Ciencia dos Materiais 1

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MÓDULO 1: Ligação química, Estrutura cristalina 
 
 
 A Ciência dos Materiais faz parte do conhecimento básico para todas as 
Engenharias, uma vez que as propriedades dos materiais definem o 
DESEMPENHO de um determinado componente e o PROCESSO DE 
FABRICAÇÃO do mesmo. 
 
 
Estrutura Atômica e Ligação Química 
 
 Os átomos são representados pelo modelo de Bohr, onde um núcleo, 
composto por nêutrons e prótons, é circundado por elétrons. 
 
 
Representação do modelo atômico de Bohr 
 
Cada átomo é composto por: 
• Núcleo → prótons e nêutrons. 
• Eletrosfera → elétrons, que circundam o núcleo. 
 
Elétrons e prótons são carregados eletricamente. 
• elétrons tem carga negativa; 
• prótons tem carga positiva; 
• nêutrons não tem carga. 
 
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. 
 
 As propriedades macroscópicas dos materiais dependem essencialmente 
do tipo de ligação entre os átomos. O tipo de ligação depende fundamentalmente 
dos elétrons envolvidos na ligação, os quais são influenciados pelos prótons e 
nêutrons que formam o núcleo atômico. Os prótons e nêutrons caracterizam 
quimicamente o elemento e seus isótopos. 
 
 
Ligações Atômicas 
 
 Existem mais de 100 elementos químicos. Deles, no entanto apenas 1/3 
aparece com frequência na natureza. 
 Os elementos se ligam para formar os sólidos para atingir uma 
configuração mais estável: oito elétrons na camada mais externa (Regra do 
octeto). 
 A ligação química é formada pela interação dos elétrons de valência 
através de um dos seguintes mecanismos: 
• Ganho de elétrons 
• Perda de elétrons 
• Compartilhamento de elétrons 
 
 
Tipos de ligações 
 
 As ligações químicas são as responsáveis pelas principais propriedades 
dos materiais. Desta forma, devido à ligação metálica, com seus elétrons livres, 
os metais são excelentes condutores de calor e energia elétrica, enquanto que 
os polímeros e cerâmicas são excelentes isolantes, uma vez que os elétrons nas 
respectivas ligações químicas, covalentes e iônicas, estão compartilhados ou 
foram cedidos ao átomo vizinho. 
 
 
Ligação iônica: na ligação iônica um ou mais elétrons são transferidos de um 
átomo eletropositivo (metal) para outro mais eletronegativo (não metal). 
Exemplos: cloreto de sódio (NaCl) e fluoreto de cálcio (CaF2). 
Envolve uma ligação entre metal + não metal 
Envolve a transferência de elétrons de um átomo para outro. 
 A ligação iônica resulta da atração eletrostática entre dois íons de cargas 
opostas. 
• A ligação é não-direcional. 
• Grande diferença de eletronegatividade entre os elementos. 
• É a ligação predominante nos materiais cerâmicos. 
• Os materiais são duros e quebradiços. 
• Bons isolantes térmicos e elétricos. 
 
 
Ligação covalente: ligação covalente é aquela que se dá por compartilhamento 
de um ou mais elétrons por dois ou mais átomos. Formam-se então um ou mais 
pares comuns que pertencem a ambos os átomos presentes na ligação. Quando 
2 ou mais átomos se ligam exclusivamente por ligação covalente, o conjunto 
formado é chamado de MOLÉCULA. 
 A ligação covalente é a principal responsável pela formação das 
estruturas moleculares dos compostos orgânicos e pelas estruturas moleculares 
dos polímeros. Ex. polietileno (PE) 
 Alguns compostos cerâmicos, tais como, carbeto de silício (SiC), nitreto 
de boro (BN) têm caráter covalente predominante, assim como o diamante. 
• Envolve compartilhamente dos elétrons de valência de átomos 
adjacentes. 
• A ligação resultante é altamente direcional. 
• Pequena diferença de eletronegatividade entre os elementos. 
• É a ligação predominante nos compostos orgânicos, em polímeros e 
semicondutores. 
 
