5CIOA Ciência dos Materiais Aula01

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5CIOA-Ciências dos Materiais
Anastácia Evangelina da Fonsêca Santos, DSc.
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Ementa:
Nesta disciplina, o estudante irá desenvolver a sua capacidade de identificar os diferentes materiais utilizados na Engenharia assim como escolhê-los por meio de suas propriedades, conhecendo os principais métodos de caracterização desses materiais. Ao final da disciplina ele estará apto a classificar os materiais utilizados na Engenharia através das suas propriedades químicas, térmicas, mecânicas e elétricas. 
Além disso, o aluno irá identificar a ordem e desordem atômica nos materiais sólidos, e avaliar as propriedades mecânicas dos materiais plásticos, cerâmicos e metálicos, bem como identificar a capacidade de transporte eletrônico nos respectivos materiais. Desta forma, ele alcançará a melhoria da produção e a otimização da utilização dos materiais plásticos, metálicos e cerâmicos.
Ciências dos Materiais
Objetivos:
 Classificar os diferentes materiais através das suas propriedades químicas, mecânicas, elétricas e térmicas para suas diferentes aplicações na engenharia.
Avaliar as características dos materiais plásticos, metálicos e cerâmicos, através da sua estrutura atômica, visando a melhoria da produção.
Identificar a capacidade de transporte eletrônico dos diferentes materiais, através da estrutura atômica, para a análise de condutividade elétrica.
Planejar estruturas baseadas em materiais metálicos, cerâmicos e poliméricos com base nas suas propriedades mecânicas e elétricas.
Determinar as fases presentes, suas composições e as frações mássicas em um diagrama de fases binário.
Ciências dos Materiais
Conteúdo:
 1. Introdução ao Estudo dos Materiais: Materiais metálicos, cerâmicos, poliméricos, compósitos e semicondutores; introdução às propriedades mecânicas e elétricas, estrutura e propriedades atômicas e ligações químicas.
2. Estrutura cristalina dos metais, material cristalino, material não-cristalino/amorfo, modelo atômico das esferas rígidas, rede cristalina, célula unitária, constantes de rede, os 7 sistemas cristalinos, as 14 redes de Bravais.
3. Fator de empacotamento atômico, cálculos de massa específica, polimorfismo e alotropia, coordenadas de pontos, direções cristalográficas, planos cristalinos, densidade atômica planar, densidade atômica linear, difração de raios X.
4. Imperfeições em sólidos, defeitos pontuais: lacunas, intersticiais e substitucionais, cálculo do número de lacunas, defeitos de Frenkel e Schottky, soluções sólidas substitucionais e intersticiais, regras de Hume-Rothery, especificação da composição.
Ciências dos Materiais
Conteúdo:
5. Defeitos lineares (discordâncias), discordância em aresta, discordância em espiral, discordância mista, defeitos interfaciais: contornos de grão e maclas, defeitos volumétricos: inclusões, precipitados, fases e porosidade, microscopia.
6. Propriedades mecânicas dos sólidos, tração, compressão, cisalhamento, torção e flexão, ensaios de tração, ensaios de compressão, deformação elástica, comportamento tensão-deformação, deformação elástica, anelasticidade.
7. Coeficiente de Poisson, deformação plástica, limite de proporcionalidade, limite de escoamento, limite de resistência à tração, empescoçamento, fratura frágil e fratura dúctil, resiliência e tenacidade.
8. Propriedades elétricas dos materiais, materiais condutores, isolantes e semicondutores, condução eletrônica e iônica, lei de Ohm, resistividade elétrica, condutividade elétrica, bandas de energia eletrônica.
Ciências dos Materiais
9. Materiais de elevada condutividade, mercado internacional do cobre e alumínio, semicondutividade, semicondutores intrínsecos e extrínsecos, fatores que afetam a mobilidade dos portadores de carga, dispositivos semicondutores, diodos e transistores.
 
 10. Diagramas de fases, fases, limite de solubilidade, solidificação de um metal puro, solidificação de uma liga binária, diagrama de equilíbrio para sistemas binários e determinação das fases presentes e das composições das fases.
