GUSTAVO PEREIRA TRAMONTIN - CTM104705 - CIÊNCIA E TECNOLOGIA DOS MATERIAIS

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INSTITUTO FEDERAL DE SANTA CATARINA – Campus Joinville 
Aluno: Gustavo Pereira Tramontin 
Turma: CTM104705 
 
Ciência e Engenharia dos Materiais: uma introdução (Willian D. Callsiter, Jr.) 
 
RESUMO: CAPÍTULOS 1 E 2 
 
1. Capítulo 1: Introdução 
 
1.1. Perspectiva histórica e por que estudamos Ciência dos Materiais? 
 
A relação do ser humano com a matéria é indistinta e atemporal. Os primeiros seres 
humanos já possuíam a necessidade de utilizar materiais provindos da natureza para fins de 
sobrevivência, como o uso de peles, argila e madeira. Com o passar do tempo e o 
desenvolvimento das ciências, o homem compreendeu que a mistura de materiais em um 
processo especial resultava em outros materiais com diferentes propriedades. Essas descobertas 
auxiliaram e ainda auxiliam na melhora da vida cotidiana, como por exemplo o 
desenvolvimento do plástico, aço e dos semicondutores. 
O estudo da Ciência e Tecnologia dos Materiais investiga a relação entre a estrutura e as 
propriedades dos materiais. A estrutura, entendida como a organização dos 
átomos/moléculas entre si, está intimamente ligada ao conceito de propriedade, que por sua 
vez significa a resposta de um material quando exposto à um estímulo externo e que se torna 
uma característica do mesmo independente da sua forma e tamanho. O processamento e o 
desempenho dos materiais também são componentes importantes em uma observação. O 
primeiro reflete em como a matéria foi desenvolvida, ou seja, como foi o processo de criação; 
o segundo termo é o resultado do emprego das propriedades de um material para uma dada 
função. 
O custo de um projeto e o seu processo de execução determinam o sucesso ou o fracasso do 
mesmo. O conhecimento acerca dos materiais, suas propriedades e seu desempenho 
possibilitam ao engenheiro ou cientista escolher o material mais adequado para tirar uma ideia 
do papel sem comprometer o custo e o desempenho do mesmo. 
 
1.2. Classificação dos Materiais 
 
Os materiais sólidos podem possuir seis classificações diferentes. O que os diferencia entre 
si é, basicamente, a composição química e estrutura atômica de cada um. 
 
Metais: 
- Constituídos normalmente por elementos químicos metálicos; 
- Uma superfície polida possui aparência lustrosa (reflete a luz); 
- Apesar de muito resistentes, os matais são bastante deformáveis (uso em estruturas); 
- Possuem um grande número de elétrons livres, por isso são ótimos condutores de eletricidade 
e calor e não são transparentes à luz visível. 
 
Cerâmicos: 
- Resistentes a altas temperaturas; 
- Isolantes térmicos e elétricos; 
- Geralmente compostos por minerais argilosos, cimento e vidro; 
- São materiais duros, porém quebradiços- Constituídos normalmente por elementos químicos 
metálicos e não-metálicos (óxidos, nitretos e carbetos). 
 
Polímeros: 
- Materiais comuns de plástico e borracha; 
- Compostos orgânicos com química baseada no carbono, hidrogênio e elementos não-
metálicos; 
- Possuem estruturas moleculares muito grandes; 
- Possuem baixa densidade e são altamente flexíveis. 
 
Compósitos: 
- Materiais desenvolvidos pela engenharia a partir da mistura de outros materiais para obtenção 
das melhores propriedades de cada um; 
- Exemplo é a Fibra de vidro (fibra do vidro misturada com material polimérico), a qual possui 
a resistência do vidro e a flexibilidade do polímero. 
 
Semicondutores: 
- Propriedades elétricas intermediárias (não-isolante, porém não-condutor); 
- Utilizados em atividades ligadas à eletrônica. 
 
Biomateriais: 
- Materiais implantados no interior do corpo humano; 
- Não podem produzir substâncias tóxicas e são compatíveis com os tecidos do corpo. 
- Podem ser construídos por metais, cerâmica, polímero, compósitos e semicondutores. 
 
1.3. Materiais Avançados 
 
Além dos materiais citados acima, ainda possui uma classificação especial para materiais 
utilizados em aplicação muito específicas. Os chamados materiais avançados são encontrados 
em dispositivos como circuitos eletrônicos avançados, aeronaves, espaçonaves, foguetes 
militares e sistemas de fibra ótica. Em geral, são materiais tradicionais em que suas 
propriedades foram aprimoradas ou novos materiais recentemente desenvolvidos, por isso 
também são extremamente raros e caros. 
 
