Lista Ciência dos Materiais

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AARE Pós-Graduação Engenharia de materiais
 Ciências dos Materiais: 
Lista de Exercícios 1
1. Disserte com suas próprias palavras sobre a importância da disciplina ciências dos materiais.
	Se observarmos a história da humanidade podemos notar que o domínio dos recursos materias sempre esteve ligado ao poder e estilo de vida da sociedade. Os materiais estão enraizados em nossa cultura, nos transportes, habitação, vestuário, comunicação, recreação, produção de alimentos, entre outros. O conhecimento das relações entre os elementos estruturais dos materiais e suas propriedade é recente, sendo de extrema importância para moldar as características dos materiais, desenvolvendo diversos materiais diferentes, com características específicas para atender as necessidades da sociedade atual. Dessa maneira, a importância da disciplina ciências dos materiais se dá em investigar as propriedades dos materiais, suas relações entre a composição, estrutura, propriedade e processamento. Adquirindo o conhecimento técnico podemos conhecer a resistência de cada material, densidade, peso, dureza, tenacidade, comportamento térmico e diversas outras características. Podemos então atuar em pesquisas de diversas áreas para escolha adequada de qual material utilizar de acordo com cada aplicação, diminuir o custo do material e desenvolver novos materias que visam contribuir para o avanço da sociedade e preservação do meio ambiente.
2. Disserte sobre a relação estrutura vs propriedades, citando 3 exemplos de materias de mesma composição química (alótropos), mas com estruturas diferentes e consequentemente diferentes propriedades.
	As propriedades do material dependem da sua estrutura em diferentes níveis: subatômico, consiste no átomo individual e como se comporta seu núcleo e elétrons; atômico, interação entre átomos e a formação de ligações e moléculas; microscópico, arranjos atômicos e moleculares, formação de estruturas cristalinas, moleculares e amorfa; macroscópico, comportamento do material em serviço. Diferentes estruturas irão apresentar diferentes propriedades e características.
	As diferentes formas alotrópicas de um elemento apresentam propriedades físicas e químicas bastante distintas. No caso do estanho, existem três formas alotrópicas: estanho cinzento (Sn-α), estanho branco (Sn-β) e estanho rômbico (Sn-γ). Cada alótropo apresenta uma estrutura cristalina específica. Entre 13,2°C e 161°C, o estanho é estável na configuração tetragonal de corpo centrado conhecida como estanho branco ou Sn-β, sólido brilhante branco prateado, maleável, moderadamente dúctil e bom condutor. Acima de 161°C, o Sn-β converte-se em Sn-γ quebradiço com configuração cristalina rômbica que se funde a 231,8°C. O Sn-β pode sofrer uma transição alotrópica para uma estrutura cúbica do tipo diamante, conhecido como estanho cinzento (Sn-α), que é sólido cinza escuro não metálico na forma de pó, semicondutor, não dúctil e sem aplicabilidade. A taxa na qual essa mudança ocorre é extremamente lenta; entretanto, quanto menor a temperatura (abaixo de 13,2°C), mais rápida é a taxa de transformação. Acompanhando essa transformação do estanho branco em estanho cinza, ocorre um aumento no volume (27%); de maneira correspondente, ocorre também uma diminuição na massa específica (de 7,30 g/cm 3 para 5,77 g/cm 3 ). Consequentemente, essa expansão no volume resulta na desintegração do estanho branco metálico em um pó grosseiro do alótropo cinza. Em temperaturas subambientes normais, não há necessidade de preocupação com esse processode desintegraçãoem produtos de estanho,uma vez que a transformação ocorre a uma taxa muitíssimo lenta.
3. De acordo com os SEUS conhecimentos adquiridos, dê sua PRÓPRIA definição para o termo materiais.
	O termo materiais está relacionado a matéria, a origem. Diferentes materiais podem ser encontrados nos estados sólido, líquido ou gasoso. São grupos de elementos que podem ser agrupados ou classificados de acordo com suas características, propriedades e estruturas em comum. Quando pensamos em determinado material já vem a nossa mente uma ideia básica do comportamento que esse material irá apresentar, o tipo de ligação encontrada, propriedades que são esperadas, estrutura, entre outras características. Não podemos confiar totalmente nas generalizações pois sempre pode haver uma exceção mas já serve como base do que deve ser esperado.
