Introducao_e_ligacoes_quimicas

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Introdução e Ligações Químicas 
Profa. Fernanda Ferreira 
2014.1 
UNIPLAC 
Engenharia de Produção 
Ciência dos Materiais 
Introdução 
 Nós sempre utilizamos materiais para as necessidades diárias. 
 Na antiguidade usados para obtenção de utensílios de caça, de 
uso doméstico e para o vestuário. 
 Depois de extraídos da natureza eram utilizados quase que 
diretamente em suas aplicações, com pouco ou quase nenhum 
processamento. 
 Com o passar do tempo o homem foi dominando o 
conhecimento a respeito dos materiais e seu processamento. 
 Atualmente existe uma grande variedade de materiais. 
 Os profissionais da área tecnológica devem conhecer as 
propriedades, características e comportamento dos materiais que 
lhe são disponíveis para a melhor aplicação. 
Introdução 
 A ciência dos materiais faz parte do conhecimento básico 
para todas as engenharias. 
 As propriedades dos materiais definem: 
 o desempenho de um determinado componente e o processo de 
fabricação do mesmo 
 
Propriedades 
dos Materiais 
Microestrutura 
Composição e 
Processo de 
Fabricação 
Engenharias 
Exemplo: 
 Efeito da microestrutura nas propriedades dos materiais. 
 
Lâmpada de vapor de sódio: O gás em alta temperatura 
(1000°C) é mantido dentro de um cilindro de alumina 
translúcida. 
Introdução 
 O número de materiais cresceu muito nas últimas 
décadas: tendência é de aumentar cada vez mais. 
 
 Desenvolvimento e aperfeiçoamento dos métodos de 
extração de materiais naturais; 
 Modificação de materiais naturais; 
 Combinação de materiais conhecidos para a formação 
de novos materiais. 
Quantos Materiais Diferentes Existem? 
Entre 40000 e 80000 diferentes tipos 
de materiais, contando as variantes 
de tratamento térmico e composição 
de cada material. 
 
Como escolher??? 
Como definir qual o melhor material para 
um determinado fim? 
 Vidro 
 Cerâmica 
 Plástico 
 Madeira 
 Metal 
 Papel 
 Custo 
 Tempo de vida ou Durabilidade 
 Aparência 
 Finalidade: Natureza do líquido (ex: copo de metal e papel não pode ser 
usado para café, suco de laranja não pode ser armazenado numa taça 
antiga de peltre (liga de estanho) porque remove o Pb da liga). 
 
Quais os critérios que um engenheiro deve adotar 
para selecionar um material entre tantos outros? 
 1°: deve caracterizar quais as condições de 
operação que será submetido o referido material e 
levantar as propriedades requeridas para tal aplicação, 
saber como esses valores foram determinados e quais 
as limitações e restrições quanto ao uso dos mesmos. 
 2°: a escolha do material - refere-se ao levantamento 
sobre o tipo de degradação que o material sofrerá em 
serviço. 
 Por exemplo, elevadas temperaturas e ambientes 
corrosivos diminuem consideravelmente a resistência 
mecânica. 
Quais os critérios que um engenheiro deve adotar 
para selecionar um material entre tantos outros? 
 Finalmente, a consideração talvez mais convincente é 
provavelmente a econômica: 
 Qual o custo do produto acabado??? 
 Um material pode reunir um conjunto ideal de 
propriedades, porém com custo elevadíssimo. 
Relação entre o tipo de indústria e a influência 
dos Materiais (fator custo) 
INDÚSTRIA DE PONTA PRODUÇÃO EM MASSA 
SELEÇÃO CUIDADOSA 
(FATOR CUSTO SECUNDÁRIO) 
SELEÇÃO CUIDADOSA 
(FATOR CUSTO PRIMORDIAL) 
• Grande exigência 
tecnológica 
• Utilização dos materiais nos 
limites 
• Produtos não diferenciados 
• Utilização de materiais 
abaixo dos limites 
Quais os critérios que um engenheiro deve adotar 
para selecionar um material entre tantos outros? 
 Em raras ocasiões um material reúne uma 
combinação ideal de propriedades 
 muitas vezes é necessário reduzir uma em benefício da outra. 
 Exemplo clássico: resistência e ductilidade 
 geralmente um material de alta resistência apresenta 
ductilidade limitada. 
 Este tipo de circunstância exige que se estabeleça um 
compromisso razoável entre duas ou mais propriedades. 
 