 
Ligação Metálica: os elétrons apresentam-se desvinculados de átomos 
específicos, formando uma nuvem de elétrons. 
 Os metais têm entre um e três elétrons de valência. Esses elétrons não 
estão ligados a um único átomo, mas encontram-se mais ou menos livres para 
se movimentarem por todo o material, formando uma nuvem de elétrons, o que 
os torna excelentes condutores térmicos e elétricos. 
• A ligação resultante é não-direcional. 
• Os elétrons de valência passam a se comportar como elétrons “livres”: 
• Formam uma “nuvem de elétrons”. 
• São bons condutores. 
 
 
Resumo das ligações químicas 
 
 
 
 
Exercícios: 
1. Quais os tipos de ligações químicas existentes nos materiais metálicos, 
cerâmicos e poliméricos. 
Resp.: Materiais metálicos apresentam ligações químicas primárias do tipo 
metálica, os materiais cerâmicos apresentam ligações químicas primárias do tipo 
iônica ou covalente e os materiais poliméricos apresentam ligações químicas 
primárias do tipo covalente. 
 
 
 
Estrutura Cristalina 
 
 Os materiais sólidos podem ser classificados de acordo com a 
regularidade segundo a qual seus átomos ou íons estão arranjados uns em 
relação aos outros. 
 Os materiais que não se cristalizam não apresentam ordem atômica de 
longo alcance. Esses materiais são chamados de não cristalinos ou amorfos. 
 Um material cristalino é aquele em que os átomos estão situados em 
posições de uma matriz que se repete, é periódica, ao longo de grandes 
distâncias atômicas. Algumas das propriedades dos sólidos cristalinos 
dependem da estrutura cristalina do material, ou seja, da maneira pela qual os 
átomos, íons ou moléculas estão arranjados no espaço. 
 Ao descrever as estruturas cristalinas, os átomos são considerados 
esferas sólidas rígidas com diâmetros bem definidos. Isso é conhecido por 
modelo da esfera atômica rígida, no qual as esferas que representam os átomos 
vizinhos mais próximos tocam-se umas nas outras. Rede cristalina é uma matriz 
tridimensional de pontos que coincidem com posições dos átomos (ou os centros 
de esferas). 
 
 
Estrutura cristalina – os átomos estão arrumados de forma a constituírem uma 
rede cristalina regular no espaço, com posições definidas entre si. Existem 14 
arranjos cristalinos diferentes que se agrupam em sete sistemas diferentes 
(sistema de Bravais). 
 
Os 14 arranjos de Bravais. 
 
Célula unitária – o menor volume que, por repetição no espaço, reproduz o 
reticulado cristalino. Uma célula unitária e escolhida para representar a simetria 
da estrutura cristalina, onde todas as posições de átomos no cristal podem ser 
geradas através de translações das distâncias integrais da célula unitária ao 
longo de cada uma das suas arestas. Assim sendo a célula unitária consiste na 
unidade estrutural básica ou bloco construtivo básico da estrutura cristalina. 
 
 
Estrutura Cristalina nos Metais 
 
 A ligação nesse grupo de materiais é metálica, e sua natureza é não 
direcional. Existem três estruturas cristalinas relativamente simples para a 
maioria dos metais mais comuns, são elas: 
1. Cúbica de Faces Centradas (CFC); 
2. Cúbica de Corpo Centrado (CCC); 
3. Hexagonal Compacta (HC). 
 
Estrutura Cúbica de Face Centrada (CFC) 
 A estrutura cristalina encontrada em muitos metais possui uma célula 
unitária com geometria cúbica, com os átomos localizados em cada um dos 
vértices (1/8 de átomos em cada vértice) e meio átomo nos centros de todas as 
faces do cubo. Essa estrutura é chamada de estrutura cristalina cúbica de faces 
centradas (CFC). Alguns dos metais mais familiares que possuem essa estrutura 
cristalina são o cobre, o alumínio, a prata e o ouro. 
 A aresta da célula unitária CFC possui a seguinte dimensão: 
�����
4�
√2
� 2√2� 
 
