Aula 3 Ciência dos materiais

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AULA 3 – Ciência dos materiais. 
MATERIAIS DE 
CONSTRUÇÃO CIVIL 
Prof. Jônatas Elim 
Objetivos 
 melhor compreensão 
 base científica 
 avaliação das 
propriedades 
 desenvolvimento 
ao longo do 
tempo 
durabilidade 
fadiga 
deformação lenta 
Princípio básico 
O comportamento do 
material depende 
da microestrutura 
Átomos 
Modelos Atômicos 
 Estrutura do átomo (MODELO BOHR) 
P
ro
b
a
b
ili
d
a
d
e
 
 0,5 1 1,5 º 
 Núcleo: Carga Massa 
– Prótons Positiva 1850 vezes 
– Nêutrons Neutra maior elétron 
 
 Elétrons Negativa 1850 vezes 
 menor núcleo 
Núcleo 
Nuvem de elétrons 
Orbitais ( Níveis de energia: K, L, M, N,O, P ) 
Conceitos 
 Número Atômico 
(Z) 
 Massa Atômica 
(A) 
 Peso Atômico (Ã) 
 Carga dos prótons = 
1,60X10-19C 
 Carga dos elétrons = 
1,60X10-19C 
Números Quânticos 
 Número Quântico Principal (n): representa as camadas 
ao redor do núcleo, podem ser representadas pelas 
letras K,L,M,N... Ou por números inteiros 1,2,3,4. 
Números Quânticos 
 Número Quântico Secundário (l): 
consistem nos subíeis de energia, 
representados pelas s,p,d,f. 
 
 
Subcamada de energia Elétrons 
s 2 
p 6 
d 10 
f 14 
Números Quânticos 
Números Quânticos 
 Número Quântico de Estado (ml): 
representa as posições assumidas pelos 
elétrons em cada punível de energia. 
 Subcamada Número de Estados 
s 1 
p 3 
d 5 
f 7 
Números de Estados 
Números Quânticos 
 Número Quântico Spin (ms): represnta a 
sentido dos etretrons nos estados de 
energia. 
Configuração Eletrônica 
Configuração Eletrônica 
 
16 
Modelos Atômicos 
 Interação atômica (Forças interatômica) 
R
e
p
u
ls
ã
o
 
A
tr
a
ç
ã
o
 
DISTÂNCIA 
INTERATOMICA 
Força de 
atração 
Força de 
repulsão 
Soma das 
forças 
Adaptado a partir do VAN VLACK, 1970. 
– Existe uma determinada distancia entre átomos em que a a soma das 
forças de atração e repulsão é igual a ZERO; 
– Este é o ponto de mínima energia potencial, equilíbrio da ligação química; 
– Forças de atração obedecem a Lei de Coulomb 
As ligações atômicas: 
 
Átomos com a camada periférica completa: gases raros ou inertes, são 
muito estáveis. 
Estabilidade permanente - átomo contenha 8 elétrons na última camada 
(2 no caso do hélio). 
Alguns minerais (Ex.: ouro) são compostos por apenas um “elemento”. 
Maioria das substâncias é composta por diversos elementos formando 
um composto químico estável. 
As propriedades químicas dos átomos são função da última camada de 
elétrons. 
O tipo de ligação química entre os elementos é determinado pelos 
elétrons do nível de valência, que definem a afinidade química dos 
elementos. 
 
As ligações atômicas 
Ligações primárias (fortes): 
•Ligação iônica; 
•Ligação covalente; 
•Ligação metálica. 
 
Ligações secundárias – forças de van der Walls 
 
•Moléculas polares; 
•Dipolos induzidos; 
•Pontes de hidrogênio. 
 