O átomo 
 Por volta de 1805, o cientista inglês John Dalton (1766-1844) 
com base nas leis ponderais, elaborou a seguinte teoria 
atômica: 
 a matéria é constituída de pequenas partículas chamadas 
átomos; 
 o átomo é indivisível e sua massa e seu tamanho são 
característicos para cada elemento químico; 
 os compostos são formados de átomos de diferentes 
elementos químicos. 
 Para Dalton, o átomo era esférico, maciço, indivisível, 
homogêneo e sua massa e seu volume variavam de um 
elemento químico para outro. 
 Baseado em reações químicas e pesagens minuciosas, chegou à 
conclusão de que os átomos realmente existiam e que 
possuíam algumas características: 
 Toda matéria é formada por diminutas partículas esféricas, 
maciças, neutras e indivisíveis chamadas átomos. 
 Existe um número finito de tipos de átomos na natureza 
 A combinação de iguais ou diferentes tipos de átomos originam 
os diferentes materiais. 
 “bola de bilhar”: 
 
Modelo Atômico de Dalton 
Esfera maciça; 
Indivisível; 
Indestrutível; 
Imperecível; 
Sem carga elétrica 
O átomo 
 Em 1811, o italiano Amedeo Avogadro (1776-1856) 
complementou a teoria atômica de Dalton introduzindo o 
conceito de molécula. 
 Em 1897, Sir J.J. Thomson (1856-1940) ao estudar os raios 
catódicos conseguiu desviá-los com um campo eletrostático, e 
determinou a relação da carga com a massa, e/m, para as 
partículas que os constituíam. 
 A partir da comparação do valor obtido para os raios 
catódicos com resultados de experiências similares realizadas 
com íons de hidrogênio pode-se concluir que os raios 
catódicos são constituídos de elétrons. 
O modelo atômico de Thomson 
 Descobriu experimentalmente que o átomo era constituído de 
partículas com carga elétrica positiva, denominadas mais tarde 
de prótons, e de partículas carregadas negativamente, às quais 
ele deu o nome de elétrons. 
 Em 1904: o átomo era uma esfera de eletricidade positiva e no seu 
interior estavam distribuídos os elétrons de carga negativa como as 
“passas dentro de um bolo”. 
 Como a matéria é geralmente eletricamente neutra: número de 
prótons e de elétrons devia ser o mesmo. 
 “pudim de passas”: 
Esfera maciça; 
Divisível; 
Indestrutível; 
Imperecível; 
Com carga elétrica. 
O modelo atômico de Rutherford 
 Ernest Rutherford (1871-1937) trabalhava em 1911 na 
Universidade de Manchester com espalhamento de partículas 
alfa por lâminas finas de diversos materiais. 
 Ele chegou a conclusão que a massa e a carga elétrica positiva 
do átomo estavam concentradas em uma região central muito 
pequena (núcleo), e os elétrons girariam em torno do núcleo, 
atraídos eletricamente e formando a eletrosfera do átomo, à 
semelhança do nosso sistema planetário. 
O modelo atômico de Rutherford 
 
O modelo atômico de Rutherford 
 Observando as cintilações na tela de ZnS, Rutherford 
verificou que muitas partículas "alfa" atravessavam a lâmina de 
ouro, sem sofrerem desvio, e poucas partículas "alfa" sofriam 
desvio. 
 Como as partículas "alfa" têm carga elétrica positiva, o desvio 
seria provocado por um choque com outra carga positiva, isto 
é, com o núcleo do átomo, constituído por prótons. 
 
