 
será maior do que quando a ponta estiver entre dois átomos. 
 
Um problema em estudar a superfície desta maneira é que 
por causa da ponta estar somente alguns ângstroms da superfície, é fácil 
quebrar a ponta na superfície, a não ser que a superfície seja uniforme 
na escala atômica. Para contornar esse problema, o microscópio STM é 
usualmente operado sob corrente constante. A ponta de prova afasta-se 
da superfície se a corrente é mais alta do que a desejada ou aproxima-se 
se a corrente for menor. Desta maneira, o valor da corrente é mantido 
constante num valor desejado. A mudança da posição da ponta (do “tip”) 
é diretamente proporcional a voltagem aplicada, de modo que as 
mudanças na voltagem produzida por um controlador é diretamente 
proporcional às mudanças na altura da superfície. 
 
Um computador é utilizado para controlar a posição da ponta, 
e a cada posição na superfície, o computador mede a altura baseada na 
5 
 
voltagem aplicada para manter constante a corrente de tunelamento. 
Esse arranjo bidimensional de números representando as alturas nas 
diferentes posições na área investigada da superfície é freqüentemente 
mostrado através de uma imagem de tonalidade variada: os locais mais 
altos são representados com a cor branca e os locais mais baixos são 
pretos, resultando numa figura que é essencialmente o que seria uma 
fotografia da superfície. 
 
O detector para um STM é um arame, tão fino quanto 
possível. O ideal é a ponta de prova terminar em um átomo. Usualmente 
são preparados por processo eletroquímico, começando com o fio bem 
fino. Com tungstênio, W, o fio é segurado verticalmente e parcialmente 
imerso numa solução aquosa de base. Quando um potencial de 5V é 
aplicado no fio, a superfície do tungstênio é oxidada a um óxido denso e 
solúvel. O óxido de tungstênio solubiliza e a eletrólise é interrompida, 
exceto onde o fio entra na solução. Para Pt e ligas Pt-Ir, uma corrente 
alternada de desgaste é empregada. Em ambos os casos um desgaste 
localizado resulta em um pescoço no fio. O fio é desgastado e a parte 
inferior se solta. A ponta termina freqüentemente em um pequeno cluster 
de átomos ou num simples e tão desejado átomo. 
 
A posição da ponta de prova é controlada com um varredor 
piezelétrico. Materiais piezelétricos são materiais cerâmicos que se 
expandem ou se contraem quando uma voltagem é aplicada neles 
(contrariamente, uma deformação mecânica pode produzir uma 
voltagem). A maneira mais comum de utilizar materiais piezelétricos para 
essa finalidade é com um tubo de material piezelétrico, quatro eletrodos 
metálicos por fora do tubo e um único eletrodo no interior (Figura 5). 
 
 
Figura 5 
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Combinações apropriadas de voltagens aplicadas a estes 
eletrodos fazem o tubo estender-se ou contrair-se ao longo do seu 
comprimento e/ou inclinar-se em qualquer direção. A ponta de prova é 
montada no final, no eixo do tubo. Quando o tubo se expande ou se 
contrai, a separação superfície - ponta diminui ou aumenta, 
respectivamente. Quando o tubo é para inclinar-se, a inclinação é 
pequena comparada com o seu comprimento. Um varredor típico 
piezelétrico requer voltagens na ordem de 100V e a ponta pode cobrir 
uma área de um quadrado com 4m (0,004mm) de lado. Como a 
corrente de tunelamento só pode ser detectada quando a amostra e a 
ponta estão menos que ao redor de 10 Å de separação e o posicionador 
pode se mover somente alguns micrômetros, outras peças são usadas 
para trazer a ponta a poucos micrômetros da amostras sem se colidirem. 
Um instrumento STM deve ser isolado de vibrações e a temperatura da 
sala onde está o instrumento deve ser mantidaconstante para evitar a 
colisão. 
 
