FCEM Aula 2 2018

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R i d A lRoteiro da Aula
 Aulas;
 Critérios de Avaliação;Critérios de Avaliação;
 Bibliografia;
 Perspectiva; Perspectiva;
 Definições;
l f d Classificação dos Materiais;
 Materiais Avançados;
 Atividade.
I â iImportância
Por que estudar a estrutura atômica e ligação 
interatômica?
I â iImportância
Por que estudar a estrutura atômica e ligação 
interatômica?
C i F d iConceitos Fundamentais
Estrutura Atômica: 
ÁTOMO: Unidade básica da estrutura 
interna de qualquer material.
• Núcleo contendo Prótons e Nêutrons;
• Elétrons “girando” em volta do núcleo em orbitais discretos.
R á i   l  li ã   tô i• Responsáveis pela ligação atômica
C i F d iConceitos Fundamentais
 Cada átomo é composto por:Estrutura Atômica:   Cada átomo é composto por: Núcleo  prótons e nêutrons.
 Elétrons, que circundam o núcleo.
l d Elétrons e prótons são carregados 
eletricamente.
 Elétrons tem carga negativa; Prótons tem carga 
i i  Nê      positiva; Nêutrons não tem carga.
 A magnitude da carga do próton e do elétron é 
1,602 x 10‐19C.
A       i   As massas são muito pequenas:
 Prótons e nêutrons possuem massas quase 
iguais e que valem respectivamente 1,673 x 10‐
27k     6     27k27kg e 1,675 x 10‐27kg.
 Elétrons tem massa igual a 9,1095 x 10‐31kg.
 Cada elemento é caracterizado:
 Pelo seu número atômico número de prótons dentro do núcleo.
 Pela sua massa atômica soma do número de prótons e do número de 
nêutrons dentro do núcleo.
C i F d iConceitos Fundamentais
Estrutura Atômica: 
•MASSA ATÔMICA(A):soma das ( )
massas de prótons e nêutrons no 
interior do núcleo;
• Isótopos: átomos com duas ou 
mais massas atômicas diferentes;
• PESO ATÔMICO:média ponderada 
das massas atômicas dos isótopos;
• NÚMERO ATÔMICO(Z): número 
de prótons no núcleo do elemento 
químico.
C i F d iConceitos Fundamentais
• No final do século XIX inúmeros fenômenos associados 
aos elétrons não podiam ser explicados em termos da 
â i   imecânica newtoniana.
• Então, foram estabelecidos uma série de princípios e leis 
d d bque governam as entidades atômicas e subatômicas, 
conhecidas como mecânica quântica.
• O modelo atômico de Bohr foi um dos precursores da 
mecânica quântica.
Niels Bohr (1885 –1962)
M d l A ô i d B hModelo Atômico de Bohr
 Posição de cada elétron em 
particular é mais ou menos bem 
definida em termos do seu orbital.
Elétron em 
orbital
 Energias dos elétrons são 
quantizadas mudança de 
orbital é possível, com absorção 
Núcleo
p , ç
(maior energia) ou emissão 
(menor energia) de energia.
 Estados adjacentes são separados Estados adjacentes são separados 
por energias finitas.
 O modelo de Bohr apresenta 
limitações significativas  não limitações significativas, não 
servindo para explicar vários 
fenômenos envolvendo os 
elétrons.elétrons.
Modelo de Bohr
M d l M â i O d l ó iModelo Mecânico‐Ondulatório
 A  d fi iê i  d   d l  d   As deficiências do modelo de 
Bohr foram supridas pelo 
modelo atômico da Mecânica 
a
 