O modelo atômico de Bohr 
 O jovem físico dinamarquês Niels Henrik David Bohr (1885-
1962) trabalhava em 1913 sob orientação de Rutherford em 
Cambridge. Ele tentava interpretar os espectros de 
absorção da luz observados experimentalmente. 
 A mecânica clássica não conseguia explicar a ocorrênciados 
referidos espectros. Para explicar os resultados obtidos, ele 
estabeleceu postulados que mais tarde seriam obtidos a partir 
da mecânica quântica. 
 As bases da mecânica quântica tinham sido propostas pelo 
físico alemão Max Planck (1858-1947) em 1900 e somente em 
1926 esta teoria estaria praticamente completa. 
O modelo atômico de Bohr 
 A teoria de Bohr fundamenta-se nos seguintes 
postulados: 
 1º postulado: os elétrons de um átomo somente podem 
mover-se em determinadas órbitas circulares ao redor do 
núcleo sem absorverem nem emitirem energia. Estas órbitas 
recebem o nome de níveis eletrônicos. 
O modelo atômico de Bohr 
 2º postulado: Fornecendo energia (elétrica, térmica, etc) 
a um átomo, um ou mais elétrons absorvem e saltam 
para níveis mais afastados do núcleo. Ao voltarem as 
suas órbitas originais, devolvem a energia recebida em 
forma de luz (fenômeno observado, tomando 
como exemplo, uma barra de ferro aquecida ao rubro). 
 A teoria de Bohr foi mais tarde generalizada e modificada 
com base na mecânica quântica. 
K L M N O P Q 
) ) ) ) ) ) ) 
Núcleo Eletrosfera 
O modelo atômico de Sommerfeld 
 O físico alemão Arnold Sommerfeld (1868-1953) propôs, em 
1916, que os elétrons de um mesmo nível não estão 
igualmente distanciados do núcleo porque as trajetórias, 
além de circulares, como propunha Bohr, também podem 
ser elípticas. 
 Nas trajetórias elípticas, o núcleo do átomo se localiza num 
dos focos da elipse. Esses subgrupos de elétrons receberam o 
nome de subníveis e podem ser de até 4 tipos: s, p, d e f. O 
número máximo de elétrons em cada subnível é 2, 6, 10 e 14, 
respectivamente. Surgindo assim o Diagrama de Linus Pauling. 
 
 Com este conceito de átomo, trabalhamos com as ligações 
químicas que levam a formação dos diferentes tipos e classes 
de materiais. 
Ligações Químicas 
 Ligações Interatômicas: 
 Podem ser classificadas quanto à suas 
intensidades em: 
 ligações primárias ou fortes (iônica, covalente e 
metálica) e; 
 ligações secundárias ou fracas (Van der Waals). 
 
Ligações Químicas - Iônicas 
 Ligações Iônicas: 
 A ligação iônica é a única em que ocorre 
transferência definitiva de elétrons. 
 
Direcionalidade e Coordenação nas Ligações 
 Iônica = Não direcional! 
 A força de ligação é igual em todas as direções; 
 Para formar um material 3D é necessário que cada íon de um 
tipo esteja cercado de íons do outro tipo. 
Número de Coordenação (NC) 
Número de vizinhos mais próximos de 
um dado átomo 
Força de Atração 
 Calcule a força de atração entre Na+ e Cl- em uma 
molécula de NaCl: 
 