O STM pode ser utilizado para uma série de problemas em 
ciências e nas engenharias. Muitos estudos têm-se concentrados nas 
propriedades de superfícies quimicamente puras ou que tenham sido 
modificadas de algum modo. Mesmo a uma pressão reduzida de 10-6 torr 
(10-4 Pa), cada átomo na superfície sofre uma colisão por segundo com 
uma molécula na fase gasosa e a superfície reagirá ou torna-se 
contaminada em um segundo. Pressões de 10-10 torr (10-8 Pa) são 
necessárias para estudar superfícies por períodos de horas sem 
contaminação. STMs que funcionam em condições de alto vácuo 
requerem materiais especiais. 
 
O STM também pode ser utilizado para estudar superfícies de 
eletrodos submersas em eletrólitos líquidos. Neste caso, pode haver 
correntes de Faraday resultantes de reações em soluções eletroquímicas 
além das correntes de tunelamento. Para obter-se uma imagem de uma 
superfície de eletrodo é necessário isolar o tip (ponta de prova) exceto os 
átomos no final da ponta (Figura 6). Na prática, se o comprimento total da 
ponta exposta for menor que 1 m, eletrólitos e voltagens aplicadas 
típicas produzem correntes de Faraday que podem ser negligenciadas 
quando comparadas com a corrente de tunelamento. 
 
 
7 
 
 
Figura 6 
O STM pode ser usado para posicionar átomos. 
Pesquisadores da IBM manipularam átomos de xenônio numa superfície 
metálica gravando a inicial “IBM”. Isto foi obtido resfriando um cristal de 
níquel a 4 K sob alto vácuo e condensando alguns átomos de Xe na 
superfície. 
 
Os átomos de Xe estavam inicialmente distribuídos 
aleatoriamente e foram movidos. Para mover um átomo, a ponta de prova 
(o tip), foi colocada sobre um átomo e abaixada ficando mais próxima ao 
átomo do que normalmente num experimento de varredura. O tip foi 
então movido a uma velocidade de 4 A/s, carregando o átomo de 
xenônio. A interação entre o tip e o átomo de xenônio é devida às forças 
de van der Waals. 
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Evidência Indireta dos Átomos: suas Capacidades Térmicas. 
É bastante curioso que sólidos elementares sendo tão 
diversos nas suas propriedades apresentem muitos deles um 
comportamento comum. Em temperaturas suficientemente altas (a 
temperatura ambiente é geralmente adequada) muitos dos elementos, 
particularmente os metálicos, têm aproximadamente a mesma 
capacidade térmica de  25J/mol.K. Capacidade térmica deve ser mais 
fortemente relacionada ao número de átomos de matéria do que a 
massa. Essa descoberta, denominada lei de Dulong e Petit, serviu como 
base de um importante método empírico para o cálculo de massas 
atômicas nos anos 1820. Além disso, a relação capacidade térmica molar 
pode ser estendida para muitos sólidos iônicos, porque o número total de 
partículas no sólido, tanto os átomos ou os íons, determina a capacidade 
térmica. 
 
A energia cinética média em um mol de um gás monoatômico 
é 3/2 RT, onde R é a constante dos gases e T é a temperatura absoluta 
em Kelvin. No equilíbrio térmico, há em média ½ RT de energia para 
cada grau de liberdade independente num sistema químico, porque os 
átomos de um gás podem mover-se livremente em três direções 
mutuamente perpendiculares (x, y e z); a energia média é 3/2 RT. Uma 
mudança de temperatura de um grau correspondente então a uma 
mudança molar em calor ou capacidade térmica molar do gás de 3/2R ou 
= 12,5 J/mol.K. Para moléculas de um gás poliatômico contribuições 
adicionais à capacidade térmica podem vir dos movimentos rotacionais e 
vibracionais. 
 
