APOSTILA DE MATERIAIS DE CONSTRUÇÃO - ESTRUTURA ATOMICA

Prévia do material em texto

Apostila de Materiais de Construção – PARTE 1
Profa. Esp. Amanda Sampaio
INTRODUÇÃO
Nossa civilização entrou em uma nova era de materiais. Como está fartamente documentado em vários relatórios governamentais e acadêmicos, as sociedades avançadas em todo o mundo rapidamente adquirem habilidades sem precedentes no sentido de criar materiais projetados para satisfazer necessidades humanas. Em todo país, a qualidade de vida e segurança econômica e militar dependem cada vez mais da capacidade de sintetizar e processar materiais, de descobrir novos e de integrá-los em tecnologias de manufatura economicamente eficientes e ecologicamente seguras. Na verdade, sem os novos materiais e sua produção eficiente, não existiria o nosso mundo de equipamentos modernos, máquinas, computadores, automóveis, aeronaves, aparelhos de comunicação e produtos estruturais. Cientistas e engenheiros de materiais continuarão a estar na dianteira dessas e de outras áreas de ciência e engenharia a serviço da sociedade, à medida que conquistem novos níveis de entendimento e controle sobre os blocos básicos que compõem os materiais: átomos, moléculas, cristais e arranjos não-cristalinos.
ATOMOS E LIGAÇÕES QUÍMICAS
Diversas propriedades dos materiais dependem do arranjo de seus átomos e das ligações entres os mesmos. Os átomos são formados por um pequeno núcleo constituído por prótons e neutrons, envolvidos por elétrons em movimento. Elétrons e prótons são eletricamente ativos, sendo o primeiro negativamente e o segundo positivamente e o neutron é eletricamente neutro. Cada elemento químico é caracterizado por um número de prótons, chamado número atômico.
Por que os átomos formam ligações? Átomos ligados são termodinamicamente mais estáveis e exibem diminuição da energia potencial. Átomos se ligam por perda de elétrons: ficando eletropositivos ou por ganho de elétrons: ficando eletronegativos. Existem três tipos de ligação primária: iônica, covalente e metálica.
Na ligação iônica, um ou mais elétrons são transferidos de um átomo menos “ávido por elétrons” (eletropositivo) para outro sedento por elétrons (eletronegativo). A força de ligação existe, pois um ao ceder e o outro ao receber elétrons ficaram eletricamente desbalanceados. O que recebeu o elétron ficou negativo e o que cedeu ficou positivo. A ligação ocorre devido à atração do íon negativo e do positivo.
Na ligação covalente, um ou mais elétrons são compartilhados entre dois átomos, gerando uma força de atração entre aqueles que participam da ligação. Este compartilhamento é muito comum nas moléculas orgânicas. 
A ligação metálica ocorre da seguinte forma: átomos com 1, 2 ou no máximo 3 elétrons na última camada (de valência) possuem possibilidade de se movimentar livremente quando juntos com outros átomos com as mesmas características. Os elétrons que não são de valência permanecem presos ao átomo. Estes elétrons presos mais ao núcleo formam um “caroço” eletricamente positivo que é envolvido por uma nuvem de elétrons. Os elétrons da nuvem atuam como uma “cola” mantendo os caroços positivos unidos
MATERIAIS SÓLIDOS
 Em função da natureza das ligações atômicas, os materiais sólidos exibem três tipos de arranjos atômicos: 
Estrutura Cristalina 
Sólidos Metálicos - Ex.: Au, Pb, Cu.
Sólidos Iônicos - Ex.: NaCl, MgO
Sólidos Covalentes - Ex.: Diamante, Si 
Estrutura Amorfa:
Materiais Cerâmicos - Ex.: vidro
Materiais Poliméricos - Ex.: cadeias complexas
Materiais Metálicos Solidificados Rapidamente - Ex.: ligas complexas
Estrutura Molecular: 
Materiais Poliméricos - Ex.: polietileno, borracha natural
Principais diferenças entre estados cristalinos e amorfos:
Cristalinos: Compostos por átomos, moléculas ou íons arranjados de uma forma periódica em três dimensões. As posições ocupadas seguem uma ordenação que se repete para grandes distâncias atômicas (de longo alcance). Ex: ferro.
Amorfos: compostos por átomos, moléculas ou íons que não apresentam uma ordenação de longo alcance. Podem apresentar ordenação de curto alcance. Ex: vidro.
A estrutura cristalina é caracterizada quando existe uma organização na disposição espacial dos átomos que constituem determinado arranjo atômico. Há uma regularidade estrutural, com a repetição, nas três dimensões, de uma unidade básica, chamada de célula unitária. A célula unitária é escolhida para representar a simetria da estrutura cristalina.
As estruturas cristalinas apresentam como característica básica, arranjos cristalinos muito bem definidos, entretanto os cristais na prática nunca são totalmente perfeitos, exibindo defeitos de diversas naturezas. Tais imperfeições afetam diretamente várias características dos materiais, tais como, os parâmetros envolvidos na deformação plástica, na condutividade elétrica de semi-condutores, na corrosão em metais e em processos de difusão atômica. As imperfeições presentes em estruturas cristalinas podem ser de três tipos básicos: defeitos pontuais, defeitos em linha e defeitos de superfície.
Defeito Pontual
Defeitos cristalinos pontuais podem ser identificados por átomos vazios ou por um átomo intersticial.
Os vazios (ou lacunas) ocorrem quando a posição de um átomo na rede cristalina não está ocupada. No caso da analogia com a caixa de ovos, seria o mesmo que se estivesse faltando um ovo na caixa. A quantidade de vazios (lacunas) presente na rede cristalina aumenta com a temperatura, pois os átomos oscilam mais violentamente e é provável que saltem para outro local ou em direção à superfície.
Já os átomos intersticiais ocorrem quando um átomo não está em sua posição correta, havendo um átomo a mais na rede cristalina. Este átomo acaba “empurrando” os átomos vizinhos produzindo uma certa distorção na rede. Este defeito também é considerado um defeito pontual. Este tipo de defeito interfere muito pouco nas propriedades mecânicas dos materiais.
Defeitos lineares
Os cristais podem apresentar defeitos alinhados e contínuos em sua estrutura, dando origem às imperfeições de linha. Os defeitos de linha, também chamados de discordâncias são defeitos que causam a distorção da rede cristalina em torno de uma linha e caracterizam-se por envolver um plano extra de átomos. Estas imperfeições podem ser produzidas durante a solidificação, na deformação plástica de sólidos cristalinos ou ainda como resultado da concentração de vacâncias (linhas). As discordâncias estão associadas com a cristalização e a deformação (origem: térmica, mecânica e supersaturação de defeitos pontuais). A presença deste defeito é a responsável pela deformação, falha e ruptura dos materiais. 
 
Defeito de superfície ou defeito Planar
Os cristais também apresentam defeitos que se estendem ao longo de sua estrutura, formando superfícies e denominados de imperfeições de superfície. Esse tipo de imperfeição cristalina pode ser de três tipos: superfícies livres (quando os átomos superficiais possuem vizinhos apenas de um lado, tem maior energia e assim, estão ligados aos átomos internos mais fragilmente), contorno de grãos (quando átomos tem interligação frágil, assim fica fácil de “arrancar” os átomos da estrutura cristalina) e maclas (ocorre quando parte da rede cristalina é deformada, de modo que a mesma forme uma imagem especular da parte não deformada). Esse defeito reflete diretamente na resistência mecânica do material.
 CONTORNO DE GRÃO			MACLA