9
2
21 1098,2 


a
QQK
F
 K (constante de proporcionalidade): 9.109 V.m/C 
 Q1 = Q2 = q.Z (carga do íon) 
 q (carga do elétron): 1,6.10-19 C 
 a (distância entre íons): RNa+ + RCl- = 0,098nm + 0,181nm = 0,278 nm 
Qual a unidade? N 
Qual a Força de 
Repulsão? 
Ligações Químicas - Covalentes 
 Ligações Covalentes: 
 Esse tipo de ligação ocorre quando os átomos 
envolvidos tendem a receber elétrons. Como é 
impossível que todos os átomos recebam elétrons 
sem ceder nenhum, eles compartilham seus 
elétrons, formando pares eletrônicos. 
Ligações Químicas - Covalentes 
 Ligação Covalente: 
 1 par: simples; 
 2 pares: dupla; 
 3 pares: tripla. 
Ligações Químicas - Covalentes 
 Principal responsável pela formação das estruturas 
moleculares dos compostos orgânicos e pelas estruturas 
macromoleculares dos polímeros. 
 No caso dos polímeros, a ligação entre os átomos na cadeia da 
macromolécula é uma ligação covalente muito forte, enquanto 
as ligações intercadeias, que mantém as macromoléculas 
unidas, são ligações secundárias fracas. 
 Alguns compostos cerâmicos, tais como SiC e BN, têm caráter 
covalente predominante. Outro material que tem ligação 
covalente predominante é o diamante (carbono). 
Direcionalidade e Coordenação nas Ligações 
 Covalente = direcional e forma ângulos bem definidos! 
 
 
 
 
 
 
 Grande faixa de energias de ligação → pontos de fusão 
 Energias da ordem de centenas de kJ/mol 
 Ex: Carbono na estrutura do diamante → 3550°C 
 Ex: Bismuto → 270°C 
Direcionalidade e Coordenação nas Ligações 
 Ex. Polímero: Etileno e 
Polietileno 
 Na mólecula de etileno 
(C2H4), os carbonos 
compartilham dois pares de 
elétrons. 
 A ligação covalente dupla 
pode se romper em duas 
simples permitindo a ligação 
com outros “meros” para 
formar uma longa molécula 
de polietileno. 
Ligações Químicas Secundárias 
 A principal causa para a ocorrência de uma ligação do 
tipo Van der Waals é a polarização da molécula, 
existindo pelo menos três modalidades deste tipo de 
ligação: 
 atração entre dipolos permanentes e dipolos induzidos; 
 forças de dispersão (gases nobres); 
 ligação ou “ponte” de hidrogênio (H ligado a FON). 
 Pontos de fusão e ebulição. 
Ligações Química - Metálica 
 Os metais têm um, dois ou no 
máximo três elétrons de valência. 
Estes elétrons não estão ligados a 
um único átomo, mas estão mais ou 
menos livres para se movimentar 
por todo o metal. 
 Os elétrons que não são de valência 
e o núcleo formam um “caroço” 
eletricamente positivo que é 
envolvido por uma “nuvem”, “mar” 
ou ainda “gás” de elétrons. 
 Os elétrons da nuvem atuam como 
uma “cola” mantendo os caroços 
positivos unidos. 
Direcionalidade e Coordenação nas Ligações 
 A ligação metálica é não direcional, semelhante à ligação 
iônica. 
 Na ligação metálica há compartilhamento de elétrons, 
semelhante à ligação covalente. 
 As energias de ligação também são da ordem de 
centenas de kJ/mol. 
Generalidades com base nas ligações 
 Gases Inertes - ligações fracas 
 Metais Alcalinos - ligações de força intermediária 
 Metais de Transição - ligações fortes 
 Elementos Tetravalentes (Si,C) - ligações fortes 
 Compostos Iônicos - ligações muito fortes 
 
Propriedades Fatores 
Densidade Peso Atômico, raio atômico, empacotamento 
Rigidez Forças Interatômicas 
Expansão Térmica Força da ligação e Tf 
Condutividade Movimento dos elétrons livres 
Classificação dos Materiais 
 A classificação tradicional dos materiais é geralmente 
baseada na estrutura atômica e química destes. 
 
