Aula 2 - Estrutura e ligação atômica dos materiais

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ESTRUTURA E LIGAÇÃO ATÔMICA 
DOS MATERIAIS
MATERIAIS DE 
CONSTRUÇÃO I
CONTEÚDO
 Estrutura atômica 
 Ligação atômica
 Arranjos atômicos
BIBLIOGRAFIA RECOMENDADA
Ciência e Engenharia dos Materiais – Uma Introdução
Willian D. Callister Jr
David G. Rethwisch
Editora LTC
8ª Edição
Capítulos 2 e 3
ESTRUTURA ATÔMICA
ESTRUTURA ATÔMICA
• A estrutura de um material pode ser dividida em quatro níveis:
Estrutura atômica
Arranjo atômico
Microestrutura
Macroestrutura
Nível Atômico
Medidas em nm - μm
Moléculas e cristais
Microscopia eletrônica de 
varredura
ESTRUTURA ATÔMICA
• Medidas em nm - mm
• Partículas e fases do material
• Grande aplicação na pesquisa e desenvolvimento dos materiais de construção. 
Exemplo: caracterizar a porosidade do material estudado
• Microscopia ótica e de varredura e ensaios físicos
Microscópico
• Medidas em mm e superiores a essa unidade
• Analisa-se o material como um todo
• Tradicionalmente empregada na construção civil
• Exemplo: ensaios mecânicos para determinação da resistência à compressão.
Macroscópico
ESTRUTURA ATÔMICA
Importância do estudo da estrutura atômica e das ligações interatômicas dos materiais
• Em alguns casos, o tipo de ligação nos
permite explicar as propriedades de um
material.
• Exemplo: carbono
• Existe na forma de grafita e de 
diamante
•Grafita: material relativamente macio e bom
condutor de eletricidade.
• Diamante: material mais duro que se conhece e
mau condutor de eletricidade.
• As diferenças nas propriedades são atribuídas
diretamente a um tipo de ligação que é
encontrada na grafita e não existe no diamante.
• Nêutrons
• Prótons
• Elétrons 
Estrutura 
Atômica
ESTRUTURA ATÔMICA
• Cada átomo consiste em um núcleo muito pequeno composto por prótons e nêutrons, o qual está envolto por
elétrons em movimento.
• Tanto os elétrons quanto os prótons possuem cargas elétricas, cuja magnitude é de 1,602 x 10-19 C.
• A carga dos elétrons possui sinal negativo, enquanto a carga dos prótons possui sinal positivo. Os nêutrons são
eletricamente neutros.
ESTRUTURA ATÔMICA
Massa atômica
 É a massa representativa de um átomo, considerando o total de 
prótons e nêutrons
 O núcleo contém os elementos mais pesados (1,67 x 10-27 kg)
 A massa do elétron é praticamente desprezível, sendo igual a 9,11 x 
10-31kg
ESTRUTURA ATÔMICA
Número atômico
 Caracteriza cada 
elemento químico
 Indica o número de 
prótons no seu núcleo 
ESTRUTURA ATÔMICA
Modelos Atômicos
• Durante a última parte do século XIX for observado que muitos dos fenômenos que envolviam os 
elétrons nos sólidos não podiam ser explicados em termos da mecânica clássica.
• O que se seguiu foi o estabelecimento de um conjunto de princípios e leis que regem os sistema das 
entidades atômicas e subatômicas, que veio a ser conhecido como mecânica quântica.
ESTRUTURA ATÔMICA
Modelo Atômico de Bohr
• Um dos primeiros precursores da mecânica quântica 
• Assume que os elétrons circulam ao redor do núcleo atômico em 
orbitais discretos e a posição de qualquer elétron partículas 
está mais ou menos bem definida em termos do seu orbital.
ESTRUTURA ATÔMICA
Níveis ou estados de energia
• Um importante principio quântico-mecânico estipula que as energias dos elétrons são quantizadas, ou seja, aos 
elétrons só são permitidos valores de energia específicos.