11. Mistura eutética, microestrutura em ligas eutéticas, diagrama com fases intermediárias, diagrama com fases de compostos intermetálicos, sistemas eutetóides, hipoeutético x hipereutético, sistema ferro-cementita, classificação internacional dos aços.
12. Corrosão e degradação dos materiais, ciclo de vida dos materiais de engenharia, importância econômica, principais reações em corrosão, processo corrosivo, passivação, proteção catódica, Prevenção da Corrosão com Revestimento Metálico Anódico.
Ciências dos Materiais
Conteúdo:
13. Estruturas e propriedades das cerâmicas, estruturas cristalinas, cerâmicas à base de silicatos, imperfeições das cerâmicas, diagramas de fases das cerâmicas, fratura frágil das cerâmicas, comportamento tensão-deformação.
14. Estruturas dos polímeros, moléculas de hidrocarbonetos, moléculas poliméricas, a química das moléculas de polímeros, termoplásticos e termofixos, copolímeros, cristalinidade dos polímeros, defeitos em polímeros.
Ciências dos Materiais
Bibliografia:
Askeland, Donald R.; Phulé, Pradeep. Ciência e engenharia dos materiais.
Callister Jr, Willian D., Ciência e engenharia dos materiais.
Shackelford, James. Ciência dos materiais.
Ciências dos Materiais
Classificação dos materiais:
Metais e ligas
Cerâmicas, vidros e vidro-cerâmicas 
Polímeros (plásticos)
Compósitos
Semicondutores
Biomateriais (Mat. Biocompatíveis)
São incluídos ainda os Materiais Compostos, Materiais Semicondutores e os Biomateriais como tipos a parte, mas de grande importância pelas suas aplicações em projetos de engenharia.
1. Introdução aos Materiais
Classificação Tradicional
1. Introdução aos materiais
Materiais 
Compostos
Polímeros
Metais
Cerâmicos 
e 
Vidros
Espumas
Materiais 
Naturais
Estes materiais são substancias inorgânicas que estão compostas de um ou mais elementos metálicos, contendo: Fe, Cu, Al, Ni, Ti.
Os metais possuem uma estrutura cristalina na qual os átomos estão dispostos de maneira ordenada.
São bons condutores elétricos e térmicos.
Muitos são relativamente resistentes e dúcteis à temperatura ambiente e outros mantêm alta resistência, inclusive a elevadas temperaturas.
1. Introdução aos materiais metálicos
São bons condutores elétricos e térmicos.
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 Os metais e suas ligas se dividem em:
Metais e ligas férreas que contem alto % de Fe. 
Exemplos: Aços e Ferros Fundidos.
Metais e ligas não férreas. 
Exemplos: Cobre, Alumínio, Bronzes, Latões, Duralumínios.
1. Introdução aos materiais metálicos
Metais e ligas
2. Classificação dos Materiais 
Características Gerais
Possuem brilho
Boa condutividade térmica e elétrica
Boa maleabilidade
Ponto de fusão médio
Dureza média
Boa tenacidade
Em geral, resistência à corrosão é ruim
Em geral, densidade alta
Metais e ligas
2. Classificação dos Materiais 
Tipos
Metais Ferrosos
Metais leves
Metais de baixo ponto de fusão
Metais nobres
Metais refratários
Metais resistentes à corrosão
Exemplos
Aço, Ferro fundido
Alumínio, Titânio, Berílio
Chumbo, Estanho, Zinco
Ouro, Prata, Platina
Tungstênio, Molibdênio
Cobre, Latão, Bronze, Níquel
1. Introdução aos materiais metálicos
Os polímeros apresentam uma resistência mecânica relativamente baixa, mas com uma razão resistência-peso bastante favorável. Eles não são adequados à utilização em altas temperaturas.
Os polímeros têm boa resistência a corrosão e, como as cerâmicas, oferecem bom isolamento térmico e elétrico.
Os polímeros podem ser dúcteis ou frágeis, dependendo da estrutura, temperatura e taxa de deformação.