(
J
)
a
(
e
V
)
Quântica.
 Nesse modelo, o elétron 
apresenta características tanto 
E
n
e
r
g
i
a
E
n
e
r
g
i
a
p
de onda, quanto de partícula.
 O elétron não é mais tratado 
como uma partícula que se como uma partícula que se 
movimenta num orbital 
discreto.
 A posição do elétron passa a ser 
considerada como a 
probabilidade deste ser 
Modelo de Bohr Modelo Mecânico‐
Ondulatório
p
encontrado em uma região 
próxima do núcleo.
 Comparação entre as 
e
p ç
distribuições eletrônicas:
o
b
a
b
i
l
i
d
a
d
e
Modelo 
de Bohr
 Segundo o modelo 
atômico de Bohr
 Segundo o modelo 
P
r
 Segundo o modelo 
mecânico‐ondulatório 
(mecânica quântica)
Distância do 
núcleo Modelo 
Quântico
Elétron em órbita
Nú Q â iNúmeros Quânticos
NÚMEROS QUÂNTICOS: parâmetros para caracterização do 
átomo utilizando a mecânica ondulatória.
• Número quântico principal, n – especificação de camadas. Número quântico principal, n especificação de camadas. 
Assume números inteiros a partir da unidade, algumas vezes 
associados a letras maiúsculas K, L, M, N, O, P, ... ou n = 1, 2, 3, 
4, 5, 6, ... . Este número está associado ao modelo de Bohr que 
está relacionado a distância de um elétron a partir do núcleo.
• Número quântico secundário, l– Significa subcamada; sendo 
identificado pelas letras minúsculas s, p, d e f . Ele está 
i d    f  d   b d   l t ô i  associado a forma da subcamada eletrônica. 
Nú Q â iNúmeros Quânticos
Número de estados eletrônicos disponíveis em Número de estados eletrônicos disponíveis em 
algumas camadas e subcamadas eletrônicas:
Nú Q â iNúmeros Quânticos
C fi õ El ô iConfigurações Eletrônicas
 Elétrons de Valência
 São aqueles que ocupam a q q p
camada eletrônica mais externa. 
Esses elétrons participam da 
ligação entre os átomos para g ç p
formar os agregados atômicos e 
moleculares.
 Configurações Eletrônicas 
Estáveis
 As camadas eletrônicas mais 
externas estão completamente 
preenchidas, como para os gases 
i       b  (H  A  inertes ou gases nobres (He, Ar, 
Ne, Xe, etc.) Elétron de valência do sódio
T b l P iódiTabela Periódica
Os elementos químicos são classificados de acordo com a 
sua configuração eletrônica.
Posicionamento: ordem crescente de número atômico(Z), 
em sete fileiras horizontais chamadas períodosem sete fileiras horizontais chamadas períodos.
Cada coluna ou grupo possui estruturas semelhantes dos 
elétrons de valência, como propriedades físicas e 
químicas semelhantesquímicas semelhantes.
Os elementos químicos são 
l ifi d d dT b l P iódi classificados de acordo com a sua configuração eletrônicaTabela Periódica
...para saber mais : http://www.webelements.com/
T b l P iódiTabela Periódica
 Elementos Eletropositivos: tendem a ceder seus poucos elétrons de valência 
tornado se cátions;tornado‐se cátions;
 Elementos Eletronegativos:tendem a receber elétrons (grande quantidade de 
elétrons na camada de valência) tornado‐se ânions.
Ti d Li õTipos de Ligações
Ligações Primárias:
• IônicaIônica
• Covalente
M áli•Metálica
Li õ  S dá iLigações Secundárias:
• Van der Waals
Os elétrons de valência dos átomos 
é o que determina o tipo de ligação!
Li ã Iô iLigação Iônica
O sódio (Na) transfere um elétron para o cloro O sódio (Na) transfere um elétron para o cloro 
(Cl) formando íons Na+ e Cl‐com estruturas 
eletrônicas estáveis.
Li ã Iô iLigação Iônica Li ã C lLigação Covalente
Ex: molécula do metano 
(CH4)
Li ã C lLigação Covalente d ô lConsiderações Iônica X Covalente
Poucos compostos exibem ligação iônica e covalente puras. A 
maioria das ligações iônicas possuem um certo grau de ligação 
covalente e vice–versa (transferem e compartilham elétrons);covalente e vice–versa (transferem e compartilham elétrons);
O grau do tipo de ligação depende da eletronegatividade dos O grau do tipo de ligação depende da eletronegatividade dos 
átomos constituintes:
‐ Quanto maior a diferença nas eletronegatividades mais 
iônica é a ligação;
‐ Quanto menor a diferença nas eletronegatividades mais Quanto menor a diferença nas eletronegatividades mais 
covalente é a ligação.
Li ã M áliLigação Metálica Li ã M áliLigação Metálica
Li õ S dá iLigações Secundárias Li õ S dá iLigações Secundárias
Ti d Li õTipos de Ligações
Energias de Ligação e Temperaturas de Fusão para Várias 
Substâncias
A i id dAtividade
A lagartixa 
pode 
sustentar a 
massa de seu 
Qual o 
segredo dessa massa de seu 
corpo com 
um único 
g
habilidade 
marcante?
dedo!
A i id dAtividade Ti d Li õTipos de Ligações 
Caráter da ligação atômica 
para as quatro classesde 
materiais de engenhariamateriais de engenharia
T t d t t ib i ã l ti d dif tTetraedro que representa a contribuição relativa dos diferentes 
tipos de ligação para categorias de Materiais de Engenharia 
(metais, cerâmicas e polímeros)
Ti d Li õTipos de Ligações 
Caráter da ligação atômica 
para as quatro classes de 
materiais de engenhariamateriais de engenharia
T t d t t ib i ã l ti d dif tTetraedro que representa a contribuição relativa dos diferentes 
tipos de ligação para categorias de Materiais de Engenharia 
(metais, cerâmicas e polímeros)
F E i d Li ã
Q d  d i  á     i   l      f      
Forças e Energia de Ligação
Quando dois átomos se aproximam, eles exercem uma força um no 
outro:
RAN FFF  RAN
onde: 
FA  força de atração
F  força de repulsãoFR  força de repulsão
FN  força resultante
A magnitude de cada uma das forças é função 
da separação ou distância interatômica; p ç ;
A origem de uma força atrativa depende do 
tipo de ligação que existe entre os átomos.
F d Li ãForças de Ligação E i d Li ãEnergia de Ligação
E i d Li ãEnergia de Ligação
A magnitude dessa energia de ligação e a forma da curva da 
energia em função da distância interatômica variam de g ç
material para material e ambas dependem do tipo de ligação.
Além disso, inúmeras propriedades dos materiais dependem 
do valor de E0,da forma da curva e do tipo de ligação.0, p g ç
Por exemplo, o coeficiente de expansão térmica de um 
material está relacionado com a forma da curva.
E i d Li ãEnergia de Ligação
Relação entre algumas propriedades e 
Força atrativa FA
ç g p p
as curvas de Força e Energia de Ligação
• Propriedades Mecânicas
– Em escala atômica, a DEFORMAÇÃO
ELÁSTICA é manifestada como umaSeparação interatômica rç a
 