• A energia do elétron pode mudar, mas para isso o elétrons deve realizar um salto quântico para um estado de 
energia permitido mais elevado (com absorção de energia) ou para um estado de energia permitido mais baixo 
(com emissão de energia).
• As energias eletrônicas permitidas estão associadas a níveis ou estados de energia. 
• Esses estados não variam de uma forma contínua com a energia, ou seja, os estados adjacentes estão separados 
por quantidades de energia finitas.
ESTRUTURA ATÔMICA
Níveis ou estados de energia
• Na figura: os três primeiros estados de energia eletrônicos para o 
átomo de hidrogênio de Bohr. 
• O modelo de Bohr representa uma tentativa precoce de descrever os 
elétrons nos átomos, em termos de da posição (orbitais eletrônicos) 
quanto da energia (níveis de energia quantizados).
ESTRUTURA ATÔMICA
Modelo Mecânico-Ondulatório
• O modelo de Bohr foi considerado como tendo limitações significativas devido à incapacidade em explicar
vários fenômenos envolvendo elétrons.
• Uma solução foi obtida com um modelo mecânico-ondulatório, no qual foi considerado que o elétron possui
características tanto de uma onda como de uma partícula.
• Nesse modelo, um elétrons não é mais tratado como uma partícula que se move em um orbital discreto.
•A posição do elétrons é considerada como a probabilidade de um elétron estar em vários locais ao redor do
núcleo.
• A posição é descrita por uma distribuição de probabilidades ou uma nuvem eletrônica.
ESTRUTURA ATÔMICA
Modelo Mecânico-Ondulatório
• Na figura: comparação entre os modelos atômicos de 
(a) Bohr e (b) mecânico-ondulatório em termos da 
distribuição eletrônica.
ESTRUTURA ATÔMICA
Números quânticos
 Usando a mecânica ondulatória, cada elétron em um átomo é caracterizado
por quatro parâmetros chamados de números quânticos.
 O tamanho, a forma e a orientação espacial da densidade de probabilidade
de um elétron são especificados por três desses números.
• Além disso, os níveis energéticos de Bohr se separam em subcamadas eletrônicas e os números
quânticos definem o número de estados em cada subcamada.
ESTRUTURA ATÔMICA
Números quânticos
 As camadas são especificadas por um número quântico principal (n) que pode assumir valores inteiros a 
partir da unidade.
 Este número está associado à distância de um elétron ao núcleo ou à sua posição.
 Algumas vezes essas camadas são designadas pelas letras K, L, M, N, O.
 Esta sequência diz respeito ao sentido crescente dos níveis quânticos também representada pelas letras 
K (n = 1), L (n = 2), M (n = 3), N (n = 4), O (n = 5), P (n = 6) e Q (n = 7), o que significa também 
níveis crescentes de energia; 
ESTRUTURA ATÔMICA
Números quânticos
 O segundo número quântico (l) define a subcamada
 A subcamada é identifica por uma letra minúscula (s, p, d ou f)
 Esse número está relacionado à forma da camada eletrônica
 A quantidade dessas subcamadas está limitada pela magnitude de n
 O terceiro número quântico (ml) define o número de estados energéticos para cada subcamada
 Para cada subcamada s existe um único estado energético, enquanto para as camadas p, d e f existem, 
respectivamente, 3, 5 e 7 estados de energia
ESTRUTURA ATÔMICA
ESTRUTURA ATÔMICA
• Associado a cada elétron há um momento de spin (momento de rotação), que deve estar
orientado para cima ou para baixo.
• O quarto número quântico (ms) está relacionado a esse momento de spin, para o qual existem
dois valores (+1/2 e -1/2), um para cada uma das orientações de spin.
Números quânticos
ESTRUTURA ATÔMICA
• Quanto menor o número quântico principal,
menor é o nível energético: p.ex. a energia de
um estado 1s é menor que a de um estado 2s.
• Dentro de cada camada a energia de uma
subcamada aumenta com o valor do número
quântico l: p.ex. a energia de um estado 3d é
maior que a de um estado 3p.