1. Introdução aos materiais poliméricos
Polímeros
2. Classificação dos Materiais 
Características Gerais
Em geral opacos mas podem ser transparentes
Bons isolantes térmicos e elétricos
Boa plasticidade e elasticidade
Baixa dureza
Baixo ponto de fusão
Resistência à corrosão média
Baixa densidade
Polímeros
2. Classificação dos Materiais 
Tipos
Naturais
Sintéticos
Exemplos
Latex, pele, DNA, glicose, celulose, madeira, unha, chifre, cabelo
Acrílico, isopor, PVC, Policarbonato, Náilon
1. Introdução aos materiais poliméricos
Os materiais cerâmicos são materiais inorgânicos constituídos por elementos metálicos e não metálicos coesionados quimicamente.
Os materiais cerâmicos podem ser cristalinos, não cristalinos, ou liga de ambos. 
A maioria dos materiais cerâmicos tem alta dureza e resistência ao aquecimento, mais tendem à fragilidade.
1. Introdução aos materiais cerâmicos
Cerâmicas
2. Classificação dos Materiais 
Características Gerais
Em geral opacos mas podem ser transparentes
Bons isolantes térmicos e elétricos
Frágeis
Dureza elevada
Ponto de fusão elevado
Maleabilidade ruim
Boa resistência à corrosão
Densidade média
Cerâmicas
2. Classificação dos Materiais 
Tipos
Cerâmica Tradicional
Cerâmica Avançada
Revestimento Cerâmico
Exemplos
Tijolo, azulejo, porcelana, vidro
Diamante, óxido de zircônio, óxido de alumínio, Carboneto de silício
DLC, Nitretos de ferro, boretos de ferro, etc.
Vidros e Vidros-Cerâmicas
O vidro é um material amorfo (mas nem sempre), obtido a partir da sílica fundida. O termo “amorfo” refere-se a materiais que não possuem um arranjo atômico regular e periódico.
Os vidros são usados também em casas, automóveis, telas de computador e TV, além de centenas de outras aplicações.
Podem ser tratados termicamente(temperados) para que se tornem mais resistentes
2. Classificação dos Materiais 
Vidros e Vidros-Cerâmicas
A formação de vidros seguidos da nucleação de pequenos cristais no seu interior, por meio de um processo térmico especial, dá origem a materiais conhecidos como vidro-cerâmicas.
O Zerodur® é um exemplo de vidro-cerâmica usado na fabricação de substratos espelhados para grandes telescópios (como os telescópios Chandra e Hubble).
Tanto os vidros como os vidro-cerâmicas são normalmente processados por fusão e moldagem.
2. Classificação dos Materiais 
Vidros e Vidros-Cerâmicas
2. Classificação dos Materiais 
Características Gerais
Reciclabilidade
Transparência (permeável à luz)
Dureza
Não absorvência
Ótimo isolador dielétrico
Baixa condutividade térmica
Recursos abundantes na natureza
Durabilidade
1. Introdução aos materiais cerâmicos
Formado por dois ou mais materiais, os compósitos dão origem a propriedades que não são encontradas em nenhum dos materiais individualmente.
Concreto, compensado e fibra de vidro são exemplos de materiais compósitos.
Com o auxílio de compósitos, podemos produzir materiais leves, robustos, dúcteis e resistentes às altas temperaturas.
1. Materiais Compósitos
 Normalmente os componentes não se dissolvem reciprocamente e podem ser identificados fisicamente graças à interfase entre os componentes.
Existem muitas combinações diferentes de reforços e matrizes que se podem usar para produzi-los.
Entre os destacados tipos de materiais compostos modernos temos a fibra de vidro reforçada em matriz de poliéster.
1. Materiais Compósitos
2. Materiais Compósitos
Características Gerais
São materiais produzidos de modo a se obter uma otimização de propriedades
Tem-se propriedades que não se consegue num único material, ou que seja economicamente mais vantajoso
2. Materiais Compósitos
Tipos
Mesma classe
Classes distintas
Exemplos
Folha de flandres, aços galvanizados
Pneu, embalagem tetrapak, fibra de carbono, fibra de vidro, fio condutor de eletricidade com isolante
Materiais semicondutores apresentam propriedades elétricas que são intermediárias entre metais e isolantes.
Além disso, as características elétricas são extremamente sensíveis à presença de pequenas quantidades de impurezas, cuja concentração pode ser controlada em pequenas regiões do material.