4. Os materiais atualmente são classificados em três grandes grupos: metais, cerâmicos e polímeros (podendo haver uma classificação mais abrangente: compósitos, semi- condutores e biomateriais). Em relação aos três grandes grupos, defina características e diferenças em relação ao comportamento mecânico;
	Metais são uma combinação de um ou mais elementos metálicos e com frequência também por elementos não metálico. Possuem disponível um grande número de elétrons móveis que permeiam os metais e assim facilitam o transporte de carga e energia térmica. Os átomos nos metais e nas suas ligas estão arranjados de uma maneira muito ordenada com longo alcance, em comparação às cerâmicas e aos polímeros, são relativamente densos. Podemos associar algumas características a esse grupo de materiais como: alta refletividade, relativamente rígidos e resistentes, dúcteis, tendem a deformar de uma maneira plástica antes de quebrar, resistentes à fratura, possuem alta tenacidade, bons condutores de eletricidade e de calor, não são transparentes à luz visível e alguns metais têm propriedades magnéticas.
	Cerâmicas são compostos formados entre elementos metálicos e não metálicos. São relativamente rígidos e resistentes — os valores de rigidez e de resistência são comparáveis aos dos metais, são tipicamente muito duras, possuem extrema fragilidade (ausência de ductilidade) e são altamente suscetíveis à fratura, são tipicamente isolantes à passagem de calor e eletricidade, apresentam altos pontos de fusão. São fortes quando comprimidos, mas exibem muito pouco alongamento plástico quando são aplicadas forças de tração. Podem ser transparentes, translúcidas ou opacas e alguns dos óxidos cerâmicos exibem comportamento magnético.
	Os polímeros apresentam estruturas moleculares muito grandes, em geral na forma de cadeias, que com frequência possuem uma estrutura composta por átomos de carbono. Tipicamente, esses materiais possuem baixas massas específicas, enquanto suas características mecânicas são, em geral, diferentes das características exibidas pelos materiais metálicos e cerâmicos — eles não são tão rígidos nem tão resistentes quanto esses outros tipos de materiais em função de sua densidade reduzida, muitas vezes sua rigidez e sua resistência mecânica em relação à sua massa são comparáveis às dos metais e das cerâmicas. Muitos dos polímeros são extremamente dúcteis e flexíveis (plásticos), o que significa que são facilmente conformados em formas complexas. Em geral, químicamente eles são relativamente inertes, não reagindo em um grande número de ambientes. Uma das maiores desvantagens dos polímeros é sua tendência em amolecer e/ou decompor em temperaturas baixas, o que, em algumas situações, limita seu uso. Apresentam baixa condutividade elétrica e não são magnéticos.
5. Descreva três propriedades mecânicas requeridas para uma raquete de tênis. Qual tipo de material (metal, cerâmico ou polímero) você recomenda para essa aplicação e por quê?
	Resistência mecânica, tenacidade e ser leve. Recomendaria o uso de um metal, como uma liga de Titânio devido à sua alta resistência mecânica, associada ao baixo peso, boa resistência à corrosão e um baixo módulo de elasticidade, que faz com que as características de amortecimento sejam enaltecidas. Para as cordas recomendaria o uso de um polímero que permita que essas se deformem elásticamente durante os golpes ajudando no desempenho.
6. De acordo com a mecânica da fratura, os metais são os materiais mais utilizados porque são os mais ‘’confiavéis’’. Justifique o termo ‘’confiavél’’, segundo os seus conhecimentos.
	À temperatura ambiente, a maioria dos metais e suasligas falha de uma maneira dúctil; isto é, a fratura ocorre após os materiais apresentarem níveis significativos de deformação permanente. Por isso conseguimos visualizar a deformação antes da ruptura, sendo possível um reparo antes que ocorra uma tragédia.
7. Sobre a correlação entre microestrutura e comportamento mecânico pede-se:
a) Faça uma curva tensão vs deformação para os aços carbono 1020 e 1080;
b) Qual o mais tenaz? Qual o mais dúctil? Justifique.