ESTRUTURA ATÔMICA
Configuração eletrônica
 Para determinar a maneira segundo a qual os
estados eletrônicos são preenchidos com os
elétrons, utiliza-se o principio da exclusão de Pauli.
 Esse conceito estipula que cada estado eletrônico
pode comportar um número máximo de dois
elétrons, os quais devem possuir spins opostos.
Notação da configuração eletrônica
 Escreve-se o número quântico principal antes da letra
indicativa do subnível, a qual possui expoente que
indica o número de elétrons contidos nesse subnível.
 Exemplo: 3 p5
 Significado: Na camada M (número quântico principal =
3), existe o subnível p contendo 5 elétrons
ESTRUTURA ATÔMICA
 Para se dar a configuração eletrônica de um átomo, colocam-seos elétrons, primeiramente, nos 
subníveis de menor energia
 Sódio (Na) - elemento de n° atômico 11
Notação da configuração eletrônica
ESTRUTURA ATÔMICA
ESTRUTURA ATÔMICA
 Os elétrons de valência são aqueles que ocupam a camada mais externa.
 São extremamente importantes pois participam da ligação entre os átomos para formar agregados
atômicos e moleculares
 Muitas propriedades físicas e químicas dos sólidos estão baseadas nesses elétrons de valência.
Elétron de valência
LIGAÇÕES ATÔMICAS
LIGAÇÕES ATÔMICAS
 Uma compreensão de muitas das propriedades físicas dos materiais está baseada em um
conhecimento das forças interatômicas que unem os átomos entre si.
 A grandes distâncias, as interações entre dois átomos isolados são desprezíveis. Na medida que
eles se aproximam, cada um exerce força sobre o outro.
 As forças podem ser atrativa ou repulsiva.
 A magnitude de cada força é função da separação ou distância interatômica.
Forças e energias de ligação
LIGAÇÕES ATÔMICAS
Ligações primárias ou 
Ligações químicas
Iônica Covalente Metálica
Ligações secundárias ou 
Ligações físicas
Moléculas 
polares
Dipolos 
induzidos
Pontes de 
hidrogênio
• As ligações envolvem os elétrons de valência.
• Os tipos de ligação se originam da tendência dos átomos em adquirir estruturas eletrônicas estáveis pelo
preenchimento completo da camada eletrônica mais externa.
• É encontrada sempre nos compostos cuja composição
envolve tanto elementos metálicos quanto não metálicos.
• Os átomos de um elemento metálico perdem com
facilidade seus elétrons de valência para os átomos de
elementos não metálicos.
• Nesse processo, todos os átomos adquirem configurações
estáveis e uma carga elétrica, ou seja, se tornam íons.
• As forças de ligação atrativa são de Coulumb, ou seja, os
íons positivos e negativos atraem-se uns aos outros.
Ligação Iônica
LIGAÇÕES ATÔMICAS
• As energias de ligação são relativamente grandes, o que se reflete em
temperaturas de fusão elevadas.
• Os materiais iônicos são caracteristicamente duros e frágeis e, além disso,
isolantes elétricos e térmicos.
Ligação Iônica
LIGAÇÕES ATÔMICAS
LIGAÇÕES ATÔMICAS
• Dá-se por meio de uma aproximação muito intensa
entre dois elementos químicos que vão se ligar, de
maneira que alguns elétrons da camada de valência
de um dos átomos circundam o núcleo do outro átomo
e vice-versa.
• Desse modo, os elementos não perdem e nem ganham
elétrons, mas sim os compartilham.
Ligação Covalente
Molécula de metano (CH4)
LIGAÇÕES ATÔMICAS
• Essas ligações podem ser muito fortes, como no caso do diamante, ou podem ser muito
fracas, como ocorre no bismuto.
• Os materiais poliméricos possuem esse tipo de ligação.
• A estrutura molecular básica dos polímeros é composta por uma longa cadeia de
átomos de carbono ligadas entre si por ligações covalentes.
Ligação Covalente
LIGAÇÕES ATÔMICAS
• Encontrada em metais e suas ligas.