Os semicondutores tornaram possível o advento do circuito integrado que revolucionou as indústrias de eletrônica e computadores.
1. Materiais Semicondutores
Semicondutores
São feitos de silício, germânio e arsenato de gálio, tais como os utilizados em computadores e aparelhos eletrônicos, fazem parte de uma classe mais ampla de materiais conhecidos como materiais eletrônicos.
A condutividade elétrica dos materiais semicondutores situa-se entre a dos isolantes cerâmicos e dos condutores metálicos.
Os semicondutores viabilizam a era da informação eletrônica. 
2. Classificação dos Materiais 
Semicondutores
2. Classificação dos Materiais 
Condutividade elétrica intermediária
Propriedades elétricas são extremamente sensíveis à pureza química dos elementos
Características Gerais
Micro sistemas eletro-mecânicos (MEMS)
“wafer”de Si para chips de computador
Biomateriais são empregados em componentes para implantes de partes em seres humanos.
Esses materiais não devem produzir substâncias tóxicas e devem ser compatíveis com o tecido humano (isto é, não deve causar rejeição).
Metais, cerâmicos, compósitos e polímeros podem 	ser usados como biomateriais.
1. Biomateriais
Podemos classificar os materiais com base na função mais importante que desempenham, ou seja, mecânica (estrutural), biológica, elétrica, magnética ou óptica. 
A classificação dos materiais pode ser vista na figura a seguir, com alguns exemplos de cada categoria. Tais categorias podem ser ainda divididas em subcategorias.
2. Classificação Funcional dos Materiais 
2. Classificação Funcional dos Materiais 
Classificação Funcional dos Materiais
Biomédicos
Hidroxiapatita, Ligas de titânio, Aços inoxidáveis, Ligas com memórias de forma Pláticos, PZT
Estruturais
Aços, Ligas de alumínio, Concreto, Fibra de vidro, Plásticos, Madeira
Aeroespaciais
Componentes 
C-C, Sio2, Silício amorfo. Ligas de Al, Superligas, Zerodur®
Materiais Eletrônicos
Si, GaAs, Ge, BaTiO2, PZT,
YBa2,Cu3O7-x, Al, Cu, W, Polímeros condutores
Materiais Magnéticos
Fe, Fe-Si, Ferritas de NiZn e MnZn, 
Co-Pt-Ta-Cr,
γFe2O3
Materiais Ópticos
SiO2, GaAs, Vidros, AL2O3,
YAG, ITO
Tecnologias Energética e Ambiental
UO2, NiCd, ZrO2, LiCoO2, Si:H amorfo
Materiais Inteligentes
PZT, Ligas de 
Ni-Ti com memória de forma, Fluidos MR, Géis poliméricos
Aeroespaciais
Ônibus espaciais da NASA utilizam pó de alumínio nos foguetes de propulsão.
Biomédicos
Vários órgãos artificiais, substitutos de ossos, próteses endovasculares (stents), aparelhos ortodônticos e outros componentes são feitos utilizando-se diversos tipos de plásticos, ligas de titânio e aços inoxidáveis não magnéticos.
Materiais Eletrônicos
Os semicondutores (como feitos de silício, por exemplo) são utilizados na fabricação de circuitos integrados de computador.
2. Classificação Funcional dos Materiais 
Tecnologia de Energia e Tecnologia Ambiental
A indústria nuclear usa materiais como combustível nuclear e vários outros materiais, como vidros e aço inoxidáveis utilizados na manipulação de substâncias nucleares e na gestão de resíduos radioativos.
Materiais Magnéticos
Os discos rígidos de computadores e os vídeo cassetes utilizam vários materiais cerâmicos, metálicos e poliméricos.
Materiais Fotônicos ou Ópticos
A sílica é amplamente utilizada na produção de fibras óticas.
2. Classificação Funcional dos Materiais 
Materiais Inteligentes
Um material inteligente detecta estímulos externos, tais como alterações de temperatura, de tensão, de umidade ou de um composto químico específico e de responder a esses estímulos.
Materiais Estruturais
Esses materiais são projetados para suportar tensão mecânica.
Aços, concreto e compósitos são empregados na construção de edifícios e pontes.
Aços, vidros, plásticos e compósitos são também amplamente utilizados na fabricação de automóveis.