O 1080 é o mais tenaz devido a área sob a curva ser maior. O 1020 é o mais dúctil pois apresenta maior deformação elástica.
8. Disserte com suas PRÓPRIAS PALAVRAS sobre a importância de se estudar a estrutura atômica e as ligações químicas;
	A estrutura atômica e as ligações químicas influenciam diretamente na estrutura do material e suas propriedades, precisamos estuda-lás pra compreender a definição de um átomo, como um átomo se diferencia do outro, suas propriedades como número atômico, massa atômica, comportamento dos elétrons e prótons, como é a carga de cada um, como e por que os átomos se ligam, como as cadeias são formadas, sua configuração eletrônica, entender as características físicas e eletrônicas. As ligações químicas nos explicam a relação entre dois átomos, ou mais, como eles interagem entre si, se atraindo ou se afastando, quais ligações serão mais fortes, quais serão mais fracas, todas essas diferentes possibilidades na microestrutura do material tem grande influência nas características que os mesmos terão, qual comportamento mecânico o material irá apresentar e forma como se comportam. Através do entendimento da estrutura atômica e as ligações químicas podemos entender melhor as propriedade de cada material.
9. Defina o que é um átomo, importância dos elétrons de valência e números quânticos;
O átomo é uma estrutura na qual a matéria está organizada no mundo físico ou na natureza, é a menor parte da qual um elemento pode ser constituído. O átomo é a unidade fundamental da matéria. Ele é formado por um núcleo, que contém nêutrons e prótons, e por elétrons que circundam o núcleo. O termo átomo deriva do grego e significa indivisível.
Os elétrons de valência são extremamente importantes pois a última camada na cadeia de um átomo é a responsável por sua ligação com outras moléculas. É a parte que possibilita conexões entre os diferentes componentes químicos, de acordo com sua compatibilidade eletrônica. Eles participam da ligação entre os átomos para formar agregados atômicos e moleculares. Além disso, muitas das propriedades físicas e químicas dos sólidos estão baseadas nesses elétrons de valência.
Os números quânticos são quatro: principal (n), secundário (l), magnético (m ou ml) e spin (s ou mS). A impostância deles reside no fato de poder a partir desses dados identificar o material (espectroscopia), bem como determinar características físicas e eletrônicas. O número quântico principal (n) é aquele que indica os níveis de energia, ou seja, a camada eletrônica em que o elétron está. O número quântico secundário, azimutal ou de momento angular (l) é aquele que indica os subníveis de energia, ou seja, o subnível de energia a que o elétron pertence. O número quântico magnético (m ou m1) é aquele que indica a órbita onde os elétrons se encontram. O número quântico de spin (s ou mS) é aquele que indica o sentido de rotação do elétron.
10. O conceito de ‘valência’ se refere a:
a) A carga do íon;
b) A força das ligações químicas;
c) A habilidade do átomo de se combinar.
11. Qual a definição de orbital?
a) Ligação química entre um elétron e o núcleo;
b) Região onde há alta probabilidade de se encontrar um elétron;
c) Elétron que orbita próximo do núcleo;
12. Qual a configuração eletrônica de um metal alcalino?
a) ns2;
b) np1;
c) ns1;
Explique como um metal alcalino adquire estabilidade eletrônica;
 	Como possuem apenas um elétron na camada de valência, eles possuem a tendência de perder ou compartilhar esse elétron.
13. A Tabela periódica é um modelo que agrupa 113 elementos entre períodos (linhas) e grupos (colunas). Defina o que é essa tabela, sua importância, explique porque elementos de um. mesmo grupo têm similiaridade de propriedades físicas e químicas (dê exemplos);
	É uma tabela que foi criada para agrupar os elementos químicos e facilitar seu estudo. Na Tabela Periódica, basicamente, estão agrupados os elementos químicos conhecidos, além de suas propriedades. Os elementos estão posicionados em ordem crescente de número atômico, em sete fileiras horizontais chamadas de períodos, Nelas estão os elementos com o mesmo número de camadas eletrônicas. Por sua vez, as Famílias ou Grupos estão nas colunas verticais, ou seja,  a chamada camada de valência. O arranjo é tal que todos os elementos localizados em uma dada coluna ou grupo possuem estruturas semelhantes dos seus elétrons de valência, assim como propriedades químicas e físicas similares. 
