CMA Aula 01

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Ciência dos Materiais
Profª: Pricyla Corrêa
FACULDADE MERIDIONAL / IMED
 ESCOLA DE ENGENHARIA CIVIL 
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Livro Texto Adotado
CALLISTER JR., William D. Ciência e Engenharia de Materiais: uma introdução. Livros Técnicos e Científicos. Ed. SA 5ªEd. Rio de Janeiro, 2003. 
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Introdução
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Perspectiva Histórica
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Perspectiva Histórica
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Ciência dos Materiais
 Estrutura ↔ Propriedade
Mecânica
Elétrica
Térmica
Magnética
Ótica
Deteriorativa
 
Elementos
Tipos de ligações
Arranjo dos componentes
 
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Engenharia de Materiais
 Processamento ↔ Desempenho
 Conjunto predeterminado de 
 propriedades.
 
Projeto
 (ou engenharia) da estrutura de um material.
 
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Ciência e Engenharia de Materiais
 Desempenho
 Propriedades
 Estrutura
 Processamento 
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Ciência e Engenharia de Materiais
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Ciência e Engenharia de Materiais
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Por que estudar Ciência e Engenharia de Materiais?
Seleção do material correto dentre muitos disponíveis.
1º: as condições de serviço devem ser caracterizadas;
2º: qualquer deterioração das propriedades do material que possa ocorrer durante operação em serviço
3º: fatores econômicos.
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Classificação dos Materiais
 Metais
 Cerâmicos
 Polímeos
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Classificação dos Materiais
 Metais
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Classificação dos Materiais
 Metais
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Classificação dos Materiais
Bons condutores de eletricidade e calor;
Resistentes;
Deformáveis.
 
Combinação de elementos metálicos;
Ligação metálica;
Grande número de elétrons livres.
 
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 Metais
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Classificação dos Materiais
 Cerâmicas
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Classificação dos Materiais
 Cerâmicos
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Classificação dos Materiais
Isolantes elétricos e térmicos;
Resistentes à altas temperaturas;
Duros;
Frágeis.
 
Elementos metálicos e não metálicos;
Ligação iônica e covalente.
 
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 Cerâmicas
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Classificação dos Materiais
 Polímeros
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Classificação dos Materiais
 Poliméricos
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Classificação dos Materiais
Baixa condutividade elétrica e térmica;
Baixa densidade;
Resistentes à corrosão.
 
Compostos orgânicos à base de C e H;
Grandes moléculas;
Ligações covalentes e secundárias.
 
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 Polímeros
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Classificação dos Materiais
 Compósitos
 Semicondutores
 Biomateriais
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Classificação dos Materiais
 Metais
 Cerâmicas
 Polímeros
 Compósitos
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Classificação dos Materiais
Ex: Fibra de vidro, adquire a resistência do vidro e a flexibilidade do polímero.
 
Melhores características de cada material que o compõe.
 
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 Compósitos
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Classificação dos Materiais
Ex: Circuitos integrados, componentes eletrônicos, computadores.
 
Propriedades elétricas intermediárias em relação ao condutores elétricos e isolantes.
 
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 Semicondutores
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Classificação dos Materiais
Biocompatíveis, não citotóxicos.
 
Empregados em componentes implantados no interior do corpo humano para a substituição de partes doentes.
 
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 Biomateriais
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Classificação dos Materiais
Materiais usados em lasers, circuitos integrados, LCDs, fibras óticas, materiais para aeronáutica.
 
Utilizados em aplicações de alta tecnologia.
 