1.4. Necessidade dos Materiais Modernos 
 
A evolução da eletrônica, a busca por materiais poderosos e de custo baixo e a procura por 
soluções aos problemas que enfrentamos no dia a dia são justificativas para o contínuo estudo 
e desenvolvimento de novos materiais. 
O ser humano ainda está limitado a atividades sob altas temperaturas, por isso desenvolver 
um material capaz de suportar elevadíssimas temperaturas levaria o homem ao inexplorado. O 
desenvolvimento de materiais mais resistentes e menos densos provocaria uma revolução nas 
estruturas e nos meios de transporte, porém a busca por materiais melhores e mais rentáveis 
também ajudará a substituir outros já existentes, mas que são prejudiciais ao meio ambiente. 
Muitos dos materiais utilizados hoje em dia são provenientes do petróleo e de alguns metais. 
Tais recursos além de escassos, necessitam de atividades de obtenção agressivas ao meio 
ambiente e possuem um destino duvidoso após o término de sua vida útil, por isso pensar no 
ciclo total de vida dos materiais também faz parte do seu processo de desenvolvimento. 
 
 
2. Capítulo 2: Estrutura Atômica e Ligação Interatômica 
 
2.1. Conceitos fundamentais 
 
Um átomo é consiste em um núcleo formado por prótons e nêutrons, que é circundado por 
elétrons em movimento em uma região conhecida como eletrosfera. Os prótons e elétrons são 
carregados eletricamente com uma carga de 1,6 x 10-19 C (positiva para os prótons e negativa 
para os elétrons), enquanto os nêutrons são neutros. 
As massas dessas partículas são infinitesimalmente pequenas. Enquanto os prótons e 
nêutrons possuem uma massa de, aproximadamente, 1,67 x 10-27 kg, a massa do elétron é de 
9,11 x 10-31 kg. 
Cada elemento químico caracteriza-se por um número específica de prótons em seu núcleo, 
ou seja, seu número atômico (Z). Para um átomo eletricamente neutro, constata-se que o 
número de prótons será igual ao seu número de elétrons. 
A massa atômica (A) de um átomo é expressa pela soma das massas dos prótons e nêutrons 
que constituem seu núcleo. Átomos de um mesmo elemento que possuem diferentes números 
de massa são conhecidos como isótopos isso pode ocorrer pois o número nêutrons pode variar 
de átomo para átomo do mesmo elemento. Nesse contexto, o peso atômico de um elemento 
corresponde à média ponderada das massas atômicos dos isótopos do átomo que ocorre 
naturalmente. A unidade de massa atômica (uma) corresponde à 1/12 da massa do carbono 
12(12C), o qual é o isótopo mais comum do carbono. Como a massa dos prótons e nêutrons são 
ligeiramente maiores que a unidade, pode ser considerado que 
 
A ≈ Z + N 
 
O peso atômico de um elemento ou molécula pode ser estabelecido com base na unidade 
uma por átomo ou massa por mol de material. Um mol de uma substância possui 6,023 x 1023 
átomos ou moléculas (número de Avogadro). Assim, 
 
1 uma/átomo (ou molécula) = 1 g/mol 
 
2.2. Elétrons nos átomos 
 
Até o final do século XIX, os cientistas descobriram que as partículas subatômicas não 
respeitavam as leis da mecânica clássica, por isso estabeleceram um serie de novos princípios 
e leis que descreviam o comportamento dos sistemas atômicos e subatômicos, o qual ficou 
conhecido como mecânica quântica. 
Um princípio quântico-mecânico demonstra que a energia dos elétrons é quantizada, ou 
seja, os elétrons possuem valores de energia específicos. Esses valores podem ser alterados, 
porém direto para um valor permitida mais alto (absorção energia) ou para um valor permitido 
mais baixo (emissão de energia). Esses valores são comumente conhecidos como níveis ou 
estados energéticos 
 Um dos primeirosprecursores dessa nova ciência foi o modelo atômico de Bohr, no qual 
os elétrons orbitam o núcleo atômico em órbitas distintas, porém esse modelo não explicava 
completamente questões como a posição do elétron e os níveis de energia. Para tanto 
desenvolveu-se o modelo mecânico-ondulatório do átomo, no qual considera-se que o elétron 
possui tanto comportamento de onda como de partícula. Nessa atualização, a posição do elétron 
é tratada como uma probabilidade de a partícula estar em vários locais ao redor do núcleo, sendo 
assim, sua posição é definida por uma distribuição de probabilidades ou uma nuvem eletrônica. 
 
