QUÍMICA APLICADA À ENGENHARIA

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2º SEMANA 
 
QUÍMICA APLICADA À 
ENGENHARIA 
As propriedades de um dado material são 
determinados por sua Estrutura: 
Ex: O diamante e o grafite são alótropos 
do carbono, ou seja, são compostos pelo 
mesmo elemento químico (carbono), mas 
possuem estruturas cristalinas e 
propriedades físicas completamente 
diferentes. Uma estrutura é tridimensional 
(diamante) e a outra em camadas (grafite). 
 
A estrutura de um material pode ser 
dividida em quatro escalas: 
Atômica: É o nível mais básico, que 
descreve como os átomos estão 
organizados e quais são as ligações entre 
eles. Inclui características como o número 
atômico, partículas elementares e a 
eletrosfera. 
Cristalina: Organização dos átomos em 
redes cristalinas ou amorfas. 
Microestrutural: É observada com 
microscópios e mostra os grãos, fases e 
defeitos microscópicos. 
Macroscópica: É o nível visível a olho nu, 
descrevendo as propriedades físicas e 
mecânicas de um material. 
Materiais Condutores e Isolante 
A diferença entre condutores e isolantes é 
explicada pela teoria de bandas. Nos 
condutores, o gap de energia entre a banda 
de valência (onde os elétrons estão 
ligados) e a banda de condução (onde os 
elétrons se movem livremente) é nulo ou 
muito pequeno, permitindo fácil 
movimentação dos elétrons. Já nos 
isolantes, o gap é muito grande, exigindo 
uma quantidade de energia muito alta para 
que os elétrons consigam se mover, 
dificultando a condução elétrica. 
 
 
 
Condutores: permitem a fácil 
movimentação de cargas elétricas devido à 
presença de muitos elétrons livres. Ex: 
cobre, alumínio e ouro. 
Isolantes: dificultam essa passagem, pois 
seus elétrons estão fortemente ligados aos 
núcleos atômicos. Ex: vidro, borracha e 
silicone. 
 
*Dielétricos são isolantes que, sob um 
campo elétrico externo, sofrem 
polarização, criando um campo interno 
oposto, o que dificulta a passagem de 
corrente elétrica. São usados em 
capacitores para armazenar carga com 
mais eficiência 
*O equilíbrio eletrostático é quando não 
há movimento de cargas dentro do 
material. 
 
Condutividade x Resistividade 
Resistividade (ρ) é uma propriedade física 
que mede a oposição de um material à 
passagem de corrente elétrica, logo os 
condutores apresentam baixa resistência 
elétrica. Quanto maior a resistividade, 
mais difícil é para a corrente elétrica fluir 
através do material. Condutividade (σ) é 
o inverso da resistividade. 
 
***Isolante para condutor: Aplicando-se 
uma energia suficiente (como calor 
intenso, radiação ou alta tensão elétrica), 
os elétrons de um isolante podem ganhar 
energia para atravessar o gap de energia e 
se mover livremente, tornando o material 
condutor. Exemplo: o ar, normalmente 
isolante, pode conduzir eletricidade 
durante um raio devido à alta energia 
envolvida. 
 