F
A
t
r
a
ç
ã
o
ELÁSTICA é manifestada como uma
pequena alteração na distância
interatômica e na energia da ligação.
Força repulsiva FR
Força líquida FL
F
o
r
ç
R
e
p
u
l
s
ã
o
– A profundidade do poço de potencial
é uma medida da energia de ligação;
quanto maior for sua profundidade,
i á i d li ãmaior será a energia de ligação e,
portanto, também maior será a
resistência à deformação elástica (
RIGIDEZ )Separação interatômica r
Energia repulsiva ER
i
a
l
 
E
A
t
r
a
ç
ã
o
RIGIDEZ ).
– O MÓDULO DE ELASTICIDADE é uma
medida da rigidez de um material.
Separação interatômica r
Energia líquida EL
E
n
e
r
g
i
a
 
P
o
t
e
n
c
i
A
u
l
s
ã
o
Energia atrativa EA
E
R
e
p
u
Relação entre algumas propriedades e ç g p p
as curvas de Força e Energia de Ligação
Módulo de 
Elasticidade Elasticidade 
• O módulo de elasticidade pode 
ser associado à derivada da 
curva F(r) no ponto r = r0; 
quanto maior for o valor da 
derivada, maior será o módulo 
d l ti id d
r0
r0
r0 = ponto onde forças 
Obs.: o módulo de elasticidade
é uma propriedade mecânica
que será estudada em detalhe
de elasticidade.
• O material a apresenta maior 
rigidez do que o material b.
de atração e repulsão 
são iguais
que será estudada em detalhe
mais à frente no curso
Relação entre algumas propriedades e 
Coeficiente
ç g p p
as curvas de Força e Energia de Ligação
Coeficiente 
de
Expansão
TérmicaTérmica
• Um “poço” profundo profundo e 
estreito (elevadas energias de 
ligação) está relacionado a um 
baixo coeficiente de expansão 
térmica.
Obs : IAE = interatomic energyObs.: IAE = interatomic energy
Relação entre algumas propriedades e 
Força atrativa FA
ç g p p
as curvas de Força e Energia de Ligação
Pontos de fusão 
 d   b li ã  r ç
a
 
F
A
t
r
a
ç
ã
o
 Materiais que apresentam grandes 
e de ebulição Força repulsiva FR
Força líquida FL
F
o
r
R
e
p
u
l
s
ã
o
 Materiais que apresentam grandes 
energias de ligação (ou seja, poços 
de potencial profundos) também 
apresentam temperaturas de fusão e apresentam temperaturas de fusão e 
de ebulição elevadas.Energia repulsiva ER
n
c
i
a
l
 
E
A
t
r
a
ç
ã
o
Energia líquida EL
E
n
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g
i
a
 
