LISTA 1 - Estrutura dos materiais - exercícios Callister

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Estrutura dos materiais 
Lista de exercícios - 1 
 
1. Qual é a importância da ciência básica e/ou ciência dos materiais para engenharia de 
materiais? Discuta. 
2. Discuta a importância de saber a relação entre estrutura (em várias escalas) e 
propriedades, processamento ou síntese de materiais (metais, cerâmicas e 
polímeros). 
 
3. Discuta a classificação de materiais em função da sua aplicação. Justifique a 
importância deste tipo de classificação. 
 
4. O que é um diagrama de Ashby? Discuta a relação do diagrama de Ashby com a 
estrutura dos materiais e a sua aplicação na engenharia de materiais? 
 
5. O que são propriedades tecnológicas? Cite algumas. Qual é a relação dessas 
propriedades com o processamento e a questão econômica da escolha do material? 
 
6. Discuta a relação entre custo, segurança e desempenho dos materiais. Cite pelo 
menos um exemplo de cada condição em que o custo ou a segurança é prioritário(a). 
 
7. Discuta os modelos quânticos de Bohr e o mecânico-ondulatório. Qual é a 
importância de cada modelo? O que é densidade de probabilidade? 
 
8. O comprimento de onda de um fóton que remove um elétron de uma superfície de 
rubídio (Rd) é de 500 nm, enquanto que para a prata (Ag) é de 261 nm. 
a) Calcule a energia requerida para remover um mol de elétrons de cada superfície. 
b) Qual superfície requer maior energia? 
c) Qual metal poderia ser utilizado numa fotocélula quando se faz incidir luz na 
região do visível sobre a sua superfície? Justifique. 
 
9. Lâmpadas de vapor de sódio, usadas na iluminação publica, emitem luz amarela de 
589 nm. 
a) Calcule a energia emitida por um átomo de sódio excitado quando ele gera um 
fóton. 
b) Calcule a energia emitida por 1,0 g de átomos de sódio emitindo luz a esse 
comprimento de onda. 
 
10. Forneça as configurações eletrônicas para os seguintes Íons 
 
a) P5+ 
b) Sn4+ 
c) I- 
d) Se2- 
 
 
 
11. Determinar se cada configuração eletrônica abaixo é um gás inerte, um halogênio, 
um metal alcalino, um metal alcalino-ferroso ou um metal de transição. Justifica a 
sua escolha. 
 
(a) 1s22s22p63s23p63d74s2 
(b) 1s22s22p63s23p6 
(c) 1s22s22p5 
(d) 1s22s22p63s2 
(e) 1s22s22p63s23p63d24s2 
(f) 1s22s22p63s23p64s1 
 
12. Com a proposta de recobrir a superfície de uma placa de aço de 200 pol2 com 
espessura de 0,002 pol de níquel (a) quantos átomos de níquel será necessário (b) 
quantos moles de níquel será necessário? Dados: Massa atômica do níquel: 
58,71 g/mol e densidade = 8,902 g/cm3. 
 
13. (a) Esquematize no mesmo gráfico as energias potenciais líquidas de distintos 
materiais, um com ligação forte e o outro com ligação relativamente fraca em 
relação ao primeiro material (b) Qual é a relação entre a energia potencial líquida de 
uma ligação química e as propriedades físicas, tais como rigidez, dilatação térmica e 
temperatura de fusão de um determinado material? 
 
14. Berílio e o magnésio, ambos estão na coluna IIA da tabela periódica e são metais 
leves. Qual metal espera-se que tenha uma maior rigidez e, consequentemente, 
maior modulo de Young? Explique considerando energia ligação e raio atômico e 
usando um apropriado esquema de força versus distância interatômica. 
 
15. Alumínio e o silício estão lado a lado na tabela periódica. Qual material espera-se 
que tenha um maior módulo de Young (E). Explique. 
 
16. Explique a correlação da energia de ligação química com o coeficiente de expansão 
térmica dos materiais. Esquematize uma curva de ligação química forte e fraca e 
explique o que acontece quando ambos os materiais são submetidos ao mesmo 
aumento de temperatura. 
 
17. A energia potencial resultante ET entre dos íons adjacentes é algumas vezes 
representada por a expressão. 
 
)exp(

r
D
r
C
ET −+−= 
 
Onde r representa a separação inter-iônica e C, D e  são constantes cujos valores 
dependem do material. Desenvolva uma expressão para a energia de ligação Eo em 
 
 
termos da separação inter-iônica de equilíbrio ro e das constantes D e  usando o 
seguinte procedimento. 
• Derive a expressão em relação à r e então iguale a zero o resultado, logo resolva 
a expressão para C em termos de D, , e ro; e o resultado final deve ser 
substituído na expressão inicial. 
 
18. (a) O que é uma ligação iônica? (b) Cite exemplos de materiais com ligações 
iônicas. 
 
19. Calcule a força de atração entre o K+ e o O2-, considerando que a distância entre os 
dois centros dos íons estão separados a uma distância de 1,5 nm. 
 
20. Calcule a força de atração entre um íon Ca2+ e um íon O2- cujos centros estão 
separados por uma distância de 1,25 nm. 
 
21. Para que os materiais iônicos sejam estáveis, em um arranjo tridimensional todos 
os íons positivos devem possuir íons carregados negativamente como seus vizinhos 
mais próximos, e vice-versa. Consequentemente, o número de coordenação (isto é, 
o número de ânions vizinhos mais próximos para um cátion) está relacionado com a 
razão entre o raio do cátion e o raio do ânion. (a) Calcule a razão dos raios mínima 
para um número de coordenação de 6. (b) Calcule a razão dos raios mínima para um 
número de coordenação de 8. 
 