Considere agora um cristal de átomos metálicos. Para a 
maioria dos elementos metálicos, a temperatura ambiente fornece 
energia térmica suficiente para que todos os átomos vibrem. A energia 
total desses átomos vibrando é constituída por atribuições de ambas as 
energias cinética e potencial que são continuamente interconvertidas. Os 
seis graus de liberdade (três para as três dimensões do movimento 
associado com a energia cinética e três para as três dimensões 
associadas com a energia potencial) conduz a uma energia térmica 
média de 6 x ½ RT = 3RT, e então uma capacidade térmica molar de 3R, 
 25 J/mol.K. 
 
O valor da capacidade térmica de 25 J/mol.K é um limite em 
temperaturas elevadas que é alcançado somente se todos os modos 
normais de vibrações do sólido são excitados. Vários elementos mais 
leves como Be e C (diamante), as freqüências vibracionais são 
9 
 
relativamente altas; assim, temperaturas bem acima da temperatura 
ambiente são necessárias para ativar esses modos e alcançar a 
capacidade térmica limite. 
 
A figura 7 ilustra a dependência com a temperatura da 
capacidade térmica molar para alumínio, cobre, chumbo e diamante. 
Alumínio, cobre e chumbo são elementos metálicos que alcançam o 
limite na temperatura ambiente. À medida que a temperatura é reduzida, 
vibrações atômicas e suas contribuições à capacidade térmica não se 
verificam. Em temperaturas muito baixas, a capacidade térmica bem 
menor é devido ao movimento livre dos elétrons nos sólidos metálicos, 
que passa a ser a contribuição dominante para a capacidade térmica. 
 
 
Figura 7 - Gráfico da capacidade térmica molar versus temperatura para 
alumínio, cobre, chumbo e diamante. 
 
Sólidos monoatômicos possuem capacidade térmica de 3R, e 
os sólidos poliatômicos podemos predizer que possuem uma capacidade 
térmica no limite de 3R.x, onde x é o número de átomos na fórmula 
química do sólido. Assim, os sólidos NaCl, NaF, Kl, KCl, KF, MgO e CaO 
devem possuir uma capacidade térmica de 3R x 2= 6R (50 J/mol.K) 
porque são dois átomos por fórmula unitária; SiO2 e CaF2 devem possuir 
3R x 3 = 9R (75 J/mol.K), e o BaSO4 deverá ter uma capacidade 
térmica de 3R x 6 = 18R (150 J/mol.K). Todos esses sólidos tem suas 
capacidade térmicas medidas na temperatura ambiente e seus valores 
são pelo menos 85% dos valores previstos (Tabela 1). 
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Tabela 1 - Capacidade Térmica Molar de Alguns Sólidos a 298K 
Sólido Valor Experimental Valor Teórico 
l 24 
Sb 25 
Be 16 
B 11 
Ga 26 25 
Mg 25 
Pb 26 
Te 26 
NaF 47 
NaC 55 
NaBr 52 50 
Nal 54 
MgO 44 
CaO 53 
CaF2 66 
SiO2 73 
Na2O 69 75 
SrBr2 75 75 
KlO3 106 125 
BaSO4 128 150 
K2SO4 131 175 
Todos os valores são dados em Joules/mol.Kelvin. 
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Os Elétrons nos Sólidos 
Assim como o microscópio de varredura de tunelamento e a 
capacidade térmica evidenciam a existência dos átomos, as propriedades 
magnéticas e elétricas dos sólidos evidenciam a existência dos elétrons. 
Os elétrons podem exibir um comportamento localizado como em um 
átomo, numa ligação ou em um íon, ou um comportamento 
deslocalizado, sendo compartilhado entre vários átomos como no 
benzeno ou através de um no grande de átomos como num cristal inteiro. 
As propriedades eletromagnéticas de um sólido refletem não somente a 
ligação que seus elétrons participam, mas também seus spins e cargas. 
 
Os elétrons possuem dois estados de spin, correspondendo 
ao número quântico magnético ms1 + ½ e –½. 
  
ms = +1/2 ms = -1/2 
Um único elétron é denominado elétron não emparelhado e 
tanto as moléculas como os sólidos podem produzir efeitos magnéticos. 
 