2.3. Números quânticos e configuração eletrônica 
 
A posição de um elétron com relação do centro do núcleo é expressa por um número 
quântico n = 1, 2, 3, 4, 5, ..., que representa uma camada enérgica mais distante que a outra, 
sendo o 1 a camada mais próxima do núcleo. Esses níveis enérgicos também podem ser 
designados pelas K, L, M, N, O, ..., respectivamente, e também representa a distância do elétron 
ao núcleo. 
Dentro de cada camada eletrônica citada anteriormente, l, existem as subcamadas s, p, d e 
f, as quais são limitadas dentro das camadas energéticas pela magnitude de n. Cada subcamada 
adota um número limitado de estados energéticos (ml). Enquanto na subcamada s existe apenas 
um estado energético, para as outras p d e f existem, respectivamente, três, cinco e sete estados 
ou orbitais. Na ausência de um campo elétrico os estados são idênticos dentro das subcamadas, 
porém na presenta do campo eles adotam energias ligeiramente diferentes. 
O último número quântico que representa um parâmetro do elétron é o momento de spin 
(momento de rotação), ms, e pode estar voltado para cima ou para baixo e é representado pelos 
valores de +1/2 ou -1/2 para cada uma das orientações. 
 
 
 
Analisando a tabela pode ser concluído que quando mais próximo do núcleo (camada K) 
menor será o nível energético permitido ao elétron, nesse caso a energia de um orbital 1s é 
menor do que a energia do orbital 2s, que por sua vez possuir energia menor do que 3s. 
Observando as subcamadas, conclui-se que o mesmo acontece, onde a energia de uma 
subcamada 3p é menor do que a de 3d. Entretanto é notável observar que a energia de 3d é 
maior que a energia de 4s, assim como a energia de 4f é maior que a de 5s. 
O princípio da exclusão de Pauli determina quantos elétrons podemos comportar em cada 
camada e subcamadas energética. Cada estado ou orbital eletrônico pode comportar um máximo 
de dois elétrons que deve possuir spins opostos, assim as camas s, p, d e f podem acomodar 2, 
6, 10 e 14 elétrons respectivamente. 
Os átomos dos elementos possuem números de elétrons variados, por isso é normal que as 
camadas eletrônicas não sejam preenchidas por completo. O que ocorre é que os elétrons se 
ajustam para preencher os orbitais energéticos mais baixos possíveis dentro das camadas e 
subcamadas, respeitando sempre dois elétrons por camada com spins opostos. Assim o átomo 
estará em seu estado fundamental. 
Os elétrons localizados na camada mais externa são chamados de elétrons de valência e 
são importantes por serem os protagonistas das ligações entre átomos. Um átomo que possua a 
camada de valência (camada mais externa) totalmente preenchida é conhecido por possuir 
configurações eletrônicas estáveis e normalmente possuem somente os orbitais s e p na última 
camada totalizando oito elétrons. 
 
2.4. A Tabela Periódica 
 
Os elementos da tabela periódica estão classificados de acordo com sua configuração 
eletrônica. Logo, os elementos estão posicionados em ordem crescendo de número atômico, em 
sete fileiras horizontais e considerando que todos os elementos localizamos em uma dada 
coluna sejam semelhantes quanto à sua estrutura na camada de valência, bem como 
semelhanças físicas e químicas. 
O grupo (coluna) mais à direita é denominado de Grupo 0 e é formado pelos gases inertes, 
ou seja, àqueles que possuem configuração eletrônica estável. Os grupos logo à esquerda, VIIA 
(halogênios) e VIA, possuem deficiência de um e dois elétrons na última camada eletrônica, 
respectivamente. Os metais alcalinos e alcalino-terrosos estão nos Grupos IA e IIA (com 
exceção do H – hélio) e possuem apenas um e dois elétrons na última camada eletrônica, 
respectivamente. Os elementos dos grupos IIIB a IIB são chamados de metais de transição e 
geralmente possuem a subcamada d parcialmente preenchida como a camada de valência. Os 
grupos IIIA, IVA e VA apresentam características que são intermediárias entre metais e não-
metias (ametais). 
Os elementos classificados como metal são denominados de eletropositivos, uma vez que 
possuem facilidade em ceder seus elétrons de valência para se tornarem íons positivos. Logo, 
os elementos situados mais à direita da tabela periódica são eletronegativos, isto é, eles 
recebem prontamente elétrons para se tornarem íons negativos. Como regra, a 
eletronegatividade aumenta da esquerda para a direita e de baixo para cima. 
 