Ligação iônica 
 
É a mais simples. 
Forças coulombianas (recebendo e doando elétrons). 
A atração dá-se em todas as direções (não é direcional). 
Atração entre íons de carga elétrica contrária (íons positivos-
cátions e íons negativos-ânions). 
Composto iônico - substância composta cujos componentes 
apresentam cargas elétricas 
 
Ligação iônica 
 
Exemplo: Na+ e o Cl- formam o NaCl, cloreto de sódio (sal de 
cozinha), sólido cristalino. 
Um íon Na+ é envolvido por vários íons Cl- e assim 
inversamente. 
Na Cl 
Na
+ Cl
- + - 
Ligações 
 Iônica 
 atração eletrostática 
perda de elétrons + 
ganho de elétrons - 
 
 não direcional 
 forte 
 sólido 
 solúveis (solv. polares) 
 Exemplo: CaCl2, NaCl 
 estrutura da molécula orientada pelo tamanho do íon 
 
Ligação covalente 
 
A ligação ocorre por meio de uma aproximação muito intensa 
entre dois elementos químicos que vão se ligar, de maneira 
que alguns elétrons da última camada de valência de um dos 
átomos circundam o núcleo do outro átomo e vice-versa. 
Os elementos não perdem nem ganham elétrons, mas sim os 
compartilham. 
Elétrons compartilhados 
 
Ligação covalente 
 
Diamante: 
O átomo de carbono tem 4 elétrons na camada de valência, 
que são compartilhados com 4 átomos adjacentes, forma 
reticulado tridimensional todo ligado por pares covalentes. 
Desta forma, cada átomo de carbono está ligado 
covalentemente a outros quatro átomos de carbono, 
originando uma estrutura rígida a três dimensões. 
Somente átomos de carbono Diamante 
 
Ligação covalente 
 
Grafite: 
Tanto o grafite como o diamante são constituídos por 
estruturas cristalinas de átomos de carbono – C – apenas 
diferindo na estrutura que apresentam.No grafite os átomos 
de carbono ligam-se a outros três, formando camadas (daí a 
potencialidade deste material para deslizar). 
Grafite Diamante 
 
Ligação covalente 
 
Covalente Polar: 
Devido a assimetrias na densidade eletrônica entre os átomos que 
compõem a molécula. 
Assimetrias + diferenças de tamanho entre os átomos participantes na 
construção da molécula → surgimento de moléculas polares. 
Molécula da água (H2O) é polar e não-linear com ângulo médio de 104,5º 
formado entre as duas ligações O-H. 
Ligações 
 Covalente 
 elétrons compartilhados 
 Direcional 
 Compatibilização dos orbitais 
 Gera direcionamento 
 exemplo: polímeros 
As moléculas: 
 
Em muitas substâncias, os átomos são agrupados em 
agregados de dois átomos ou mais. 
 
Molécula = composto de partículas de 2 ou mais átomos 
quimicamente ligados um ao outro. 
 
Ligações metálicas 
 
 
Átomos com poucos elétrons de valência podem perde-los 
com facilidade. 
Os demais são firmemente ligados ao núcleo. Com a perda 
dos elétrons da última camada de valência, os átomos 
metálicos remanescentes tornam-se íons positivos. 
Com a saída dos elétrons da última camada, há um 
desbalanceamento elétrico, tendo o núcleo uma maior 
quantidade de cargas positivas do que a eletrosfera de 
negativas. 
 
Ligações metálicas 
 
Estruturas formadas por íons positivos e elétrons “livres”que 
fazem o papel de íons negativos aparecendo forças elétricas 
coulombianas de atração. 
A ligação metálica pode ser considerada como uma atração 
entre íons positivos e elétrons livres. Exemplo: cobre 
 
Ligações metálicas 
 
Os elétrons livres dão aos metais sua elevada condutibilidade 
elétrica e térmica. 
“Nuvem”de elétrons absorve a energia luminosa, torna os 
metais opacos. 
Metal: É uma substância simples, cujos constituintes são os 
próprios componentes e interagem entre si não-
direcionalmente. 
Composto metálico:Substância composta, cujos componentes 
não apresentam carga elétrica e interagem entre si não-
direcionalmente. 
Ligações 
 Metálica 
 elétrons livres (“nuvem”) 
 posicionamento dos íons 
influenciado apenas pelo 
seu tamanho 
 não direcional 
 elevada compactação 
 propriedades plásticas, 
elétricas e térmicas 
 exemplo: metais 
 
 
Forças de Van der Waals 
Ligação secundária fraca, mas que também contribui para a 
atração interatômica. 
 Se originam de dipolos elétricos, são conseqüência da 
assimetria da molécula. O centro de carga positiva não 
coincide com o centro de carga negativa, originando o dipolo. 
São forças de atração que não envolvem cargas individuais 
ou transferência de elétrons. 
Existem entre todosos íons e átomos de um sólido, mas 
podem estar obscurecidas pelas ligações fortes presentes. 
 