22. (a) Descreva uma ligação covalente. (b) Cite exemplos de materiais com ligações 
covalentes. 
 
23. Dê uma explicação para a razão pela qual os materiais ligados covalentemente são, 
em geral, menos densos do que aqueles ligados por meio de ligação iônica ou 
metálica 
 
24. Calcule os percentuais de caráter iônico para as ligações interatômicas em cada um 
dos seguintes compostos. 
a.) MgO 
b.) GaP 
c.) CdS 
d.) FeO 
e.) SiO2 
f.) Al2O3 
 
25. (a) O que é uma ligação metálica? (b) Cite exemplos de materiais com ligações 
metálicas. 
 
 
 
26. (a) O que e quais são ligações secundárias? (b) Qual é a importância destas ligações 
para definir propriedades e aplicações dos materiais? (c) Cite exemplos de materiais 
com ligações secundárias. 
 
27. Uma forma comum para descrever a curva de energia de ligação para ligação 
secundária é o potencial “Lennard-Jones”, que afirma: 
 
𝑉(𝑟) = 
𝐴
𝑟12
−
𝐵
𝑟6
 
 
onde A e B são constantes para repulsão e atração, respectivamente. Essa forma 
relativamente simples é resultado da mecânica quântica para esse tipo de ligação 
relativamente simples. Dados A = 16,16 x 10 -135 J.m12 e B = 10,37 x 10 -78 J.m6. 
Calcule o comprimento de ligação e a energia de ligação para o argônio. 
 
28. Para um par iônico K+ — Cl-, as energias atrativa e repulsiva EA e ER, 
respectivamente, dependem da distância entre os íons r, de acordo com as 
expressões. 
 
(a) Superponha em um único gráfico ET, ER e EA em função de r, até uma distância 
de 1,0 nm. (b) Com base neste gráfico, determine (i) o espaçamento r0 entre os íons 
K+ e Cl- em condições de equilíbrio, e (ii) a magnitude da energia de ligação Eo 
entre os dois íons. 
 
29. (a) O que é uma estrutura amorfa ideal e qual é a diferença em relação a uma 
estrutura amorfa real? 
 
30. Discuta as características e explique o que é uma estrutura amorfa (não cristalina e 
aleatória) em termos de energia ligação química e de energia livre de Gibbs. 
 
31. Qual é a distinção entre a temperatura de transição vítrea e a temperatura de fusão? 
Qual é a relação dessas temperaturas com as estruturas amorfas e cristalinas 
(periódica e simétrica)? 
 
32. Discuta a técnica de análise térmica DTA para determinação da temperatura de 
transição vítrea e de fusão 
 
 
 
33. Oual é a relação da viscosidade com o material com estrutura amorfa? Qual é a 
definição matemática de viscosidade? 
34. (a) Como podemos identificar se o material tem estrutura ordenada de longo 
alcance atômico (cristalina e simétrica) ou amorfa (não cristalina, ordem aleatória)? 
(b) Desenhe os gráficos: Viscosidade em função da temperatura e Volume 
específico em função da temperatura 
 
35. O vidro é considerado como um material cerâmico, mas discuta como podemos 
definir o vidro?36. Explique a teoria de Goldschmidt para a formação de vidros? 
 
37. Quais são as regras de Zachariasen para a formação de vidros? 
 
38. Compare os pontos de amolecimento para os vidros dos tipos 96% sílica, 
borossilicato e soda-cal. 
 
39. Compare as temperaturas nas quais os vidros dos tipos soda-cal, borossilicato, 96% 
sílica, e sílica fundida podem ser recozidos? 
 
40. Para muitos materiais viscosos, a viscosidade pode ser definida em termos da 
expressão: 
 =

𝑑
𝑑𝑡
 
 
onde  e d/dt representam, respectivamente, a tensão de tração e a taxa de 
deformação. Uma amostra cilíndrica de um vidro de soda-cal com diâmetro de 
5 mm e comprimento de 100 mm é submetida a uma força de tração de 1 N ao 
longo do seu eixo. Se a sua deformação deve ser inferior a 1 mm ao longo de um 
período de uma semana, utilizando a Figura abaixo, determine a temperatura 
máxima à qual a amostra pode ser aquecida. 
 
 
 
 
 
41. A viscosidade de um vidro varia em função da temperatura de acordo com a 
seguinte relação 
 
onde Qvis representa a energia de ativação para o escoamento viscoso, A é uma 
constante independente da temperatura, e R e T são, respectivamente, a constante 
dos gases e a temperatura absoluta. Um gráfico de In  (Pa.s) em função de 1/T 
(Kelvin-1) deve ser quase linear, possuindo uma inclinação (coeficiente angular) de 
Qvis/R. Usando os dados apresentados na figura acima (Ex. 40). (a) Construa um 
gráfico desse tipo para o vidro borossilicato e (b) determine a energia de ativação 
entre as temperaturas de 500 e 900°C. 
 
42. (a) Qual é a relação da viscosidade com os parâmetros de processo para fabricação 
do vidro? (b) Cite os principais parâmetros de processo? 
 
43. O que são vitrocerâmicas? 
 
44. Explique porque os materiais poliméricos são normalmente amorfos? 
 
 
 
45. (a) O que são metais amorfos? (b) Qual é o tipo de ligação química nestes 
materiais? 
 
46. (a) Como obter metais amorfos? Cite as principais técnicas. (b) Qual é a técnica 
aplicada em escala industrial? Descreve-a. 
 
47. . (a) Pesquise uma composição química de metal amorfo. (b) Cite e explique, pelos 
menos, quatro características dos metais amorfos 
 
48. Por que alguns materiais esportivos são confeccionados de metais amorfos?