Como os elétrons são partículas móveis, carregadas (-), eles 
podem facilmente serem deslocados por um campo elétrico ou uma 
deformação mecânica. Isto resulta em efeitos elétricos interessantes, o 
mais simples é a condutividade elétrica. 
 
Paramagnetismo 
Na maioria das moléculas e sólidos todos os elétrons são 
emparelhados, e a molécula ou sólido é denominada diamagnética. 
Vários tipos de comportamento magnético são possíveis, mas o efeito 
magnético mais forte resulta da existência de elétrons não emparelhados, 
o paramagnetismo. Por exemplo, analisando o comportamento do 
oxigênio líquido em um campo magnético, como resultado da presença 
de dois elétrons desemparelhados na molécula de O2, o líquido é atraído 
por um ímã forte. 
 
A tabela 2 mostra uma relação entre o estado de oxidaçãodos átomos de manganês nos sólidos, suas configurações eletrônicas e o 
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número de elétrons desemparelhados e suas respostas a um campo 
magnético. 
 
Tabela 2 - Momentos Magnéticos 
 
 
Ferromagnetismo 
Efeitos cooperativos nos quais muitos elétrons 
desemparelhados se comunicam e interagem podem levar a um 
comportamento magnético mais complexo num sólido do que observado 
para moléculas nos estados gasosos e líquidos. Ferromagnetismo é um 
exemplo importante e explorado no uso de ímãs permanentes, gravações 
magnéticas e em transformadores. 
 
A diferença entre um simples paramagnetismo e 
ferromagnetismo é mostrada na Figura 8. (Elétrons desemparelhados ou 
spins estão representados por setas nesta figura). Num simples sólido 
paramagnético os spins estão orientados aleatoriamente em ausência de 
um campo magnético (Figura 8A) por causa do movimento térmico e não 
interagem. Em presença de um campo magnético o sólido paramagnético 
tem seus spins alinhados ao longo do campo magnético ou em oposição, 
e a magnetização resultante é pequena (Figura 8B). Esta propriedade é 
devido à ausência de comunicação ou ordem magnética entre os spins e 
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alguma desordem dos spins induzida termicamente. Além disso, voltam a 
se orientar desordenadamente quando o campo é removido. 
 
Num sólido ferromagnético, os elétrons desemparelhados 
comunicam-se fortemente um com o outro e se alinham (mesmo na 
ausência de um campo magnético) em regiões largas conhecidas como 
domínios magnéticos (Figura 8C). O tamanho dos domínios varia com o 
material, mas enormes quando comparados com o tamanho de um 
átomo. Na ausência de um campo magnético, os domínios individuais 
estão ordenados aleatoriamente de modo que a magnetização resultante 
de uma peça microscópica é pequena ou até mesmo zero. 
 
Em presença de um campo magnético (Figura 8D) todos os 
spins se alinham na direção do campo magnético, resultando numa 
grande magnetização. Num magneto permanente os domínios não se 
movem facilmente. Se a orientação dos spins é retida quando o campo 
aplicado é removido, produz-se um magneto permanente. 
 
 
 
Figura 8 
Materiais ferromagnéticos são a base da tecnologia das fitas 
cassetes e videocassetes. A fita consiste em um polímero impregnado 
com cristais de  - Fe2O3 ou CrO2 ou um composto similar. O gravador 
consiste de uma cabeça eletromagnética que cria um campo magnético 
variável a medida que recebe sinais do microfone. A fita é magnetizada à 
medida que passa pelo campo magnético da cabeça do gravador. A força 
e a direção da magnetização variam com a freqüência do som a ser 
gravado. Quando a fita é tocada, a magnetização da fita em movimento 
induz uma corrente variável cujo sinal é amplificado e enviado para os 
alto-falantes. 
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Materiais ferromagnéticos formam também a base das 
gravações digitais como os discos rígidos e disquetes de computadores. 
Os computadores guardam e manipulam dados usando números 
binários, consistindo dos dígitos 0 e 1. A vantagem dos números binários 
é que seus bits podem ser representados por transistores (desl. 
Representa O; lig. Representa 1) ou armazenados usando uma 
variedade de meios que contém regiões que podem ter um ou dois 
estados. Discos de computadores usam regiões muito pequenas para 
armazenar bits binários. Se a reação é magnetizada, ela representa um 
1; se não é magnetizada; representa um 0. Recentemente, materiais 
magnéticos baseado na estrutura YxGd3-xFe5O12 tem começado a 
substituir os materiais tradicionais ferromagnéticos. 
 