 
Representação da estrutura CFC 
 
 
Estrutura Cúbica de Corpo Centrado (CCC) 
 Outra estrutura cristalina metálica comumente encontrada também possui 
célula unitária cúbica, com 1/8 de átomo localizados em todos os oito vértices e 
um único outro átomo localizado no centro do cubo. Essa estrutura é conhecida 
por estrutura cristalina cúbica de corpo centrado (CCC). O cromo, o ferro e o 
tungstênio, assim como diversos outros metais, exibem uma estrutura cristalina 
do tipo CCC. 
 A aresta da célula unitária CCC possui a seguinte dimensão: 
���� �
4�
√3
�
4√3
3
� 
 
 
Representação da estrutura CCC 
 
 
Estrutura Cristalina Hexagonal Compacta (HC) 
 A última estrutura cristalina comumente encontrada nos metais possui 
uma célula unitária com formato hexagonal. As faces superior e inferior da célula 
unitária são compostas por seis átomos que formam hexágonos regulares e que 
se encontram ao redor de um único átomo central. Outro plano que contribui com 
três átomos adicionais para a célula unitária está localizado entre os planos 
superior e inferior. Os átomos localizados nesse plano intermediário possuem 
como vizinhos mais próximos átomos em ambos os planos adjacentes. O 
equivalente a seis átomos está contido em cada célula unitária; um sexto de cada 
um dos 12 átomos localizados nos vértices das faces superior e inferior, metade 
de cada um dos dois átomos no centro das faces superior e inferior, e todos os 
três átomos interiores que compõe o plano intermediário. Os metais HC são o 
cádmio, o magnésio, o titânio e o zinco. 
 
Representação da estrutura CFC 
 
 
 
 
 
Polimorfismo ou Alotropia 
 
 Alguns metais e não metais podem ter mais de uma estrutura cristalina 
dependendo da temperatura e pressão. Esse fenômeno é conhecido como 
polimorfismo. Geralmente as transformações polimórficas são acompanhadas 
de mudanças na densidade e mudanças de outras propriedades físicas 
 
 
Fator de Empacotamento Atômico (FEA) 
 
 Representa o volume da célula unitária efetivamente ocupado pelos 
átomos. 
�� �
�����	���	����
�����	��	����	������
 
 
Fator de Empacotamento Atômico para as principais 
estruturas cristalinas presentes nos metais. 
 
 
 
Imperfeições estruturais ou defeitos cristalinos. 
 
 Defeito cristalino é uma imperfeição ou um “erro” no arranjo periódico 
regular dos átomos em um cristal. Podem envolver uma irregularidade na 
posição ou tipo de átomo. 
 Apenas uma pequena fração dos sítios atômicos é imperfeita. Cerca de 
menos de 1 em 1 milhão 
 Mesmo sendo poucos eles influenciam muito nas propriedades dos 
materiais e nem sempre de forma negativa 
Defeitos cristalinos 
 Entre os principais defeitos cristalinos apresentados pelos metais estão 
as vacâncias e átomos intersticiais (defeitos pontuais), as discordâncias (defeitos 
lineares), os contornos de grão e superfícies externas (defeitos interfaciais) e 
inclusões, porosidade e fases (defeitos volumétricos). 
 
 
Exercícios 
 
1. Na célula unitária do sistema cúbico simples há efetivamente: 
a) 8 átomos 
b) 6 átomos 
c) 4 átomos 
d) 2 átomos 
e) 1 átomo 
Resp.: e) Como há apenas 1/8 de átomo por vértice e 8 vértices ela é 
representada por 1 único átomo 
 
 
2. O diamante e o grafite são duas substâncias formadas a partir de átomos de 
carbono e, no entanto, apresentam propriedades muito diferentes. Assinale a 
alternativa errada. 
a) No diamante a ligação entre os átomos de carbono tem uma geometria 
hexagonal que dá simetria espacial ao cristal conferindo-lhe altíssima 
dureza. 
b) O grafite pode conduzir eletricidade. 
c) No diamante a ligação entre os átomos de carbono tem geometria 
tetraédrica. 
d) O grafite tem estrutura cristalina hexagonal compacta. 
e) As ligações dos átomos de carbono no diamante são de natureza 
covalente. 
Resp.: a)