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 Materiais Avançados
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Classificação dos Materiais
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Necessidade dos Materiais Modernos
Materiais mais sofisticados e especializados;
Considerações em relação ao impacto ambiental da produção dos materiais, fontes de energia nova e econômica;
Energia nuclear: Combustíveis, Estruturas de contenção e instalações para deposição dos rejeitos radioativos;
Transporte: Redução do peso, novos materiais de alta resistência e baixa densidade, resistentes à temperaturas elevadas;
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Estrutura Atômica e Ligação Interatômica
Por que estudar?
O arranjo geométrico e o tipo de ligação nos permite explicar as propriedades dos materiais.
Considere, por exemplo, o Carbono, que pode existir tanto na forma de grafite como na de diamante.
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Estrutura Atômica – Conceitos Fundamentais
Cada átomo consiste num núcleo muito pequeno composto de prótons e nêutrons, que é circundado por elétrons em movimento.
Elétrons e prótons são carregados eletricamente com carga de magnitude 1,6 x 10-29 C. Os nêutrons são eletricamente neutros.
Prótons e nêutrons possuem praticamente a mesma massa de 1,67 x 10-27 kg. Um elétron tem massa de 9,11 x 10-31 kg.
Cada elemento químico é caracterizado pelo número de prótons em seu núcleo, ou o seu número atômico (Z). Para um átomo eletricamente neutro, o número atômico é também igual ao seu número de elétrons. 
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Elétrons nos Átomos – Modelos Atômicos
Representação esquemática do átomo de Bohr.
Comparação entre os modelos de Bohr e mecânico ondulatório em termos da distribuição eletrônica.
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Elétrons nos Átomos – Números Quânticos
Representação esquemática para das várias energias relativas dos elétrons. 
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Tabela Periódica
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Ligação Atômica nos Sólidos
A compreensão de muitas das propriedades físicas dos materiais está baseada no conhecimento das forças interatômicas que unem os átomos.
Três tipos de ligações primárias (ou química) são encontradas nos sólidos: Iônica, Covalente e Metálica.
Para cada tipo a ligação necessariamente envolve os elétrons de valência.
A natureza da ligação depende da estrutura eletrônica dos átomos constituintes.
Cada uma dessas três ligações se origina da tendência dos átomos para adquirir estruturas eletrônicas estáveis.
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Ligações Interatômicas Primárias – Ligação Iônica
Encontrada entre elementos metálicos e não-metálicos.
Átomos de um elemento metálico perdem facilmente seus elétrons de valência para os elementos não-metálicos.
Nesse processo
todos os átomos adquirem configurações estáveis (ou de gás inerte), e uma carga elétrica, tornando-se íons.
Exemplo: NaCl.
O Na perde seu único elétron de valência para o átomo de Cl. No NaCl, todo Na e todo Cl existem como íons.
As forças de ligação atrativas são de Coulomb: íons + e – atraem uns aos outros.
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Ligações Interatômicas Primárias – Ligação Iônica
A ligação iônica é não-direcional: a magnitude da ligação é igual em todas as direções ao redor do íon.
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Ligações Interatômicas Primárias – Ligação Iônica
A ligação iônica é predominante em materiais cerâmicos.
As energias de ligação são relativamente altas o que é refletido na forma de que materiais com esse tipo de ligação possuem elevado ponto de fusão.
Os materiais iônicos são, por característica, duros e quebradiços, isolantes elétricos e térmicos.
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Ligações Interatômicas Primárias – Ligação Iônica
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Ligações Interatômicas Primárias – Ligação Covalente
Nas ligações covalentes as configurações eletrônicas estáveis são adquiridas pelo compartilhamento de elétrons entre átomos adjacentes.
Dois átomos ligados covalentemente irão cada um contribuir com pelo menos um elétron para a ligação, e os elétrons compartilhados podem ser considerados como pertencentes à ambos os átomos.
Exemplo: CH4 (Metano).
Cada átomo de H pode adquirir uma configuração eletrônica de He quando o átomo de C compartilha um elétron com ele. O C passa a possuir quatro elétrons compartilhados, um de cada H, completando um total de oito elétrons de valência.
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A ligação covalente é direcional: ocorre entre átomos específicos e pode existir somente na direção entre um átomo e o outro que participa no compartilhamento de elétrons.
Ligações Interatômicas Primárias – Ligação Covalente
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Ligações Interatômicas Primárias – Ligação Covalente
Moléculas elementares de não-metais (H2, Cl2, F2, etc.) bem como moléculas de átomos diferentes como H2O, HNO3 e HF, são ligadas covalentemente.
Sólidos elementares como o diamante, o silício e o germânio, bem como outros compostos sólidos cuja composição inclui elementos que estão no lado direito da tabela periódica, como o SiC, também são ligados covalentemente..
As ligações covalentes podem ser muito fortes, como no diamante, que é muito duro e possui ponto de fusão maior que 3550°C, ou muito fracas, como ocorre com o bismuto, que funde a 270°C.
Os materiais poliméricos tipificam essa ligação.
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Ligações Interatômicas Primárias – Ligação Covalente