O comportamento de um corpo ferromagnético é dependente 
da temperatura por causa do papel da energia térmica e a estabilidade 
ganha pelo alinhamento dos elétrons no estado ferromagnético. 
Ferromagnetismo é um exemplo de uma transição de fase sólida com 
uma temperatura característica de transição. Acima dessa temperatura, 
conhecida como temperatura Curie (Tcurie), a energia térmica é suficiente 
para quebrar o alinhamento dos spins, e o material passa a exibir um 
simples paramagnetismo. Na temperatura ou abaixo da Tcurie, as forças 
de alinhamento vencem o desalinhamento térmico, os spins são 
trancados no alinhamento, e o material torna-se ferromagnético. A tabela 
3 lista alguns ferromagnetos e suas temperaturas Curie. 
Tabela 3 - Alguns Ferromagnetos e suas Temperaturas Curie. 
Material Tcurie(K) 
Fe 1043 
Co 1388 
Ni 627 
Gd 293 
CrBr3 37 
EuO 77 
EuS 16.5 
 
Ferrofluidos 
Faz poucos anos, pesquisadores tem começado a preparar 
ferrofluidos, que apresentam propriedades de um líquido e propriedades 
magnéticas de um sólido. Os ferrofluidos são partículas muito pequenas 
( 100 A de diâmetro) de um sólido magnético suspenso em um líquido. 
 
15 
 
Ferrofluidos foram inicialmente preparados nos anos 1960 no 
Centro de Pesquisa da NASA, onde cientistas estavam investigando 
maneiras de controlar líquidos no espaço. Os benefícios de um fluido 
magnético ficaram imediatamente evidentes. A localização de um fluido 
pode ser precisamente controlada através da aplicação de um campo 
magnético, e, variando a força do campo, os fluidos podem ser forçados 
a fluírem. Pesquisadores têm preparado ferrofluidos contendo pequenas 
partículas de metais ferromagnéticos, como cobalto, ferro e também 
compostos magnéticos como ferrito de zinco e manganês. ZnxMn1-
xFe2O4. (0 x 1; esta é uma família de soluções sólidas, que são 
descritas no próximo capítulo). Entretanto, a maioria dos trabalhos é 
conduzida com ferrofluidos contendo pequenas partículas de magnetita, 
Fe3O4. Eles podem ser preparados combinando quantidades apropriadas 
de sais de Fe(II) e Fe(III) em solução básica, precipitando o óxido de 
valência mista Fe3O4. 
 