• Os elétrons de valência não estão ligados a
qualquer átomo em particular no sólido e estão mais
ou menos livres para se movimentar ao longo de
todo o metal.
• Eles podem ser considerados como pertencentes ao
metal como um todo, ou como se formassem uma
nuvem de elétrons.
Ligação Metálica
LIGAÇÕES ATÔMICAS
Influência das ligações no comportamento geral dos materiais
• Metais são bons condutores de calor e eletricidade devido aos seus elétrons livre
• Materiais ligados iônica e covalentemente são tipicamente isolantes térmicos e elétricos
devido à ausência de grande número de elétrons livres
• A ductilidade de metais e duas ligas está relacionada às características da ligação
metálica
• Materiais que apresentam ligações iônicas são intrinsecamente frágeis
LIGAÇÕES ATÔMICAS
Ligações secundárias 
 As ligações secundárias, de van der Waals, ou físicas são ligações fracas quando comparadas às ligações primárias
ou químicas.
 As energias de ligação são tipicamente da ordem de apenas 0,1 eV/átomo.
 Existem entre virtualmente todos os átomos ou moléculas mas sua presença pode ficar obscurecida se qualquer um
dos três tipos de ligação primária estiver presente.
LIGAÇÕES ATÔMICAS
Ligações secundárias 
 O princípio das ligações secundárias é similar ao da ligação iônica, ou seja, dá-se pela atração de cargas opostas.
 A diferença entre elas reside no fato de que nas ligações secundárias não há transferência de elétrons.
 Surgem a partir de dipolos atômicos ou moleculares. Um dipolo existe sempre que há alguma separação entre as
partes positiva e negativa de um átomo ou molécula.
 A ligação ocorre pela atração da extremidade positiva de um dipolo e a região negativa de um dipolo adjacente.
Átomo eletricamente 
simétrico
Dipolo atômico 
induzido
LIGAÇÕES ATÔMICAS
• Energia mínima 
requerida para criar 
ou para quebrar a 
ligação.
Energia de 
ligação
LIGAÇÕES ATÔMICAS
Material Tipo de ligação predominante Informações gerais
Metais Metálica
Metais apresentam elevadas ductilidade e condutividades 
elétrica e térmica – os elétrons livres transferem com 
facilidade carga elétrica e energia térmica.
Cerâmico e 
vidros
Iônica (mas às vezes aparece 
em conjunto com ligações 
covalentes fortes)
Cerâmicas em geral são duras e frágeis, com baixa 
ductilidade e baixas condutividades elétrica e térmica –
não existem elétrons livres e ligações iônicas e covalentes 
têm alta energia de ligação. 
LIGAÇÕES ATÔMICAS
Material
Tipo de ligação 
predominante
Informações gerais
Polímeros
Covalente (mas às vezes 
existem ligações secundárias 
entre cadeias)
Polímeros podem ser pouco dúcteis e, em geral, são pobres 
condutores elétricos. Se existirem ligações secundárias, 
podem ter sua ductilidade bastante aumentada, com 
quedas de resistência e do ponto de fusão.
Semicondutores
Covalente (mas alguns 
compostos semicondutores
têm elevado caráter iônico)
Semicondutores em geral têm baixas ductilidade e 
condutividade elétrica em função das ligações covalentes e 
iônicas.
ARRANJOS ATÔMICOS
ARRANJOS ATÔMICOS
• Os materiais sólidos podem ser classificados de acordo com a regularidade pela qual seus átomos
ou íons estão arranjados em relação aos outros.
• Os arranjos atômicos podem ser de três tipos básicos, gerando três classes estruturais principais:
Estruturas moleculares
Estruturas cristalinas
Estruturas amorfas
ARRANJOS ATÔMICOS
Estrutura Molecular
 A estrutura molecular pode ser genericamente caracterizada por um
agrupamento de átomos;
 Existem grupos limitados de átomos fortemente ligados entre si,
formando moléculas, e essas moléculas se ligam entre si por meio de
ligações secundárias;
Apresentam forças de atração intramoleculares muito fortes, ao
passo que as ligações intermoleculares são do tipo forças de van der
Waals.