 Metais 
 Cerâmicas 
 Polímeros 
 Compósitos 
 Semicondutores 
 Biomateriais (Mat. Biocompatíveis) 
Classificação tradicional 
Classificação dos Materiais 
 Metais  Materiais metálicos são geralmente 
uma combinação de elementos 
metálicos. 
 Os elétrons não estão ligados a 
nenhum átomo em particular e por 
isso são bons condutores de calor e 
eletricidade 
 Não são transparentes à luz visível 
 Têm aparência lustrosa quando polidos 
 Geralmente são resistentes e 
deformáveis 
 São muito utilizados para aplicações 
estruturais 
Onde se localizam os elementos que formam 
os materiais Metálicos na Tabela Periódica? 
Os elementos que formam os Metais na 
Tabela Periódica 
Classificação dos Materiais 
 Cerâmicas  Materiais cerâmicos são geralmente 
uma combinação de elementos 
metálicos e não-metálicos. 
 Geralmente são óxidos, nitretos e 
carbetos 
 São geralmente isolantes de calor e 
eletricidade 
 São mais resistêntes à altas 
temperaturas e à ambientes severos 
que metais e polímeros 
 Com relação às propriedades 
mecânicas as cerâmicas são duras, 
porém frágeis 
 Em geral são leves. 
ALUMINA
Onde se localizam os elementos que formam 
materiais Cerâmicos na TabelaPeriódica? 
Os elementos que formam materiais 
Cerâmicos na Tabela Periódica 
Classificação dos Materiais 
 Polímeros  Materiais poliméricos são geralmente 
compostos orgânicos baseados em 
carbono, hidrogênio e outros 
elementos não-metálicos. 
 São constituídos de moléculas muito 
grandes (macro-moléculas) 
 Tipicamente, esses materiais 
apresentam baixa densidade e podem 
ser extremamente flexíveis 
 Materiais poliméricos incluem plásticos 
e borrachas 
Onde se localizam os elementos que formam 
materiais Poliméricos na Tabela Periódica? 
Os elementos que formam materiais 
Poliméricos na Tabela Periódica 
Classificação dos Materiais 
 Compósitos  Materiais compósitos são constituídos 
de mais de um tipo de material 
insolúveis entre si. 
 Os compósitos são “desenhados” para 
apresentarem a combinação das 
melhores características de cada 
material constituinte 
 Muitos dos recentes desenvolvimento 
em materiais envolvem materiais 
compósitos 
 Um exemplo classico é o compósito 
de matriz polimérica com fibra de 
vidro. O material compósito apresenta 
a resistência da fibra de vidro 
associado a flexibilidade do polímero 
Classificação dos Materiais 
 Semi-condutores  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 (para 
formar as junções p-n) 
 Os semicondutores tornaram possível 
o advento do circuito integrado que 
revolucionou as indústrias de 
eletrônica e computadores 
 Ex: Si, Ge, GaAs, InSb, GaN, CdTe. 
Classificação dos Materiais 
 Biomateriais  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. 
Materiais Avançados 
 Utilizados em aplicações de tecnologia de ponta: são materias 
utilizados para a fabricação de dispositivos ou componentes 
que funcionam ou operam usando princípios sofiscados. 
 Ex.: equipamentos eletrônicos (CD players, DVDs), 
computadores, sistemas de fibra óptica, foguetes e mísseis 
militares, detectores, lasers, displays de cristal líquido, 
indústria aeroespacial, etc. 
 São materiais geralmente tradicionais cujas 
propriedades são otimizadas ou materiais novos de 
alto desempenho. 
Considerações sobre a necessidade de 
materiais modernos 
 Materias que apresentem: 
 Alto desempenho; 
 Baixo peso e alta resistência; 
 Resistência à altas temperaturas; 
 Desenvolvimento de materiais que sejam menos 
danosos ao meio ambiente e mais fáceis de serem 
reciclados ou regenerados. 
Resumindo 
Cerâmicas 
(Iônica e covalente) 
Alta Energia de ligação 
Alta Tf 
Metais 
Ligação Metálica 
Energia de ligação variável 
moderada Tf 
Polímeros 
(Covalente e Secundaria) 
Ligações Secundárias dominam 
baixa Tf 
Ligações Química 
 Exercícios: