lista exercicios CIENCIA DOS MATERIAIS 2

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Fortaleza: Rua Carneiro da Cunha, 180 – Jacarecanga Maracanaú: Rodovia Maranguape, 8885 – Jaçanaú 
CIÊNCIA DOS MATERIAIS 
LISTA DE EXERCÍCIOS 
 
1. Diversas propriedades dos sólidos estão relacionadas à Estrutura Cristalina. Não 
somente materiais com diferentes estruturas cristalinas, mas materiais cristalinos e 
não-cristalinos apresentam propriedades marcantemente diferentes. 
CALLISTER JUNIOR, W. D. Ciência e Engenharia de Materiais: uma Introdução. 
7ªEdição. Rio de Janeiro: LTC EDITORA, 2016. 
 
Diante do exposto, aborde as características de um material cristalino e diferencie de 
um material amorfo? (valor: 1 ponto) 
 
Os materiais sólidos podem ser classificados de acordo com a regularidade com a 
qual átomos ou íons são arranjados um em relação ao outro. Um material cristalino 
é aquele em que os átomos estão situados em um arranjo repetitivo ou periódico por 
grandes distâncias atômicas; isto é, existe uma ordem de longo alcance, de modo 
que, após a solidificação, os átomos se posicionem em um padrão tridimensional 
repetitivo, no qual cada átomo está ligado aos átomos do vizinho mais próximo. 
Todos os metais, muitos materiais cerâmicos e certos polímeros formam estruturas 
cristalinas sob condições normais de solidificação. Para aqueles que não cristalizam, 
esta ordem atômica de longo alcance está ausente; estes são os não cristalinos ou 
materiais amorfos. Foi mencionado que os sólidos não cristalinos carecem de uma 
sistemática regular de arranjo de átomos em distâncias atômicas relativamente 
grandes. Às vezes, esses materiais também são chamados amorfos (significando 
literalmente sem forma) ou líquidos super-resfriados, na medida em que sua 
estrutura atômica se assemelha à de um líquido. Uma condição amorfa pode ser 
ilustrada por comparação do cristalino e estruturas não cristalinas do composto 
cerâmico dióxido de silício (SiO2), que pode existir em ambos os estados. As figuras 
3.38a e 3.38b apresentam esquemas bidimensionais diagramas para as duas 
estruturas de SiO2, nas quais o SiO44- tetraedro é o básico unidade (Figura 3.10). 
Mesmo que cada íon silício se ligue a quatro íons de oxigênio para ambos, além 
disso, a estrutura é muito mais desordenada e irregular para o estrutura não 
cristalina. Se um sólido cristalino ou amorfo se forma, ele depende da facilidade com 
que uma estrutura atômica aleatória no líquido pode se transformar em um estado 
 
 
 
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ordenado durante solidificação. Os materiais amorfos, portanto, são caracterizados 
por átomos ou moléculas estruturas que são relativamente complexas e só são 
ordenadas com algumas dificuldade. Além disso, o resfriamento rápido através da 
temperatura de condensação favorece a formação de um sólido não cristalino, pois 
pouco tempo é permitido para a ocorrência do processo. Os metais normalmente 
formam sólidos cristalinos; mas alguns materiais cerâmicos são cristalinos, enquanto 
outros (isto é, os vidros de sílica) são amorfos. Os polímeros podem ser 
completamente não cristalino e semicristalino, consistindo em graus variáveis de 
cristalinidade. 
 
 
 
O quartzo, que tem um arranjo ordenado, é uma forma cristalina da sílica (SiO2). 
Quando a sílica (SiO2) é fundida se solidifica, torna-se vidro, arranjo desordenado. 
Exemplo 2 é o CARBONO: 
Na forma DIAMANTE tem; 
-Rede tridimensional de tetraédricos de átomos de carbono (hibridização sp3) 
 
 
 
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-Estrutura muito rígida (a substância mais dura) –Usada como abrasivo. 
-Bom condutor térmico (a rigidez transfere as vibrações atômicas). 
-Isolante elétrico (elétrons não deslocalizados). 
Na forma GRAFITE tem;; 
-Arranjo bidimensional trigonais de átomos de carbono (hibridização sp2). O orbital 2p não 
hibridizado formam ligações onde os elétrons nos orbitais 2p se movem livremente 
-Anéis hexagonais com ligações fortes, mas entre as camadas planas interações fracas. 
-Grafite é mole (usados em lápis e como lubrificante). 
-Condutor de eletricidade -elétrons deslocalizados através dos planos. 
2.A estrutura física dos materiais sólidos com importância para a Engenharia 
depende principalmente do arranjo dos átomos, íons ou moléculas que os 
constituem e das forças de ligação entre eles. Marque V de verdadeiro ou F de falso 
para as seguintes afirmações acerca da abordagem exposta (valor: 1 ponto) 
a) (F) O volume da célula unitária em função do raio atômico da 
estrutura cristalina de face centrada (FCC) é V = 64R3/3x3 ½ 
b) (F) Cada célula unitária da estrutura cristalina cúbica de face centrada 
contém um total de 2 átomos inteiros. 
c) (F) A relação entre o raio atômico e a aresta da estrutura cristalina de 
corpo centrado é R = a/2. 
d) (F) 68% do volume da célula unitária da estrutura cristalina cúbica de 
face centrada é ocupado pelos átomos. O volume restante se 
constitui em espaços vazios. 
e) (F) O volume da célula unitária em função do raio atômico da 
estrutura cristalina de corpo centrado é . 
 
3. Um metal hipotético tem uma estrutura cristalina de corpo centrado (CCC). Seu 
peso atômico é de 52,8 g/mol e o raio atômico, 0,122 nm. a) Determine o número de 
átomos inteiros na célula unitária do metal e b) calcule a densidade desse 
metal.(valor: 1 ponto) 
CCC, P.A = 52,8 g/mol, Raio atômico = 0,122nm 
 
a) 1 átomo inteiro + (8 x 1/8 (parte de átomo)) = 2 átomos, sendo 1 inteiro e 
1 nos 8 vértices. 
 
 
 
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b) densidade = (2 átomos/célula unitária x 52,8 g/mol) / ((64R³/3RAIZ3)nm 
x 6,023x10²³ átomos) 
 
n 2 átomos/célula 
A 52,8 g/mol 
R 0,122 nm 1,22E-08 cm VC 64R³/3RAIZ3 2,23654E-23 cm³ 
NA 6,023E+23 átomos 
Densidade 7,8392312 g/cm³ 
 
 
 
4. Podemos estimar em cerca de 73% a massa do universo visível constituída de H, 
23% de hélio e apenas cerca de 2% para os elementos mais pesados. Essa 
pequena abundância relativa dos elementos com Z>2 esconde sua real importância. 
De fato, a maior parte do material de que nosso planeta e nós mesmos somos 
compostos faz parte dessa pequena porcentagem. A tabela a seguir mostra a massa 
atômica e a abundância dos isótopos naturais de um elemento químico hipotético X. 
Isótopo Abundância (%) Massa atômica (u.m.a) 
32X 89,9 31,9745 
33X 9,98 32,9822 
34X 0,12 33,9954 
 
De acordo com esses dados, determine a massa atômica do elemento X, em u.m.a. 
(valor: 1 ponto). 
 
Elemento X 
Isótopo 
Abundância 
(%) 
 
Massa atômica 
(u.m.a) 
 cálculo 
32X 89,9 x 31,9745 = 28,745 
33X 9,98 x 32,9822 = 3,292 
34X 0,12 x 33,9954 = 0,041 
X 100,00 32,0775 uma 
 resposta: 
 
 
 
 
 
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5. Você sabe qual é o segundo metal mais exportado pelo Brasil? É o nióbio, 
totalizando um ganho de quase dois bilhões de dólares em 2012.O nióbio (Nb) é 
um elemento químico presente na família 5A da tabela periódica, com o número 
atômico 41 e com a massa atômica igual a 92,9 g.mol-1. Ele é um dos metais mais 
resistentes à corrosão e é supercondutor. O Nióbio (Nb) tem um raio atômico de 
0,143 nm e uma densidade de 8,57 g.cm-³. 
 
G1. 'Monopólio' brasileiro do nióbio gera cobiça mundial, controvérsia e mitos. 2017. 
Disponível em: http://g1.globo.com/economia/negocios/noticia/2013/04/monopolio-brasileiro-
do-niobio-gera-cobica-mundial-controversia-e-mitos.html. Acesso em: 30 abr 2019. 
 
Conforme as características do Nb, determine a estrutura cristalina, sabendo que o 
número de Avogadro, No, é 6,02x1023. (valor: 2 pontos). 
 
número atômico = 41 
massa atômica igual = 92,9 g.mol-1 
raio atômico = 0,143 nm 
densidade de 8,57 g.cm-³ 
na = 6,02x1023 
n 2 átomos/célula ESTRUTURA CRISTALINA 
A 92,9 g/mol CCC 
R 0,143 nm 1,43E-08 cm VC 64R³/3RAIZ3 3,60169E-23 cm³ 
NA 6,023E+23 átomos 
Dens 8,5700 g.cm-³ 
Dens 8,5650 g/cm³ 
PROVA DE 
DENSIDADE 
 
 
6. Uma empresa tem duas unidades de produção no estado de São Paulo. Uma fica 
localizada no litoral paulista e outra no interior. Um dos equipamentos usados pela 
empresa funciona com placas metálicas deslizantes. A unidade localizada no litoral 
optou por usar placas de aço galvanizado (aço revestido com fina camada de zinco) 
e a unidade localizada no interior optou por placas de aço sem revestimento. 
Considerando que as manutenções foram exatamente as mesmas nas duas 
 
 
 
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unidades da empresa, após sua análise, avalie as afirmações a seguir em V para 
Verdadeiro e F para Falso. (valor: 1 ponto) 
 
I. (V) As placas metálicas de aço galvanizado são mais resistentes à corrosão, 
sendo, nesse caso, mais adequadas para a unidade localizada no litoral. 
II. (F) O zinco em contato com o ar forma uma película de óxido insolúvel em água, 
que protege a parte interna do metal da oxidação. 
III. (V) As placas de aço (sem revestimento) são menos resistentes à corrosão. 
IV. (V) Metal de sacrifício ou "Ânodo de sacrifício" é qualquer metal utilizado em 
estruturas submetidas a ambientes oxidantes, com o objetivo de ser oxidado em seu 
lugar. 
7. As propriedades de alguns materiais estão diretamente relacionadas às suas 
estruturas cristalinas. Além disso, há diferenças significativas entre as propriedades 
dos materiais cristalinos e não-cristalinos com a mesma composição. Para 
representação de uma estrutura cristalina usa-se os modelos a e b. Disserte sobre 
estes embasando-se na principal diferença existente para o estudo de célula 
unitária. (valor: 1 ponto) 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
A estrutura cristalina encontrada para muitos metais possui uma célula unitária de 
geometria cúbica com átomos localizados em cada um dos cantos e no centro de 
todas as faces do cubo. É apropriadamente chamada de estrutura cristalina cúbica 
centrada na face (FCC). Alguns dos metais familiares tendo essa estrutura de cristal 
 
 
 
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são cobre, alumínio, prata e ouro A Figura a mostra um modelo de esfera rígida para 
a célula unitária da FCC, enquanto que na Figura b os centros atômicos são 
representados por pequenos círculos para fornecer uma melhor perspectiva de 
posições do átomo. Essas esferas ou núcleos de íons tocam um outro na diagonal 
do rosto; o comprimento da aresta do cubo a e o raio atômico R são relacionadas 
pela equação a = 2R(RAIZ(2)). 
Para a estrutura cristalina da FCC, cada átomo de canto é compartilhado 
entre oito unidades células, enquanto um átomo centrado na face pertence a apenas 
dois. Portanto, um oitavo de cada um dos oito átomos de canto e metade de cada 
um dos seis átomos de face, ou um total de quatro átomos inteiros, pode ser 
atribuído a uma determinada célula unitária. Isso é mostrado na figura a, onde 
apenas partes da esfera são representadas dentro dos limites do cubo. 
A célula compreende o volume do cubo, que é gerado a partir dos centros dos 
átomos de canto, como mostrado na figura. As posições de canto e face são 
realmente equivalentes; isto é, tradução do canto do cubo de um átomo de canto 
original até o centro de um átomo de face não altera a estrutura celular. Duas outras 
características importantes de uma estrutura cristalina são a coordenação número e 
o fator de empacotamento atômico (FEA). Para metais, cada átomo tem o mesmo 
número de átomos vizinhos ou próximos mais próximos, que é o número de 
coordenação. 
Para cúbos de face centrada, o número de coordenação é 12. Isso pode ser 
confirmado pelo exame da Figura a; o átomo da frente tem quatro cantos mais 
próximos de átomos ao seu redor, quatro átomos na face que estão em contato por 
trás e quatro outros átomos faciais equivalentes que residem na próxima célula 
unitária à frente, que é não mostrado. O FEA é a fração do volume da esfera sólida 
em uma célula unitária, assumindo o modelo de esfera dura atômica, ou para a 
estrutura da CFC, o fator de empacotamento atômico é 0,74, que é a máxima 
embalagem possível para todas as esferas com o mesmo diâmetro. Os metais 
normalmente têm relativamente grande fatores atômicos de empacotamento para 
maximizar a blindagem fornecida pela nuvem de elétrons livre. 
 
8. O silício (Si) é o segundo elemento mais abundante da face da terra, perfazendo 
25,7% do seu peso. Aparece na argila, feldspato, granito, quartzo e areia, 
 
 
 
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normalmente na forma de dióxido de silício (também conhecido como sílica) e 
silicatos (compostos contendo silício, oxigênio e metais). O Si é o principal 
componente do vidro, cimento, cerâmica, da maioria dos componentes 
semicondutores e dos silicones, que são substâncias plásticas, muitas vezes, 
confundidas com o silício. 
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Diante da aplicação exposta acerca do elemento requerido desenvolva os itens a 
seguir, sabendo que o átomo de Si possui número atômico igual a 14. 
 
 
 
 
 
 
a) Faça a distribuição eletrônica do Si. (valor: 1 ponto) 
1s² 2s² 2p6 3s² 3p² 
 
b) Determine os quatro números quânticos do elétron mais energético da 
camada de valência. (valor: 1 ponto) 
 
n = 3 l = 1 ml = 0 ms = -1/2