 
Aula 4: Ligações Químicas 
Quando um átomo tenta alcançar uma 
configuração estável, ele pode fazer isso 
de três maneiras principais: 
Receber elétrons extras: O átomo pode 
captar elétrons de outros átomos para 
completar sua camada de valência. 
Quando isso acontece, ele se torna um 
ânion (íons negativos), pois ganha cargas 
negativas. 
Ceder elétrons: O átomo pode perder 
elétrons, ficando com menos elétrons do 
que prótons, o que o transforma em um 
cátion (íon positivo), já que fica com uma 
carga positiva. 
Compartilhar elétrons: Isso é comum 
entre átomos que não querem ou não 
podem perder ou ganhar elétrons 
facilmente. 
Esses processos de transferência ou 
compartilhamento de elétrons resultam nas 
ligações químicas entre os átomos, que 
podem ser classificadas em: 
Ligações interatômicas 
(intramolecular): São as ligações 
químicas que ocorrem entre átomos 
diferentes. Podem ser: Iônicas: Quando há 
transferência de elétrons de um átomo para 
outro, formando cátions e ânions. É 
caracterizada pela atração de íons de 
cargas opostas, sendo não direcional 
porque a atração acontece igualmente em 
várias direções. O tamanho dos íons 
influenciará a força da atração. Íons 
menores geralmente têm uma atração 
mais forte, porque estão mais próximos 
uns dos outros, enquanto íons maiores 
podem ter uma atração mais fraca. 
Elementos menos eletronegativos cedem 
elétrons (cátions) e Elementos mais 
eletronegativos recebem elétrons 
(ânions). Os sólidos iônicos têm íons 
organizados em uma rede, gerando forte 
atração elétrica entre eles. Essa ligação 
intensa resulta nas seguintes 
propriedades: Elevada dureza (se frágil), 
Altos pontos de fusão e ebulição, Forma 
cristalina a temperatura ambiente, 
Solubilidade em água, Não conduzem 
eletricidade no estado sólido, pois os íons 
não podem se mover livremente, 
Conduzem eletricidade quando fundidos 
ou dissolvidos em água, pois os íons ficam 
livres para se mover e transportar corrente 
elétrica. Os íons têm tamanhos diferentes 
devido a dois fatores principais: Número 
de elétrons: Cátions (íons positivos) 
ficam menores quando perdem elétrons. 
Ânions (íons negativos) ficam maiores 
quando ganham elétrons.Carga nuclear 
efetiva: A atração do núcleo sobre os 
elétrons remanescentes afeta o tamanho do 
íon. Para cátions, a atração é mais forte e o 
íon é menor; para ânions, a repulsão entre 
os elétrons aumenta o tamanho do íon. 
Covalentes: Quando os átomos 
compartilham elétrons para completar suas 
camadas de valência. Ligações mais 
direcionais, e a atração mútua ocorre 
entre as cargas opostas. Comum em 
materiais poliméricos e diamantes. 
Metálica: A ligação metálica ocorre entre 
átomos de metais, e é caracterizada pela 
deslocalização dos elétrons de valência. 
Ao invés de estarem localizados ao redor 
de átomos específicos, esses elétrons se 
movem livremente por toda a estrutura 
metálica, formando o que chamamos de 
nuvem de elétrons. A ligação metálica 
não é direcional. Diferentemente das 
ligações iônicas e covalentes, a ligação 
metálica não tem uma representação 
eletrônica. A ligação metálica ocorre 
quando os elétrons externos dos átomos 
metálicos se tornam livres para se mover 
entre os íons metálicos positivos, criando 
uma atração elétrica que mantém os 
átomos unidos. Isso resulta em materiais 
densos e fortes, com altos pontos de 
fusão e ebulição. Os metais são bons 
condutores de eletricidade e calor, 
devido aos elétrons livres que transportam 
carga e energia térmica. Sua superfície, 
embora brilhante, pode ser corroída pela 
oxidação. 
Ligações intermoleculares: São as forças 
de atração entre moléculas diferentes, não 
envolvendo a troca ou compartilhamento 
de elétrons diretamente entre os átomos 
dentro das moléculas. São mais fracas do 
que as ligações interatômicas, mas são 
importantes para a estrutura de 
substâncias, como as forças de van der 
Waals ou ligações de hidrogênio. As 
forças de Wan der Waals incluem 
diferentes tipos de interações: Dipolo 
permanente: Ocorre em moléculas 
polares, que têm uma distribuição 
assimétrica de cargas, gerando uma 
separação entre a carga parcialmente 
negativa e parcialmente positiva. Essas 
moléculas atraem outras com dipolos 
permanentes, formando ligações de 
hidrogênio em certos casos, como entre 
moléculas de água (H₂O). Dipolo 
flutuante: Quando uma molécula polar 
(com um dipolo permanente) se aproxima 
de uma molécula apolar, a carga parcial 
negativa da molécula polar pode induzir 
uma separação de cargas na molécula 
apolar, fazendo com que ela se torne 
temporariamente polarizada. Isso cria um 
dipolo induzido na molécula apolar, que 
interage com a molécula polar. 
Comprimento da ligação 
É a distância entre os núcleos de dois 
átomos ligados em uma molécula. Ele é 
determinado pelo equilíbrio entre as forças 
atrativas e as forças repulsivas. 
 