2. Classificação Funcional dos Materiais 
Nanotecnologia
O procedimento geral utilizados pelos cientistas para compreender a química e a física dos materiais era partir do estudo de estruturas grandes e complexas e então investigar os blocos construtivos fundamentais que compõem essas
estruturas. Essa abordagem é algumas vezes chamada de ciência “de cima para baixo”.
Com o advento dos microscópios de ponta de prova, que permitem a observação dos átomos e das moléculas individuais, ficou possível manipular e mover átomos e moléculas e formar novas estruturas, desta forma desenhando novos materiais fabricados a partir de constituintes que são simples ao nível atômico (isto é, construir “materiais por projeto”).
2. Classificação Funcional dos Materiais 
Nanotecnologia
Essa habilidade em se arranjar cuidadosamente os átomos proporciona oportunidades para o desenvolvimento de propriedades mecânicas, elétricas, magnéticas e de outras naturezas que não seriam possíveis de qualquer outra maneira. A isso chamamos de abordagem “de baixo para cima”; o estudo das propriedades desses materiais é conhecido por “nanotecnologia”, onde o prefixo “nano” indica que as dimensões dessas entidades estruturais são da ordem do nanômetro (10-9m).
2. Classificação Funcional dos Materiais 
A correlação estrutura-propriedades dos materiais usados na fabricação de componentes é geralmente influenciada pelo ambiente ao qual são submetidos durante o uso, tais como:
Exposição a altas temperaturas;
Tensões mecânicas cíclicas;
Impactos súbitos;
Corrosão e oxidação.
Esses efeitos devem ser levados em conta no projeto, a fim de garantir que os componentes não falhem prematuramente.
2. Efeitos Ambientais e Outros Efeitos
Temperatura: 
As mudanças de temperatura alteram drasticamente as propriedades dos materiais. 
2. Efeitos Ambientais e Outros Efeitos
Temperatura: 
Metais e ligas que foram endurecidos por tratamento térmicos ou durante os processos de conformação podem perder repentinamente a resistência ao serem aquecidos.
Ex: O desabamento das torres do World Trade Center em 11 de setembro de 2001.
Temperaturas elevadas mudam também as estruturas das cerâmicas e polímeros. Estes se fundem ou se queimam em altas temperaturas.
Por outro lado, temperaturas extremamente baixas podem fazer com que um metal ou polímero se torne frágil, fraturando mesmo com a aplicação de pequenas cargas. Exemplo: naufrágio do Titanic.
2. Efeitos Ambientais e Outros Efeitos
Corrosão: 
Muitos metais e polímeros reagem com o oxigênio e outros gases, particularmente em temperaturas elevadas.
Metais e cerâmicas podem degradar-se, ao passo que polímeros e cerâmicas que não a base de óxidos, podem oxidar.
Os materiais são atacados também por líquidos corrosivos, o que ocasiona falhas prematuras.
2. Efeitos Ambientais e Outros Efeitos
Fadiga: 
Em muitas aplicações, os componentes devem ser projetados e utilizados de modo que a carga mecânica aplicada ao material não chegue a causar deformação permanentes.
No entanto, ao aplicar e remover a carga milhares de vezes, pequenas trincas (microtrincas) podem ser formadas e, com a propagação de tais trincas, o material falhará. Isto é conhecido como falha de fadiga.
2. Efeitos Ambientais e Outros Efeitos
Taxa de deformação: 
É provável que você saiba que o Silly Putty®, um plástico feito de silicone, permite grande estiramento se for deformado lentamente (baixa taxa de deformação).
No entanto, ele se rompe caso seja deformado rapidamente (alta taxa de deformação).
Um comportamento similar pode ser observado em vários materiais metálicos.
Em muitos casos, os efeitos de temperatura, fadiga, tensão e corrosão podem estar inter-relacionados.
2. Efeitos Ambientais e Outros Efeitos
Ao se projetar um material para determinada aplicação, uma série de fatores precisa ser considerada.
O material de alcançar as propriedades físicas e mecânicas desejadas, deve permitir o processamento ou a fabricação em um formato específico e deve oferecer uma solução econômica aos problemas do projeto.