2FeCl3 + FeCl2 + 8NH3 + 4H2O  Fe3O4 + 8NH4Cl 
 
Entretanto as partículas de magnetita devem permanecer 
pequenas para que fiquem em suspensão no meio líquido. Para manté-
las pequenas, as interações magnéticas e de Van der Waals devem ser 
vencidas. O movimento térmico das partículas de magnetita menores que 
100A de diâmetro é suficiente para prevenir aglomeração devido à 
interação magnética. 
A atração de Van der Waals de duas partículas é mais forte 
quando as partículas aproximam-se uma da outra a pequenas distâncias. 
Portanto, um método para prevenir a aglomeração devido a forças de 
Van Der Waals é manter as partículas bem separadas. Esta separação 
pode ser conseguida pela adição de um surfactante no meio líquido; por 
exemplo, ácido oleico pode ser usado para ferrofluidos a base de óleos. 
O sulfactante é um hidrocarboneto de cadeia longa com uma 
extremidade polar que é atraída para a superfície da partícula de 
magnetita; assim uma camada de surfactante forma-se na superfície. As 
cadeias longas do surfactante atuam como repelentes evitando a 
aproximação de outra partícula de magnetita (Figura 10). 
A. 2FeCl3 + FeCl2 + 8NH3 + 4H2O  Fe3O4
 + 8NH4Cl 
B. Adicione ácido cis-oleico, CH3(CH2)7CH=CH(CH2)7COOH, no óleo. 
C. Remova a água: 
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Figura 10 - A preparação de ferrofluidos: A) Sínteses do Fe3O4(S); B) 
Adição do surfactante e C) Remoção de água para formar pequenas 
partículas de Fe3O4 (bolas pretas) estabilizadas pela interação da 
extremidade polar das moléculas de ácido oléico com as partículas de 
magnetita, e pela interação das caudas não-polar das moléculas de ácido 
oléico com o óleo que serve de meio líquido. 
 
Um ferrofluido pode comportar-se como um anel de vedação 
líquido onde um tubo rotatório entra numa câmara de baixa ou alta 
pressão. O ferrofluido é mantido no local por ímãs permanentes e forma 
um selador bem apertado, eliminando quase toda a fricção produzida 
num selador mecânico tradicional. Estes tubos rotatórios selados são 
encontrados no ânodo rotatório de geradores de raios-X e em câmaras 
de vácuo utilizadas na indústria de semicondutores. Seladores de 
ferrofluidos são usados em leitoras de alta velocidade de discos de 
computadores para eliminar as partículas de poeira ou outrasimpurezas, 
prejudiciais que podem causar a colisão da leitora com discos. 
 
Aplicações biomédicas dos ferrofluidos estão sendo 
desenvolvidas. Pesquisadores estão tentando obter ferrofluidos que 
possam carregar medicações para locais específicos do corpo humano, 
através de campos magnéticos aplicados. 
 
Fluidos Eletro Reológicos 
 
Como os ferrofluidos, fluidos eletro reológicos são 
constituídos de partículas em suspensão em um meio líquido, mas sua 
operação depende de interações elétricas e não magnéticas. 
 
São “materiais inteligentes” cuja viscosidade pode ser 
controlada por um campo elétrico aplicado. 
 
Fluídos ER consistem de uma suspensão coloidal de 
partículas polarizáveis em um solvente não polar. Estes materiais de alta 
tecnologia podem ser criados a partir de compostos baratos, como 
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farinha suspendida em óleo vegetal; ou alumina ou sílica suspendida em 
óleo silicone. 
 
O mecanismo pelo qual os fluidos ER operam é mostrado na 
Figura 11. A presença de um campo elétrico forte entre dois eletrodos 
induz dipolos nas partículas em suspensão (uma extremidade da 
partícula fica positiva e a outra negativa) fazendo alinharem-se um com o 
outro numa orientação que é paralela ao campo elétrico aplicado. Uma 
estrutura fibrosa é criada no meio causando um aumento da viscosidade 
que pode chegar a 105 vezes maior. Os dipolos desaparecem quando o 
campo elétrico é desligado, e a suspensão adquire a sua natureza 
líquida. 
 

  + + +   - - -
  + + +   - - -
  + + +   - - -
  + + +   - - -
Voltagem
elevada
 
Figura 11 
A velocidade com que Fluidos ER respondem ao campo 
elétrico aplicado é suficientemente rápido que eles estão sendo 
considerados para uso como amortecedores e como engates para 
transmissão em automóveis. A Figura 12 ilustra um esquema de um 
amortecedor que fornece um controle ativo sobre as vibrações no 
automóvel. 
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Figura 12 
 
