CIÊNCIA E TECNOLOGIA DOS MATERIAIS lista 1

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CIÊNCIA E TECNOLOGIA DOS MATERIAIS 
LISTA DE EXERCÍCIOS Nº 1 
1. Cite as principais características apresentadas pelas seguintes classes de materiais, dando quatro exemplos para cada um deles:  Metais: são uma combinação de materiais metálicos. Bons condutores de calor e eletricidade (os elétrons não estão ligados a nenhum átomo em particular). Apresentam-se transparentes a luz visível. Geralmente resistentes, deformáveis e muito utilizados para aplicações estruturais. Ex.: Cálcio, Sódio, Magnésio e Frâncio. 
 Cerâmicos: geralmente formados pela combinação de elementos metálicos e não-metálicos. São óxidos, nitretos e carbonetos. Ao contrário dos metais, são isolantes ao calor e eletricidade. Mais resistentes as temperaturas (refratários) e a ambientes severos que metais e polímeros. São menos densos que os metais. Ex.: Óxido metálico, Boreto, Carbeto e Nitreto.  Polímeros: são compostos orgânicos baseados em carbono e hidrogênio, e outros elementos não-metálicos. Constituído por macromoléculas, tipicamente apresentam baixa densidade e podem ser extremamente flexíveis, embora menos resistentes que os metais e cerâmicos. Incluem materiais termoplásticos, termorrígidos e elastômeros. Ex.: Carbono, Nitrogênio, Oxigênio e Flúor.  Compósitos: compostos por mais de um tipo de material insolúvel entre si. Estão envolvidos em recentes desenvolvimentos de materiais. Um compósito é projetado para mostrar uma combinação das melhores características de cada um dos materiais que o compõe. Ex.: Fibra de vidro, coletes a prova de bala, pranchas de surf e bicicletas. 
 Semicondutores: apresentam condutividade elétrica entre materiais isolantes e metálicos. Em comparação aos metais, as propriedades dos semicondutores são afetados por variação de temperatura, exposição a luz e acréscimo de impurezas. Silício e Gerânio são muito utilizados na construção de dispositivos eletrônicos. Ex.: Silício e Germânio. 
 Biomateriais: são utilizados em componentes para implantes no interior do corpo humano em substituição a partes danificadas ou doentes, por conta disso não devem produzir substâncias tóxicas, mas devem ser compatíveis com o tecido animal. Ex.: Metais, cerâmicos, polímeros e compósitos podem ser usados como Biomateriais. 
2. Resumidamente citar as principais diferenças entre as ligações iônica, covalente e ligação metálica. 
Ligação METÁLICA: 
 Encontrados em metais e suas ligas.  Forma-se com átomos de baixa eletronegatividade (apresentam no máximo 3 elétrons de valência).  Tem caráter não-direcional.  É, geralmente, forte. 
Ligação COVALENTE: 
 Ocorre o compartilhamento de elétrons de valência.  Forma-se com átomos de alta eletronegatividade.  Direcional com ângulos bem definidos  Tipo de ligação forte. 
Ligação IÔNICA: 
 Envolve elementos metálicos e não metálicos.  Elemento metálico “perde” elétrons para o não-metálico  Não-direcional  Tipo de ligação forte  Ligação predominante em materiais cerâmicos 
3. Qual o tipo de ligação química é usualmente presente nos seguintes materiais? 
 Metais: ligações metálicas.  Cerâmicos: ligações iônicas entre metais e não-metais.  Polímeros: ligações de Van der Waals (ligações covalentes).  Compósitos  Semicondutores 
4. Quais os tipos de ligações esperadas para os seguintes materiais: - Bronze (Cu e Sn): ligação metálica - GaSb: - Al2O3: ligação iônica - HDPE: - Fluoreto de Cálcio (CaF2): - Borracha: - Tungstênio: 
5. Dê a sua opinião sobre a seguinte afirmação: “Quanto maior a diferença nas eletronegatividades mais covalente é a ligação”. 
Em ligações covalentes, mesma valência, os átomos apresentam eletronegatividades similares e altas, por isso quanto menor a diferença nas eletronegatividades mais covalente é a ligação, e quanto MAIOR a diferença mais iônica será a ligação. 
6. Por que em geral os metais apresentam alta condutividade térmica e elétrica? 
Nos materiais metálicos, cada átomo exerce apenas uma fraca atração nos elétrons da camada de valência, que podem fluir livremente, proporcionando a formação de cátions e o estabelecimento de ligações iônicas com não-metais. Esses elétrons de valência por sua vez, são responsáveis pela alta condutividade dos metais. 
7. Dê uma explicação sobre o porquê que geralmente materiais covalentes são menos densos que materiais metálicos e iônicos. 
As ligações iônicas e metálicas são muito mais fortes que a covalente, pois os átomos das mesmas estão muito próximos. Se na ligação covalente os átomos estão mais espaçados, significa que o volume do material é maior, assim pelo quociente da densidade (densidade = massa/volume) conclui-se que quanto maior o volume, menos denso será o material. Assim concluímos que os materiais covalentes são menos densos que os materiais metálicos e iônicos. 
8. Considerando a seguinte afirmação correta “quanto mais próximos os átomos maior a força de atração entre eles“, explique então porque estes não se chocam. 
Existem forças de repulsão de origem quântica nas ligações químicas que fazem com que os átomos não se choquem, seguindo o princípio de exclusão de Pauli, que diz: “Duas partículas não podem ocupar o mesmo estado quântico”. 
9. Explique porque os metais geralmente se expandem ao serem aquecidos. 
Aquecendo um metal estamos aumentando sua energia, com esse aumento as ligações químicas vão ficando mais frágeis fazendo com que os átomos se distanciem de seus vizinhos, assim aumentando o volume do material. 
10. Como a energia e força de ligações estão relacionadas? 
A energia liberada na formação de uma ligação é numericamente igual à energia absorvida na quebra desta ligação, portanto a energia de ligação é definida para a quebra de ligações. Ou seja, a energia está relacionada de como ela é liberada ou absorvida referente as diferentes ligações químicas, que podem ser mais difíceis de serem quebradas (requerem mais energia) ou mais frágeis. 
11. As figuras abaixo representam as curvas energia de ligação em função da distância interatômica para dois materiais, A e B. 
a) Qual deles você utilizaria em uma aplicação que exigisse maior resistência à temperatura. Explique a sua resposta. 
Analisando os gráficos, o gráfico (a) tem um maior poço de energia potencial, e por isso a sua resistência à temperatura seria maior pelos átomos resistirem mais à energia e os átomos oscilam próximo ao estado de equilíbrio. 
b) Que informações podem ser obtidas do gráfico energia de ligação em função da distância interatômica. Podemos identificar o quanto o material resiste a variações de temperatura através da possibilidade de entendermos a relação de como se comportam os átomos quando são submetidos a determinada quantidade de energia. 
12. Com base nas ligações químicas, explique porque a água se expande quando solidifica. 
Por que no estado solido as moléculas de água se organizam de forma a gerar um tetraedro, onde o interior fica vazio. Como as moléculas não tem movimento de translação neste estado, o seu volume fica maior, diferentemente do que acontece no estado líquido. Desse modo o estado liquido tem um volume menor.