Forças de Van der Waals 
 
 
 
 
 
 
(a) Nas moléculas assimétricas ocorre um desbalanceamento elétrico 
denominado polarização. 
(b) Este desbalanceamento produz um dipolo elétrico com uma extremidade 
positiva e outra negativa. 
(c) Os dipolos resultantes originam forças de atração secundárias entre as 
moléculas. A extremidade positiva de um dipolo é atraída pela negativa de 
outro. 
 
Fluoreto de hidrogênio 
Forças de Van der Waals 
 Ocorre pela atração de cargas opostas; 
 São ligações secundárias, não unem átomos, aglutinam moléculas; 
 Os elétrons não são transferidos e a atração depende da distribuição 
assimétrica da carga; 
 Essa assimetria é denominada efeito dipolo; 
Conhecidas, de forma inapropriada, como ligações secundárias ou forças 
secundárias. 
 - + - + 
Ligação secundária 
H F H F 
----- ++++
 
 
Forças de Van der Waals 
 
Pontes de hidrogênio: 
Caso particular de atração por moléculas polares, em que a carga 
positiva do núcleo do átomo de hidrogênio de uma molécula é 
atraída pelos elétrons de valência de átomos de moléculas 
adjacentes. 
Uma molécula polar é uma molécula em que as polaridades das ligações 
individuais não se cancelam. 
Exemplo: água (molécula polar) 
Forças de Van der Waals 
 Ligações secundárias (fracas) 
 Não formam moléculas, mas 
as interligam 
 Facilmente quebradas 
 Sua quebra separa as 
moléculas, não as rompe 
 pontes de hidrogênio 
 átomos muito negativos 
formam “pontes” entre 
moléculas. Ex: H2O 
 efeitos dipolo 
 moléculas polarizadas (+ e -) 
direcionam seus pólos com 
cargas contrárias, ligando as 
moléculas Ligação 
Energia 
(GPa) 
Exemplo 
Covalente 1,000 Diamante 
Iônica 30 - 100 
Sais e 
cerâmicas 
Metálicas 30 - 150 Metais 
Pontes de 
hidrogênio 
8 Gelo 
Van der Vaals 2 Polietileno 
Níveis de estudo 
 Sub-atômico (Å) 
 estrutura do átomo 
 microscopia eletrônica de tunelamento 
 
 Atômico (nm - mm) 
 moléculas, cristais 
 difração de raios X 
 Nível de cristalização 
 Tipo de cristal 
 microscopia eletrônica de varredura 
Usando um microscópio de tunelamento, pesquisadores da IBM conseguiram 
arranjar átomos de ferro (cones azuis) depositados sobre uma superfície de 
cobre (em vermelho), formando uma espécie de curral atômico. 
Níveis de estudo 
 Microscópico (mm-mm) 
 fases, partículas 
microscópios ótico e de 
varredura 
ensaios físicos (porosimetria) 
 
 Macroscópico (>mm) 
 todo o material 
ensaios mecânicos 
Gerdau – análise de 
microestrutura e fratura de metais 
Ciência dos Materiais 
 Nível Macroscópico (tração direta): 
(SAVASTANO Jr, 1992) 
Ciência dos Materiais 
 Nível Macroscópico (Flexão com deformação controlada): 
(Caldas e Silva, 2002) 
Ciência dos Materiais 
 Nível Microscópico (superfície polida): 
 
0 2 4 6
Energy (keV)
0
500
1000
1500
2000
Counts
C
O
Na
Mg
Al
Si
S
Cl
K
Ca
Matriz escória com fibra de coco e 
análise de EDS do ponto 1 da figura 
abaixo (SAVASTANO Jr, 2000) 
Ciência dos Materiais 
 Nível Microscópico (superfície fraturada): 
Matriz de cimento portland reforçada com 4% de fibras de sisal 
(SAVASTANO Jr, 2000) 
 
Ponto 1 – fibra arrancada 
da matriz 
Pontos 2 e 3 – fibra rompida