 
 
2.5. Ligação Atômica nos Sólidos 
 
À medida que os átomos se aproximam uns dos outros, cada um exercerá uma força sobre 
o outro, sendo elas repulsivas ou atrativas e com magnitude diretamente relacionada à distância 
entre os seus núcleos. A chamada força atrativa FA depende do tipo específico de ligação entre 
os dois átomos. 
De modo geral quando os átomos vão se aproximando as camadas eletrônicas mais externas 
começam a se sobrepor e uma intensa força repulsiva FR é exercida entre os átomos. 
Denomina-se força líquida FL a soma de FA + FB. Quando FA e FB se anulam, ou se tornam 
iguais, não existe força líquida resultando (FL = 0). 
Nesse estado de equilíbrio (FL = 0) os centros dos átomos irão permanecer separados por 
uma distância de equilíbrio r0, a qual para muitos átomos é 0,3nm (3Å – ångstrom). Nessa 
situação a força atrativa neutraliza a separação dos átomos e a força repulsiva neutraliza a 
aproximação dos mesmos. 
Também é possível analisar os resultados das forças (F) de ligação através da energia 
potencial (E) envolvida no sistema, onde 
 
𝑬 = ∫𝑭𝒅𝒓 
 
Para sistemas atômico, sendo EL energia líquida e FL força líquida, 
 
𝑬𝑳∫ 𝑭𝑳𝒅𝒓
𝒓
∞
 
 
EL = EA + ER 
 
A energia de ligação para os dois átomos será E0 e corresponde à energia em r0 necessária 
para separar os átomos. 
Materiais que possuem elevadas energias de ligação em geral possuem temperaturas de 
fusão elevadas, por isso à temperatura ambiente as substâncias sólidas são formadas devido a 
elevadas energias de ligação. Por outro lado, vapores e gases possuem baixas energias de 
ligação e os líquidos ficam em um patamar intermediário. Três tipo de ligação químicas (ou 
primárias) constituem os sólidos, são elas a ligação iônica, covalente e metálica. Para cada tipo 
a ligação envolve os elétrons da camada de valência e a tendência de cada átomo em se tornar 
eletronicamente estável. 
Fontes de energia secundárias também participam da formação dos sólidos e influenciam 
nas propriedades físicas de alguns materiais. 
 
2.6. Ligações Interatômicas Primárias 
 
A ligação iônica é a ligação responsável pelos compostos formados tanto por elementos 
metálicos como não-metálicos. Os átomos de um elemento metálico perdem facilmente os seus 
elétrons de valência para os não-metais, por isso os compostos formados são sempre 
eletronicamente estáveis. Um exemplo clássico é o cloreto de sódio (NaCl), onde o Na perde o 
elétron da camada de valência se tornando o íon Na+ e o Cl adquire esse elétron perdido, 
tornando-se Cl-. 
A força ligação atrativa é chamada de Coulomb, uma vez que os íons positivos e negativos 
são atraídos pelas cargas elétricas líquidas opostas. 
A ligação iônica é chamada de não-direcional, ou seja, a magnitude da ligação é a mesma 
em qualquer direção ao redor do íon. Para que um sistema se mantenha estável é necessário que 
íons positivospossuam íons negativos próximos. A energia de ligação envolvida é 
relativamente alta (entre 600 e 1500 kJ/mol), por isso a temperatura de fusão de materiais 
formados pela ligação iônica é alta (acima de 800ºC). 
Os materiais iônicos são duros e quebradiços, além de isolantes térmicos e elétricos, como 
por exemplo as cerâmicas. 
Um outro tipo de ligação primária é a ligação covalente. Nesse tipo de ligação as 
configurações estáveis são adquiridas através do compartilhamento de elétrons entre átomos. 
Em uma ligação de dois átomos, ao menos um elétron será compartilhado em cada ligação, 
podendo-se dizer que o elétron é pertencendo à ambos os átomos. 
A ligação covalente é direcional, ou seja, ela ocorre entre átomos específicos e pode existir 
somente na direção do átomo que participa do compartilhamento de elétrons. O número de 
ligação possíveis de um átomo é determinado pelo número de elétrons de valência N (os 
elétrons que serão compartilhados), calculando assim 
 