Força de ligação 
É a interação que mantém os átomos 
unidos em uma molécula ou composto. É a 
soma das forças atrativas e repulsivas entre 
os átomos. 
 
Energia de ligação 
A energia de ligação é a quantidade de 
energia necessária para romper uma 
ligação entre dois átomos em uma 
molécula. Espaçamento interatômico: 
Quanto maiora energia de ligação, menor 
a variação do espaçamento entre os átomos 
quando aplicada a mesma quantidade de 
energia. Coeficiente de expansão 
térmica: Materiais com curvas abruptas 
e maior profundidade de poço de energia 
tendem a ter coeficiente de expansão 
térmica baixo 
 
Energia envolvida na formação da 
ligação química, quanto maior tende a 
ser: 
Ponto de fusão: O material geralmente 
tem pontos de fusão mais elevados, pois 
é necessário mais calor para romper as 
ligações fortes. 
Resistência mecânica: Maior energia de 
ligação leva a uma maior resistência 
mecânica, tornando o material mais difícil 
de ser deformado ou quebrado. 
Dureza: Maior dureza, ou seja, 
resistência à deformação permanente, pois 
as ligações fortes dificultam a alteração 
estrutural. 
Módulo de elasticidade: O módulo de 
elasticidade (rigidez) também tende a ser 
maior, já que as ligações fortes exigem 
mais força para causar deformação 
elástica. 
Estabilidade química: A estabilidade 
química aumenta, pois materiais com 
ligações fortes tendem a ser menos 
reativos e mais resistentes a mudanças 
químicas. 
Dilatação térmica: Menor dilatação 
térmica, ou seja, o material tende a 
expandir-se menos com o aumento de 
temperatura, já que as ligações fortes 
resistem à movimentação dos átomos. 
As diferenças nas propriedades do grafite, 
grafeno e diamante podem ser explicadas 
pelos tipos de ligações interatômicas e 
pela estrutura de cada material. 
1. Grafite 
Ligações interatômicas: O grafite é 
formado por camadas de átomos de 
carbono dispostos em ligações covalentes 
fortes dentro das camadas (cada átomo de 
carbono está ligado a outros três átomos, 
formando uma rede hexagonal) 
Propriedade: A interação entre as 
camadas, porém, é muito fraca (por forças 
de Van der Waals), o que permite que as 
camadas deslizam umas sobre as outras 
com facilidade. Isso faz com que o grafite 
seja macio e usado, por exemplo, como 
material de lápis e lubrificante. 
2. Grafeno 
Ligações interatômicas: O grafeno é uma 
única camada de átomos de carbono 
organizados em uma rede hexagonal, com 
ligações covalentes fortes entre os 
átomos. 
Propriedade: O grafeno é extremamente 
forte, flexível e conduz eletricidade de 
maneira excelente, devido à mobilidade 
dos elétrons na sua estrutura. Como ele é 
formado por apenas uma camada de 
átomos, suas propriedades são muito 
superiores em comparação com o grafite 
(apesar de o grafite ser composto por 
várias camadas de grafeno). 
3. Diamante 
Ligações interatômicas: O diamante é 
formado por ligações covalentes fortes 
entre os átomos de carbono, mas, ao 
contrário do grafite, cada átomo de 
carbono no diamante está ligado a outros 
quatro átomos em uma estrutura 
tridimensional, formando uma rede 
cristalina rígida e extremamente forte. 
Propriedade: O diamante é muito duro (o 
material natural mais duro conhecido), 
transparente e isolante elétrico. A forte 
rede de ligações covalentes no diamante é 
o que confere essas propriedades 
excepcionais de dureza e estabilidade. 
 
***METAIS: Ligações iônicas (elementos 
metálicos e ametálicos) e Metálicas 
(apenas metais) – Capacidade de perder 
elétrons. 
POLÍMEROS: Ligações covalentes – 
Compartilhamento de 1 ou + pares de 
elétrons entre átomos. 
CERÂMICAS: Ligações iônicas. No caso 
dos vidros as ligações são covalentes pois 
a ≠ de eletronegatividade é pequena.