Um amortecedor transmite vibrações pelo movimento do 
pistão através de um líquido compressível. No amortecedor mostrado na 
figura, variando a voltagem V, varia o fluxo do fluído ER, amortecendo o 
choque. (B) Um engate de transmissão junta mecanicamente duas partes 
móveis. No engate mostrado, variando a voltagem V, varia a viscosidade 
do fluído ER, conectando um prato à outro ou deixando-o girar 
livremente. 
Cristais Piezoelétricos 
Mesmo sabendo que sólidos são eletricamente neutros, eles 
podem consistir de espécies carregadas eletricamente como ânions e 
cátions que formam sais (NaCl, por exemplo); ou numerosos momentos 
dipolares que resultam da presença de ligações polares formadas entre 
átomos de diferentes eletronegatividades que formam o sólido (quartzo 
ou SiO2, por exemplo). Freqüentemente o dipolo elétrico resultante é nulo 
porque o arranjo dos átomos ou íons leva ao cancelamento dos 
momentos dipolares individuais ou de cargas. Uma analogia molecular 
poderia ser a natureza não-polar do tetracloreto de sílica, SiCl4. Embora 
as ligações Si-Cl sejam polares, a geometria tetraédrica causa a 
anulação dos momentos, tornando o momento dipolar resultante igual a 
zero. 
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Si - Ci
CI
CI
CI
CI
Si
 
 
Materiais como quartzo são piezelétricos porque têm a 
habilidade em desenvolver um momento dipolar resultante quando forem 
mecanicamente deformados numa direção particular relativo ao arranjo 
dos átomos no cristal; e ser mecanicamente deformáveis por um campo 
elétrico numa direção apropriada. Ambos estes efeitos são reversíveis. 
Um modelo bidimensional de um cristal piezelétrico é mostrado abaixo. 
(a) Os centros das cargas positivas e negativas no cristal coincidem; 
(b) Quando o cristal é comprimido, os íons movem-se como indicado, 
causando a separação dos centros das cargas positivas e negativas. 
Esta separação gera um momento dipolar resultante no cristal e um 
movimento de carga, que é uma corrente. Quando a pressão no cristal é 
cessada, a corrente movimenta-se na direção oposta. 
 
(c) Se uma voltagem com a polaridade indicada é aplicada, os átomos 
movem-se como indicado, e o resultado é uma expansão do cristal. 
(d) Se uma voltagem oposta for aplicada, os átomos movem-se como 
indicado, e o resultado é uma compressão do cristal. 
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Como vimos, uma voltagem aplicada pode deformar 
mecanicamente um cristal. Quando uma voltagem é aplicada através das 
faces opostas, os cátions se movem para o eletrodo negativo e os ânions 
para o eletrodo positivo. Uma voltagem aplicada faz com que o campo 
elétrico comprima o cristal, e na direção oposta, expande o cristal. 
 
Quartzo é um material piezelétrico que é comumente utilizado 
em relógios e acendedores elétricos. Nos relógios, um campo elétrico 
oscilante aplicado a um cristal de quartzo faz o cristal oscilar numa 
freqüência de ressonância natural que depende do tamanho do cristal. A 
freqüência dessas vibrações é utilizada para o relógio marcar o tempo. 
 
Nos acendedores a criação e o desaparecimento do dipolo 
elétrico correspondem a uma variação grande no campo elétrico. Assim 
tanto uma rápida compressão do cristal piezelétrico ou um rápido cessar 
da pressão aplicada ao cristal, pode causar uma faísca e iniciar a 
combustão de um combustível gasoso. 
 
Referências: 
1 – A. B. Ellis, M. J. Geselbracht, G. C. Lisensky, W.R. Rosinson, 
“Teaching General Chemistry: A Materials Science Companion”, 
American Chemical Society, Washington, DC, 1995. 
2 – I.M. Ritchie Fraci, S.M. Thurgate, A Miraculous Microscope, in 
Minerals Chemistry, Chemistry in Australia 1997, 64, 2-6. 
3 – L.V. Interrante, L.A. Gaspar, A. B. Ellis, Editor, Materials Chemistry, 
Na Emerging Discipline, Advances in Chemistry Series 245, American 
Chemical Society, Washington, DC, 1995. 
Exercícios 
1. A imagem obtida por STM de um cristal de nióbio é idêntica, em 
dimensões e arranjo, a obtida de átomos de um cristal de tântalo. Por que 
21 
 