P
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t
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n
A
p
u
l
s
ã
o
Energia atrativa EA
R
e
p
Classificação dos Materiaisç
Os materiais podem ser p
classificados de diversas 
formas.
Metálicos 
Uma classificação muito 
utilizada, é baseada na 
composição:
M áli
 Cerâmicos
 Metálicos
 Cerâmicos
l Poliméricos
 Compósitos
Poliméricos 
Cl ifi ã d M t i iClassificação dos Materiais
Cl ifi ã d M t i iClassificação dos Materiais Cl ifi ã d M t i iClassificação dos Materiais
Os metais na tabela periódica
Cl ifi ã d M t i iClassificação dos Materiais Cl ifi ã d M t i iClassificação dos Materiais
Cl ifi ã d M t i iClassificação dos Materiais
Os cerâmicos na tabela periódica
Os cerâmicos são constituídos de metais e não‐metais.
Cl ifi ã d M t i iClassificação dos Materiais
Cl ifi ã d M t i iClassificação dos Materiais Cl ifi ã d M t i iClassificação dos Materiais
Os polímeros na tabela periódica
Cl ifi ã d M t i iClassificação dos Materiais Cl ifi ã d M t i iClassificação dos Materiais
Cl ifi ã d M t i iClassificação dos Materiais
Gráfico dos valores de Massa Específica à temperatura Gráfico dos valores de Massa Específica à temperatura 
ambiente para vários materiais
Cl ifi ã d M t i iClassificação dos Materiais
Gráfico dos valores de Rigidez (Módulo de Elasticidade) à Gráfico dos valores de Rigidez (Módulo de Elasticidade) à 
temperatura ambiente para vários materiais:
Cl ifi ã d M t i iClassificação dos Materiais
Gráfico dos valores de Resistência à Tração à temperatura Gráfico dos valores de Resistência à Tração à temperatura 
ambiente para vários materiais:
Cl ifi ã d M t i iClassificação dos Materiais
Gráfico dos valores de Resistência à Fratura (Tenacidade à Gráfico dos valores de Resistência à Fratura (Tenacidade à 
Fratura) à temperatura ambiente para vários materiais:
Cl ifi ã d M t i iClassificação dos Materiais
Gráfico dos valores de Condutividade Elétrica à Gráfico dos valores de Condutividade Elétrica à 
temperatura ambiente para vários materiais:
Cl ifi ã d M t i iClassificação dos Materiais
Propriedades gerais das diversas classes 
de materiais:
M t i i A dMateriais Avançados M t i i A dMateriais Avançados
M t i i A dMateriais Avançados M t i i A dMateriais Avançados
M t i i A dMateriais Avançados
Resumo
 As propriedades dos materiais dependem da sua composição e  As propriedades dos materiais dependem da sua composição e 
estrutura
 Os elementos químicos combinam‐se formando sólidos cuja coesão 
depende de diferentes tipos de ligações primária e secundária.
 As ligações primárias são fortes e, dependendo do tipo de 
compartilhamento eletrônico, dividem‐se em três tipos principais compartilhamento eletrônico, dividem se em três tipos principais 
: iônica, metálica e covalente
 As ligações secundárias referem‐se a ligações intermoleculares e 
ã   l ifi d    f  d    d  W l    i t õ  di l  são classificadas em: forças de van de Waals ou interações dipolares 
(induzidos e permanentes) e ligações de hidrogênio.
 Nos metais as curvas de força e energia interatômica refletem a sua ç g
rigidez mecânica e expansão térmica.
 Nas cerâmicas estão presentes as ligações iônicas com característica 
covalente direcionalcovalente direcional.
 Nos polímeros, as ligações covalentes direcionais predominam na 
cadeia e as ligações secundárias intermoleculares e o embaraçamento 
d  l   d i  d       óliddas longas cadeias dão coesão ao sólido.
 Capítulos do Callister (7ª ed., 2008) tratados nesta aula Capítulo 1, completo : Introdução 
 Capítulo 2, completo : Estrutura atômica e ligações químicas
 Item 6.3, Deformação elástica: Considerações a respeito do módulo de 
elasticidade em relação à energia de ligação
 Item 19.3, Expansão térmica: Considerações a respeito do coeficiente 
de expansão térmica
 Outras referências importantes
 Shackelford, J. F. – Ciência dos Materiais, 6ª ed., 2008. Cap. 1 a 2.
 Van Vlack  L   Princípios de Ciência dos Materiais  3a ed  Cap  2 Van Vlack , L. ‐ Princípios de Ciência dos Materiais, 3a ed., Cap. 2.
 Padilha, A.F. – Materiais de Engenharia. Hemus. São Paulo. 1997. Caps.1 a 3.
 Askeland, D.R. e Phulé, P.P. ‐ The Science and Engineering of Materials. 
Thomson Brooks/Cole  4a edição  2003  Caps  1 e 2Thomson Brooks/Cole. 4 edição. 2003. Caps. 1 e 2.