Também é importante proteger o meio ambiente estimulando, se possível, a reciclagem dos materiais.
2. Projetos e Seleção de Materiais
Selecionar um material com propriedades necessárias e potencial para ser convertido em um produto útil, de modo econômico e seguro, é um processo complexo, que requer conhecimento sobre a correlação estrutura-propriedades-processamento-composição.
2. Projetos e Seleção de Materiais
Estrutura Atômica
Por que estudar a estrutura atômica ?
Porque algumas das propriedades de materiais sólidos dependem dos arranjos geométricos dos átomos e também das interações que existem entre os átomos ou moléculas constituintes.
Conceitos fundamentais
Cada átomo consiste de um núcleo muito pequeno composto de prótons e nêutrons que estão circundados por elétrons em movimento.
Tanto o elétron quanto o próton são eletricamente carregados, sendo a magnitude da carga igual a 1,6 x 10-19 C.
Prótons e nêutrons possui a mesma massa, 1,67 x 10-24 g , sendo maior que a massa de um elétron que é 9,11x10-28 g.
Cada elemento químico é caracterizado pelo número de prótons no núcleo, ou número atômico Z. Para um átomo eletricamente neutro, o número de prótons é igual ao número de elétrons.
Estrutura Atômica
A massa atômica de um átomo específico pode ser calculada pela soma da massa de prótons e nêutrons dento do núcleo.
Importante: O número de prótons é sempre o mesmo para todos átomos de dado elemento, embora o número de nêutrons possa ser diferente.
O peso atômico de um elemento ou peso molecular de um composto pode ser especificado com base em u.m.a (unidade de massa atômica)por átomo ou em massa por mol de material.
Estrutura Atômica
1 u.m.a é definida como 1/12 da massa atômica do isótopo mais comum do carbono, carbono 12, em que A = 12.
Em 1 mol de alguma substância existe 6,023x1023 átomos ou moléculas.
Elétrons em átomos – Modelos Atômicos
Durante a última parte do século dezenove verificou-se que muitos fenômenos envolvendo elétrons em sólidos não poderiam ser explicados em termos da mecânica clássica.
Estrutura Atômica
Um dos resultados da mecânica quântica foi o modelo atômico simplificado de Bohr, no qual os elétrons giram ao redor do núcleo em órbitas distintas.
 
Estrutura Atômica
Um princípio da mecânica quântica declara que as energias dos elétrons são quantizadas, isto é, aos elétrons só é permitido ter valores específicos de energia.
É conveniente pensar nesses níveis permitidos de energias como estando associado com níveis de energia ou estados de energia.
Estas energias são tomadas como sendo negativas, enquanto que a referência zero é o elétron não ligado ou elétron livre.
Estrutura Atômica
Estrutura Atômica
O modelo de Bohr representa a primeira tentativa de descrever os elétrons em átomos em termos tanto da posição (elétrons em órbitas) quanto da energia (níveis de energia quantizados).
Modelo Atômico Mecânico-Ondulatório
Verificou-se que eventualmente o modelo atômico de Bohr tinha algumas limitações significativas por causa as sua incapacidade de explicar vários fenômenos envolvendo elétrons.
Estrutura Atômica
No modelo mecânico ondulatório, considera-se que o elétron exibe características tanto de onda quanto de partícula. 
Nesse novo modelo, o elétron não é tratado como uma partícula que se move em órbita discreta. A posição do elétron é considerada como a probabilidade do elétron estar em vários locais ao redor do núcleo. 
A posição, então, é descrita por uma distribuição de probabilidade ou nuvem eletrônica.
Estrutura Atômica
Estrutura Atômica
Comparação Modelo Bohr x Modelo Mecânico –Ondulatório
Usando a mecânica ondulatória, cada elétron em um átomo é caracterizado por quatro parâmetros chamados números quânticos.
As camadas são especificadas por um número principal n que pode tomar valores inteiros começando da unidade. Essas camadas também são designadas pelas letras K, L, M, N, O...
Os níveis de energia de Bohr se separam em subcamadas de elétrons, e números quânticos ditam o número de estados dentro de cada subcamada.
Estrutura Atômica:
Números Quânticos
O segundo número quântico, l, significa subcamada que é denotada por uma letra minúscula : s, p, d, f. 