a densidade do tântalo é igual a 16,6g/cm3 enquanto que o nióbio é 
somente 8,57 g/cm3? (Dica: compare as massas atômicas do Nb e Ta). 
2. O raio de um átomo de tungstênio é estimado em 137pm. Qual é o 
diâmetro em metros, centímetros, e Angstroms de uma ponta perfeita 
para um STM que termina em um simples átomo de tungstênio? 
(Lembrete: 1 pm = 10-12m, 1 A= 10-10m). 
3. Estime a capacidade térmica molar dos seguintes compostos: 
a) MnO, MgS, RbI, ou qualquer outro sal 1:1. 
b) CaCl2, MnCl2, TiO2, K2S ou qualquer outro sal 1:2 ou 2:1. 
c) AlBr3, FeCl3, Li3P ou qualquer outro sal 1:3 ou 3:1. 
d) Mg3P2, Al2O3 ou qualquer outro sal 2:3 ou 3:2 
4. Estime a capacidade térmica por grama (a quantidade de calor 
requerida para aumentar 1K a temperatura de 1g de substância, também 
chamada calor específico) de todas as substâncias na tabela 1. 
 
5. 100g de alumínio é aquecida a 100 oC com água fervendo. A amostra 
é então colocada em 100,0g de água a 21,5oC. Qual será a temperatura 
da água e do metal, assumindo não haver perda de calor para o 
ambiente. 
 
6. Uma peça de metal de 70,0g, a 80,0 oC, é colocada em 100,0g de 
água a 22,0oC. O metal e a água ficam com a mesma temperatura a 
26,4oC. Estime, aproximadamente, o peso atômico do metal, assumindo 
não haver perda de calor para o meio ambiente. 
7. Qual a distância que uma ponta STM percorre numa fileira de 400 
átomos de níquel? O raio do átomo de níquel é 1,24 A. 
8. Pressões gasosas de 10-10 torr são necessárias no estudo de 
superfícies metálicas por períodos de horas sem contaminações. 
Entretanto, gases com esta pressão baixa ainda contêm uma quantidade 
enorme de moléculas. Calcule o no de moléculas contidas em 1 ml de um 
gás na pressão de 1,0 x 10-10 torr a uma temperatura de 23oC. 
9. Calcule a capacidade térmica molar de um gás monoatômico em Terra 
plana, um país em um universo hipotético com somente duas dimensões. 
10. Se o calor específico do cobre é 0,38J/g.oC, estime o calor específico 
da prata. 
22 
 
11. Dados os seguintes valores parao calor específico de alguns 
elementos, calcule e compare as capacidades térmicas molares desses 
elementos. 
Au =0,13 J/gK, Fe =0,46 J/gK, Se=0,33 J/gK, Li =3,47 J/gK, U=0,13 J/gK. 
12. Ferro elementar é ferromagnético, entretanto, pregos de ferro não 
atraem limalha de ferro. 
a) Explique. 
b) Se um prego é riscado com um ímã numa direção, o prego atrairá 
limalha de ferro. Por quê? 
13. Embora o peso fórmula do óxido de cálcio e o peso atômico do ferro 
sejam aprox. iguais o calor especifico do óxido de cálcio em J/g.oC é o 
dobro do calor especifico do ferro. Por quê? 
14. Compare os sólidos com relação às suas atrações com um campo 
magnético. 
15. Proponha uma nova utilidade para um fluido eletroreológico. 
 
	UFSC - QMC
	Prof. Bruno Szpoganicz
	ÁTOMOS E ELÉTRONS
	O compartilhamento ou a transferência de elétrons permite os átomos formarem os diversos materiais que conhecemos e novas formas de matéria são sintetizadas para atender as necessidades da nossa sociedade.
	Figura 4
	Paramagnetismo
	Ferromagnetismo
	Ferrofluidos
	Figura 12
	Cristais Piezoelétricos
	Exercícios