Materiais típicos 
com estrutura 
molecular
Gases
Água
Polímeros em geral
Materiais betuminosos
ARRANJOS ATÔMICOS
Estrutura Cristalina
 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.
 O conceito de cristalinidade se aplica à estrutura interna de um material cujo arranjo atômico gera
um modelo tridimensional ordenado e repetitivo.
ARRANJOS ATÔMICOS
Célula unitária
• É uma subdivisão do reticulado cristalino, na
qual são mantidas as características gerais
de todo o reticulado.
• Trata-se de um pequeno volume (a unidade
básica) que contém todas as características
encontradas no cristal como um todo.
ARRANJOS ATÔMICOS
Sistemas cristalinos
• Como existem muitas estruturas cristalinas
diferentes possíveis, algumas vezes é conveniente
dividi-las em grupos, de acordo com as
configurações das células unitárias.
• A estrutura cristalina pode ser classificada em
sete sistemas cristalinos principais, conforme a
geometria do cristal.
ARRANJOSATÔMICOS
Sistemas e reticulados cristalinos
Os 7 diferentes sistemas cristalinos possuem
variações de sua configuração básica, de modo
que mais 7 possibilidades de configuração
atômica se somam às 7 opções básicas, gerando
então 14 tipos possíveis de reticulados cristalinos,
aos quais se dá o nome de reticulados de
Bravais.
ARRANJOS ATÔMICOS
Polimorfismo
 Fenômeno no qual um sólido (metálico
ou não metálico) pode apresentar mais
de uma estrutura cristalina, dependendo
da temperatura e da pressão.
 Exemplo: a sílica (SiO2) como quartzo,
cristobalita e tridimita
ARRANJOS ATÔMICOS
Alotropia
 Polimorfismo em elementos puros.
 Exemplos:
 O diamante e o grafite são constituídos por
átomos de carbono arranjados em diferentes
estruturas cristalinas;
 O ferro com as variações de sua estrutura entre o
sistema cúbico de corpo centrado (ccc) e cúbico de
faces centradas (cfc).
ARRANJOS ATÔMICOS
Formas Alotrópicas do Ferro
Células unitárias cúbica de corpo centrado – ccc (a) e cúbica de faces centradas – cfc (b), representando
duas diferentes formas alotrópicas do ferro. As esferas e suas frações designam, respectivamente, os
átomos de ferro e suas partes contidas na célula unitária.
ARRANJOS ATÔMICOS
Materiais típicos de estrutura cristalina
O ferro e os aços de construção
• São exemplos clássicos de materiais cristalinos, que se alternam entre as formas alotrópicas estruturais cúbicas
de corpo centrado (ccc) – em temperatura ambiente – e de face centrada (cfc).
A areia natural
• Constituída essencialmente de sílica em sua forma cristalina, que é o quartzo de estrutura trigonal 
(romboédrica), a areia constitui um exemplo de material natural cristalino;
ARRANJOS ATÔMICOS
Estrutura Amorfa (não cristalina)
 Materiais de estrutura amorfa ou vítrea, ao nível de seus arranjos atômicos, são aqueles em que os
átomos não apresentam qualquer tipo de regularidade ou organização em termos de sua disposição
espacial, ou, caso exista algum ordenamento, ele ocorre a curto alcance (em pequenas distâncias).
 Conceito de “amorfismo”: diz respeito a uma estrutura interna “sem forma”.
 Se aplicado aos materiais em geral, em suas diversas configurações atômicas, são amorfos: os gases;
os líquidos; os sólidos não-cristalinos como o vidro.
ARRANJOS ATÔMICOS
Diferentes arranjos atômicos de materiais
a) gás inerte, sem nenhum ordenamento regular de
átomos (estrutura amorfa)
b) e c) vapor de água e estrutura do vidro, com
ordem em pequenas distâncias (estruturas amorfas)
d) metal, com um ordenamento regular de átomos
que se estende por todo o material (estrutura
cristalina)
FIM DA AULA