Estrutura Atômica: Números Quânticos
O número de subcamadas está relacionada com o número quântico principal (n).
O número de estados de energia para cada subcamada é dado pelo terceiro número quântico, (ml).Para uma subcamada (s) existe apenas um estado de energia, enquanto para as camadas (p), (d) e (f) existem três, cinco e sete estados respectivamente.
Estrutura Atômica: Números Quânticos
Associado a cada elétron se encontra um momento de spin, que está orientado para cima ou para baixo. O quarto número quântico (ms ) está relacionado a esse número de spin (+1/2 ou -1/2).
Estrutura Atômica: Números Quânticos
 Quanto menor for o número quântico principal, menor será o estado de energia;
 Dentro de cada camada, a energia de uma subcamada cresce com o valor do número do número quântico (l).
Estrutura Atômica: Números Quânticos
Estudamos os estados eletrônicos os quais correspondem aos valores de energia permitidos as elétrons. 
Para determinar a forma na qual estes estados são preenchidos com elétrons, usa-se o princípio de exclusão de Pauli, conceito mecânico quântico. 
Cada estado eletrônico não pode manter mais do que dois elétrons, que devem ter spins opostos.
Estrutura Atômica: Configurações Eletrônicas
Cada subcamada s, p, d, f pode ter somente 2, 6, 10 e 14 elétrons respectivamente.
Nem todos os estados possíveis são preenchidos com elétrons. Para muitos átomos, os elétrons preenchem os estados possíveis de energia mais baixo.
Estrutura Atômica: Números Quânticos
Estrutura Atômica
São aqueles que ocupam a camada mais externa. Eles participam na ligação entre os átomos para forma agregados atômicos e moleculares. 
Muitas das propriedades físicas e químicas de sólidos estão baseadas nestes elétrons de valência. 
Muitos átomos possuem configurações eletrônicas estáveis. Isto é, a camada mais externa está totalmente preenchida.
Estrutura Atômica: Elétrons de Valência
Átomos de alguns elementos que possuem camadas de valência não preenchidas se tornam estáveis ganhando ou perdendo elétrons para formar íons ou pelo compartilhamento de elétrons com outros átomos.
Estrutura Atômica: Números Quânticos
Estrutura Atômica - Tabela Periódica
Os elementos estão agrupados com crescente número atômico em sete filas horizontais denominadas períodos.
Todos elementos que estão situados numa mesma coluna ou grupo têm similares estruturas de elétrons de valência e propriedades químicas e físicas. 
Estrutura Atômica: Tabela Periódica
Estrutura Atômica - Tabela Periódica
Muitos elementos se incluem na classificação de metal. Eles são denominados elementos eletropositivos os quais são capazes de fornecer os poucos elétrons tornando-se íons carregados positivamente.
Os elementos situados à direita da tabela são eletronegativos. Eles aceitam elétrons para formar íons carregados negativamente ou algumas vezes eles compartilham elétrons com outros átomos.
Estrutura Atômica
 - Forças e Energias de Ligação
Os princípios de ligação atômica são melhores ilustrados considerando a interação entre dois átomos isolados à medida que eles são colocados em proximidade um do outro a partir de uma distância infinita de separação entre eles.
Estas forças são de dois tipos: atração e repulsão. A magnitude de cada uma é função da separação ou distância interatômica. 
Ligação Atômica em Sólidos
 - Forças e Energias de Ligação
A origem da força de atração (FA)depende do tipo particular de ligação que existe entre dois átomos. Sua magnitude varia com a distância. 
A força de repulsão (FR) se origina da superposição da camada mais externa.
FL= FR + FA
A força resultante (FL) é a soma das duas forças.
Ligação Atômica em Sólidos
Ligação Atômica em Sólidos 
 - Forças e Energias de Ligação
 - Forças e Energias de Ligação
No estado de equilíbrio a força líquida é nula. Os centros de dois átomos permanecerão separados por uma distância de equilíbrio (ro). 
Uma vez na posição, os dois átomos reagirão com ação oposta a qualquer tentativa de separá-los ou de aproximá-los. 
Energia de ligação: corresponde a energia no ponto mínimo da curva.
