Aula 03 - Ligações, energia de ligação e propriedades

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ESCOLA DE ENGENHARIA MAUÁ 
 
 
ETC601 
Materiais de Construção 
 
Aula 03 
Introdução à Ciência dos Materiais 
Ligações, Energia de Ligação e Propriedades 
Relação Energia de Ligação x Propriedades 
• A energia de ligação química influencia as propriedades 
dos materiais? 
 
Modelos atômicos e ligações químicas 
 
• Qualquer matéria, material ou substância é constituída por átomos 
 www.ptable.com/?lang=pt 
Modelo clássico de Bohr 
• Núcleo: 
– Prótons + Nêutrons; 
– Massa do átomo; 
– Forças nucleares (+). 
 
• Eletrosfera: 
– Elétrons; 
– Carga negativa. 
 
 
Modelo quântico 
• Posição dos 
elétrons na 
eletrosfera não é 
conhecida; 
 
• Elétrons obedecem 
uma função de 
probabilidade de 
estarem naquela 
órbita 
Bohr Quântico 
Ligações químicas 
• Ligações fortes: 
– Ligação iônica; 
– Ligação covalente; 
– Ligação metálica. 
 
• Ligações fracas: 
– Van der Waals. 
Ligação Iônica 
• Atração “coulombiana” 
entre íons; 
• Energia: 3 a 8 eV/átomo 
• Não apresenta; 
direcionalidade 
• Exemplo: NaCl; 
• Ligação predominante 
nas cerâmicas: 
– Duros 
– Frágeis 
– Isolantes térmicos 
– Isolantes elétricos 
Ligação Covalente 
• Átomos adjacentes compartilham orbital eletrônico de 
modo a apresentarem estruturas eletrônicas estáveis; 
• É muito comum em moléculas orgânicas (H2O, C2H4) e 
polímeros; 
• Fortemente direcionais; 
• Energia de ligação: 4 a 8 eV/átomo; 
• Ligação predominante nos polímeros. 
Ligação Metálica 
• “Nuvem” eletrônica; 
• Elétrons da camada de 
valência não se ligam a 
nenhum átomo; 
• Elétrons livres: alta 
condutividade; 
• Não possui 
direcionalidade; 
• Energia de ligação: 0,7 a 
8,8 eV/átomo; 
• Ligação predominante 
nos metais e ligas 
metálicas: 
– Condutores térmicos 
– Condutores elétricos 
– Dutilidade 
 
 
Ligação de Van der Waals 
• Ligações secundárias (Fracas); 
• Energia de ligação: 0,02 a 0,5 eV/átomo. 
 
Força de ligação química 
• Atração “coulombiana” entre os íons 
2a
A
FC 
Força de ligação química 
8
8~
a
b
FR 
  eZeZA 21
04
1


RC FFF 
2a
A
FC 
Formulário: 
Ce 1910602,1 
mF /1085,8 120

íonsdosvalênciaZZ 21,
Energia de ligação química 
 FdrE
• Comparação entre as curvas 
de força de ligação e energia 
de ligação para o NaCl. Como 
F=dE/dr, a distância de 
equilíbrio (r0) ocorre para F=0 
 e E(mínimo) 
Energia de ligação = energia 
que seria necessária para 
separar os dois átomos até 
uma distância de separação 
infinita 
Equilíbrio 
Fc + Fr = 0 
Relação Energia de ligação x Propriedades 
• Algumas propriedades dos materiais estão 
relacionadas à energia de ligação ou ao tipo de ligação 
química: 
– Temperatura de fusão (TM); 
– Módulo de elasticidade (E); 
– Coeficiente de dilatação térmica; 
– Condutividade elétrica; 
– Transparência / Opacidade. 
Energia de ligação 
Tipo de ligação 
• Tomando-se a curva de 
energia de ligação, 
podemos associar a 
energia da ligação |ET0| ou 
“profundidade (p) da 
curva” com a temperatura 
de fusão (TM): Quanto 
maior a energia de ligação, 
maior a temperatura de 
fusão. 17 
Temperatura de fusão 
E
n
e
rg
ia
 d
e
 l
ig
a
ç
ã
o
 
Distância interatômica a 
ET0 
a0 
a0 
18 
Temperatura de fusão 
 
 
• A presença de elétrons livres na ligação química 
(ligações metálicas) torna o componente opaco, ou 
seja, não transparente à luz. 
 
• Os metais são opacos em todo espectro da 
radiação visível em decorrência da predominância 
da ligação metálica. 
 
• Camadas metálicas superiores a 100 Å serão 
opacas. 
Transparência ou opacidade 
Transparência ou opacidade 
Diamante: 
100% covalente 
Não apresenta elétrons 
livres 
 
Isolante elétrico 
Transparente 
Grafita: 
Parte covalente, parte 
metálico 
Apresenta elétrons livres 
 
Condutor elétrico 
Opaca 
 
 
 
Condutor elétrico 
Opaca 
 
 
 
Propriedades mecânicas 
• Em nosso curso estas 
propriedades serão obtidas 
por meio do ensaio de tração: 
 
• Resistência mecânica: limite 
de escoamento e limite de 
resistência. 
 
• Ductilidade: alongamento total 
do corpo de prova até a 
fratura. F 
F 
Limite de escoamento 
• Um material submetido a 
tração apresenta dois 
regimes de deformação: 
deformação elástica e 
deformação plástica. 
 
• Não existe um ponto 
exato no qual inicia-se a 
deformação plástica 
(início da movimentação 
das discordâncias). 
0 
200 
400 
600 
800 
1000 
1200 
0,02 0,04 0,06 0,080 0,12 
Te
n
sã
o
 (
M
PA
) 
Deformação 
0,10 
Limite de resistência 
• A tensão limite de 
resistência corresponde à 
tensão máxima obtida 
pelo ensaio. 
 
• Normalmente, para esta 
tensão, o material 
apresenta-se deformado 
plasticamente 
(deformação irreversível). 
0 
200 
400 
600 
800 
1000 
1200 
0,02 0,04 0,06 0,080 0,12 
Te
n
sã
o
 (
M
PA
) 
Deformação 
0,10 
r 
Ductilidade 
• Representa a 
deformação plástica 
total no comprimento 
do corpo-de-prova até 
a fratura. 
 
• O alongamento é o 
valor mais importante 
para a medição da 
ductilidade. 
0 
200 
400 
600 
800 
1000 
1200 
0,02 0,04 0,06 0,080 0,12 
Te
n
sã
o
 (
M
PA
) 
Deformação 
0,10 
Alongamento 
Módulo de elasticidade 
Definição de E elástico
E





E 
O módulo de elasticidade determina a rigidez do material, 
quanto maior o módulo, menor a deformação elástica e maior a 
rigidez. 
• Quanto maior a energia 
da ligação |ET0| 
(“profundidade” da 
curva) maior o módulo 
de elasticidade 
(módulo de Young) e 
maior a rigidez do 
material. 
26 
Módulo de elasticidade 
E
n
e
rg
ia
 d
e
 l
ig
a
ç
ã
o
 
Distância interatômica a 
ET0 
a0 
a0 
ET0 versus E 
28 
Referências 
 
• CALLISTER JR., W.D. Ciência e Engenharia de Materiais 
– Uma Introdução. 7ª edição. Editora LTC,2008, Rio de 
Janeiro.