Número de ligações possíveis = 8 – N 
 
As ligações covalentes podem ser muito fortes ou fracas, por isso a temperatura de fusão 
dos seus compostos pode variar desde 270ºC até mais do que 3550ºC. 
A maioria dos compostos é formada por ligações interatômicas que são parcialmente iônicas 
e parcialmente covalentes. Nesses casos quanto maior for a diferença eletronegativa entre os 
átomos, mais iônica será a ligação; no contrário, quanto menor for a diferença eletronegativa 
entre os átomos, mais covalente será a ligação. 
A terceira e última ligação primaria é a ligação metálica, encontrada nos metais e suas 
ligas. Os materiais metálicos possuem um, dois ou, no máximo, três elétrons de valência e, com 
isso, eles não se unem à um átomo específico durante a ligação metálica, mas permanecem 
livres para se movimentar ao longo de todo o metal. Eles podem ser considerados como 
pertencentes ao metal em si ou como se formassem um “mar de elétrons” ou uma “nuvem de 
elétrons”. 
A ligação metálica apresenta caráter não-direcional e os elétrons livres atuam como uma 
cola para manter juntos os núcleos iônicos. As energias de ligação variam desde 68 kJ/mol até 
850 kJ/mol, com isso a temperatura de fusão dos metais também varia pode variar entre -39ºC 
até 3410ºC, por exemplo. 
A ligação metálica é encontrada para os elementos dos Grupos IA e IIA da tabela periódica, 
bem como para todos os metais elementares. 
Alguns comportamentos gerais dos materiais podem ser explicados pelo tipo de ligação 
pelos quais mesmos são formados. Um exemplo disso são os metais que são ótimos condutores 
de eletricidade e calor por possuírem elétrons livres em excesso, enquanto os materiais 
formados pelas ligações iônica e covalente são isolantes devido à ausência de grandes números 
de elétrons livres. 
 
2.7. Ligações Secundárias ou Ligações de Van der Waals 
 
As ligações secundárias, também chamadas de ligações de Van der Waals ou ligações 
físicas, são ligações mais fracas se comparadas às ligações primárias, geralmente na ordem de 
10 kJ/mol. Geralmente sua presença é obscurecida pelas ligações primárias e mais energéticas. 
As forças de ligações secundárias surgem a partir de dipolos atômicos, ou seja, quando 
houver uma separação das frações positiva e negativa de um átomo ou molécula. A ligação é o 
resultado da atração coulombiana entre a extremidade positiva de um dipolo e a região negativa 
de um outro dipolo adjacente. 
Um tipo de ligação de Van der Waals é a ligação de dipolo induzido flutuante que consiste 
em uma atração causada por um dipolo induzido por uma distorção na distribuição espacial dos 
elétrons ao redor do núcleo atômico. Essa distorção pode ser causada por movimentos 
vibracionais naturais. 
 
 
 
A liquefação e, em alguns casos, a solidificação dos gases inertes são obtidas por este tipo 
de ligação. A temperatura de fusão e ebulição são extremamente baixas em materiais para os 
quais a ligação por dipolo induzido é predominante. Essa é a ligação intermolecular mais fraca 
que existe. 
Uma molécula é polar em virtude do arranjo assimétrico de regiões carregadas 
positivamente e negativamente. Outra ligação secundária é a ligação entre moléculas polares 
e dipolos induzidos, na qual uma molécula polar pode induzir um dipolo em moléculas polares 
adjacentes e uma ligação irá se formar como resultado das forças atrativas entre as moléculas. 
A magnitude de uma ligação de moléculas polares é maior do que a ligação de dipolos induzidos 
flutuantes. 
Por último, a ligação de dipolo permanente consiste em ligações em que moléculas polares 
se ligam através de dipolos formados entre as próprias moléculas. Um exemplo claro são 
algumas ligações nas quais o hidrogênio está ligado covalentemente, como no HF (fluoreto de 
hidrogênio). O único elétron do H é compartilhado com o F, por isso o próton do hidrogênio 
fica isolado sem ser neutralizado. Essa extremidade positiva cria um dipolo fixo com a 
extremidade negativa de uma molécula adjacente, gerando uma grande força de atração. A 
ligação de dipolo permanente é a ligação secundária mais forte. 
 
 
 
2.8. Molécula 
 
Uma molécula pode ser definida como um grupo de átomos que estão ligados entre si por 
meio de fortes ligações primárias. Nesse contexto, todas as substâncias sólidas resultantes de 
ligações iônicas e metálicas são consideradas como sendo uma única molécula. 
Nos estados líquido e gasoso as ligações consistem em serem fracas e secundárias, por isso 
possuem baixas temperaturas de fusão e ebulição. Com isso a maioria das substâncias que 
possuem moléculas pequenas são gases à temperatura e pressão ambiente. Diferentemente dos 
polímeros modernos que consistem em moléculas extremamente grandes que existem como 
sólidos no ambiente.