Ligação Atômica em Sólidos
 - Forças e Energias de Ligação
A energia de ligação representa a energia necessária para separar estes dois átomos até uma distância infinita.
Três tipos de ligação química (ligações primárias) são encontradas em sólidos: iônica, covalente e metálica. A ligação envolve os elétrons de valência. Em geral, cada uma destes tipos de ligação surge a partir da tendência dos átomos de assumir estruturas eletrônicas estáveis, tais como aquelas dos gases nobre.
Ligação Atômica em Sólidos
 - LIGAÇÃO IÔNICA
É sempre encontrada em compostos que são constituídos de ambos elementos metálicos e não-metálicos.
No processo de união, todos os átomos adquirem configuração de gás nobre ou estáveis e adicionalmente carga elétrica, tornando-se íons. O cloreto de sódio é um material iônico clássico. 
Ligação Atômica em Sólidos
Ligação Atômica em Sólidos 
 - LIGAÇÃO IÔNICA
Ligação Atômica em Sólidos 
 - LIGAÇÃO COVALENTE
A configuração eletrônica estável se dá pelo compartilhamento de elétrons de átomos adjacentes.
 - LIGAÇÃO COVALENTE
O número de ligações covalentes permitida para um determinado átomo é especificada pela quantidade de elétrons de valência. 
Para N’ elétrons de valência, o átomo pode se ligar de maneira covalentemente com no máximo 
(8 – N’) outros átomos.
 Por exemplo, para o átomo de cloro, N’=7 e 8-7=1, o que significa que um átomo de cloro pode se ligar com apenas um átomo, (Cl2).
Ligação Atômica em Sólidos
Ligação Atômica em Sólidos 
 
É possível ter ligações interatômicas que são parcialmente iônicas e parcialmente covalente e poucos compostos exibem ligação iônica pura ou ligação covalente pura.
Para um composto, o grau de cada tipo de ligação depende das posições relativas dos átomos constituintes na tabela periódica. 
O percentual da ligação iônica entre dois elementos A e B (sendo A o mais eletronegativo) pode ser aproximado pela expressão. 
% = {1-exp[-(0,25)(XA – XB )2]} x 100
Ligação Atômica em Sólidos
Ligação Atômica em Sólidos
LIGAÇÃO METÁLICA
É encontrada em metais e suas ligas. Materiais metálicos tem um, dois ou três elétrons de valência sendo estes livres para se mover pela estrutura do material.
A ligação metálica é encontrada para os grupos IA e IIA e para todos outros metais.
-LIGAÇÃO SECUNDÁRIAS
Tanto as ligações de van der Waals como as ligações de hidrogênio são chamadas de ligações secundárias, sendo fracas em comparação as ligações primárias. Elas resultam das forças atrativas entre dipolos elétricos os quais podem ser de dois tipos: induzidos e permanentes. 
No caso das ligações de hidrogênio, moléculas altamente polares se formam quando o hidrogênio se liga de forma covalente a um elemento não metálico, como flúor.
Ligação Atômica em Sólidos
MOLÉCULAS
Muitas das moléculas comuns são compostas por grupos de átomos que estão ligados entre se por meio de ligações covalentes fortes;
Essas incluem moléculas diatômicas elementares (F2, O2, H2, etc), e também uma gama de compostos (H2O, CO2, HNO3, C6H6, CH4, etc.).
Nos estados condensados, líquido e sólido, as ligações entre as moléculas consistem em fracas
ligações secundárias. 
Ligação Atômica em Sólidos
MOLÉCULAS
Consequentemente, os materiais moleculares possuem temperatura de fusão e de ebulição relativamente baixas. 
A maioria que possuem moléculas pequenas composta apenas por uns poucos átomos são gases a temperaturas e pressões ordinárias ou ambientes.
Ligação Atômica em Sólidos
MOLÉCULAS
Por outro lado, muitos dos polímeros modernos, sendo materiais moleculares compostos por moléculas extremamente grandes, existem como sólidos;
Algumas das suas propriedades são fortemente dependentes da presença de ligações secundárias de van der Waals e de hidrogênio.
Ligação Atômica em Sólidos
Video: Introdução aos Materiais
Video: Ligações química