É possível a existência de ligações parcialmente iônicas e parcialmente covalentes. De fato, poucos compostos exibem ligações com caráter exclusivamente iônico ou covalente
Quanto maior for a diferença entre as eletronegatividades, mais iônica será a ligação. De modo contrário, quanto menor for a diferença de eletronegatividade, maior será o grau de covalência. 
Materiais ligados iônicamente e covalentemente são tipicamente isolantes elétricos e térmicos, devido à ausência de grande número de elétrons livres. 
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Polimorfismo do Carbono
Diamante
Grafite
Grafeno
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Ligações Interatômicas Primárias – Ligação Metálica
Encontrado em metais e suas ligas.
Os materiais metálicos possuem um, dois ou, no máximo, três elétrons de valência. Esses elétrons não encontram-se ligados a qualquer átomo em particular no sólido e estão “livres” para se movimentar ao longo de todo o metal, podendo ser considerados pertencentes ao metal como um todo.
Os elétrons restantes juntamente com os núcleos atômicos, forma os núcleos iônicos.
A ligação pode ser fraca ou forte.
Os metais são bons condutores de calor e eletricidade, como consequência de seus elétrons livres..
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A ligação metálica é não-direcional.
Ligações Interatômicas Primárias – Ligação Metálica
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Ligações Secundárias ou de van der Waals – 
Ligações Físicas
São fracas quando comparadas à primárias (ou química).
Existe entre todos os átomos ou moléculas, porém sua presença fica obscurecida se qualquer um dos três tipos de ligações primárias estiver presente.
Ficam evidentes nos gases inertes, que possuem estruturas eletrônicas estáveis.
Surgem de dipolos atômicos ou moleculares.
Um dipolo elétrico existirá sempre que houver alguma separação entre as frações positiva e negativa de um átomo ou molécula.
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A ligação resulta da atração coulombiana entre a extremidade + de um dipolo e a região – de um dipolo adjacente.
Ligações Secundárias ou de van der Waals – Ligações Físicas
As interações de dipolo ocorrem entre dipolos induzidos, entre dipolos induzidos e moléculas polares (que possuem dipolos permanetes), e entre moléculas polares.
A ligação de H, um tipo especial de ligação secundária, existe entre algumas moléculas que possuem H como um de seus constituintes.
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Dentre todos os tipos de ligações moleculares possíveis, essas são as mais fracas.
Ligações Secundárias ou de van der Waals – Ligações de Dipolo Induzido Flutuantes
As temperaturas de fusão e ebulição são extremamente baixas em materiais para os quais a ligação por dipolos induzidos é predominante.
A liquefação e, em alguns casos, a solidificação dos gases inertes e de outras moléculas eletricamente neutras e simétricas (H2 e Cl2) são obtidas devido à esse tipo de ligação.
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Os movimentos vibracionais experimentado pelos átomos podem causar distorções instantâneas e de curta duração nessas simetria elétrica em alguns dos átomos ou moléculas, com a consequente criação de pequenos dipolos elétricos.
Ligações Secundárias ou de van der Waals – Ligações de Dipolo Induzido Flutuantes
Um dipolo pode ser induzido em um átomo ou molécula que seja normalmente simétrico.
Um desses dipolos pode produzir um deslocamento na distribuição eletrônica de um átomo ou molécula adjacente, o que induz este segundo, a também se tornar um dipolo.
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Ligações Secundárias ou de van der Waals – Ligações entre Moléculas Polares e Dipolos Induzidos
Momentos dipolos permanentes existem em algumas moléculas em virtude de um arranjo assimétrico de regiões carregadas positivamente e negativamente. Tais moléculas são chamadas moléculas polares.
Exemplo: HCl.
Moléculas polares também podem induzir dipolos em moléculas apolares adjacentes, e uma ligação irá se formar como resultado das forças atrativas entre as duas moléculas. A magnitude dessa ligação será maior que aquela para dipolos induzidos flutuantes.
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Ligações Secundárias ou de van der Waals – Ligações Dipolo Permanentes
As forças de van der Waals também irão existir entre moléculas polares adjacentes. As energias de ligação associadas são maiores do que as que envolvem dipolos induzidos.
A ligação de H é o tipo
mais forte de ligação secundária. E é um caso especial de ligação entre moléculas polares. 
Ocorre entre moléculas nas quais o H está ligado covalentemente ao F (como no HF), ao O (como na H2O) e ao N (como no NH3). 
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Ligações Secundárias ou de van der Waals – Ligações Dipolo Permanentes
Para cada ligação H-F, H-O ou H-N, o único elétron do H é compartilhado com o outro átomo.
Essa extremidade carregada da molécula, altamente positiva, é capaz de exercer uma grande força de atração sobre a extremidade negativa de uma molécula adjacente.
Esse próton isolado forma uma ponte entre dois átomos carregados negativamente.
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Ligações Secundárias ou de van der Waals – Ligações Dipolo Permanentes
A magnitude da ligação de H é normalmente maior que os outros tipos de ligações secundárias.
As temperaturas de fusão e ebulição para o HF e para a água são anormalmente elevadas para os seus baixos pesos moleculares. Sendo isso uma consequência da ligação de H.
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