	Os elementos pertencentes a uma mesma família ou grupo apresentam propriedades químicas semelhantes, pelo fato de possuírem o mesmo número de elétrons na camada de valência. Exemplo Lítio e Sódio pertencem ao grupo 1 dos metais alcalinos, são metais, são excelentes condutores de eletricidade, moles e altamente reativos. As propriedades químicas e físicas estão intimamente relacionadas com sua estrutura eletrônica e seu tamanho. Geralmente formam compostos univalentes, iônicos e incolores. Possuem um elétron de valência na camada mais externa. Esse elétron é fracamente ligado ao núcleo por encontra-se bastante afastado dele, podendo ser removido facilmente. Os demais elétrons, por estarem mais próximos ao núcleo, são mais firmemente ligados e removidos com dificuldade. As baixas energias de coesão acarretam as baixíssimas temperaturas de fusão e de ebulição, 181ºC para o Lítio e 97,79ºC para o Sódio.
14. Quanto maior o número atômico (Z) de um elemento tanto maior será seu caráter metálico. Por quê?
Porque o que determina se um átomo irá ganhar ou perder elétrons é o elétron de valência, então quanto mais afastado esse elétron está do núcleo menos força irá exercer nele deixando esse elétron “livre”.
15. Qual o objetivo de um elemento ao fazer uma ligação química? E como isso pode ser realizado?
	Para adquirir estabilidade. Através de três maneiras: perdendo elétrons, recebendo elétrons ou compartilhando elétrons.
	
16. Como as ligações químicas são classificadas? Descreva citando características e diferenças entre elas;
	São classificadas de acordo com sua intensidade, em primárias (fortes) e secundárias (fracas). 
	Ligação Iônica envolve tanto elementos metálicos quanto não metálicos, ou seja, elementos que estão localizados nas extremidades horizontais da tabela periódica. Ocorre a transferência completa de um ou mais elétrons de um átomo a outro, os átomos de um elemento metálico perdem com facilidade seus elétrons de valência para os átomos de elementos não metálicos. Essa ligação ocorre quando a diferença de eletronegatividade é alta. Nesse processo, todos os átomos adquirem configurações estáveis ou de gás inerte e, ainda, uma carga elétrica, se tornam íons. A ligação iônica é denominada não direcional; isto é, a magnitude da ligação é igual em todas as direções ao redor do íon. Como consequência, para que os materiais iônicos sejam estáveis, em um arranjo tridimensional, todos os íons positivos devem ter, como seus vizinhos mais próximos, íons carregados negativamente, e vice-versa. As energias de ligação, que variam geralmente entre 600 e 1500 kJ/mol, são relativamente grandes, o que se reflete em temperaturas de fusão elevadas. As ligações interatômicas são representativas dos materiais cerâmicos, que são caracteristicamente duros e frágeis e, além disso, isolantes elétricos e térmicos.
	Ligação Covalente materiais cujos átomos têm pequenas diferenças em eletronegatividade, isto é, que estão localizados próximos um do outro na tabela periódica. Para esses materiais, as configurações eletrônicas estáveis são adquiridas pelo compartilhamento de elétrons entre átomosadjacentes. Dois átomos que estão ligados de maneira covalente vão contribuir, cada um, com pelo menos um elétron para a ligação, e os elétrons compartilhados podem ser considerados como pertencentes a ambos os átomos. Adicionalmente, existe uma superposição de orbitais eletrônicos na região entre os dois átomos da ligação. A ligação covalente é direcional, ocorre entre átomos específicos e pode existir apenas na direção entre um átomo e o outro que participa do compartilhamento dos elétrons. Esse tipo de ligação é encontrado em sólidos elementares, tais como o diamante (carbono), o silício e o germânio, assim como em outros compostos sólidos cuja composição inclui elementos localizados no lado direito da tabela periódica. As ligações covalentes podem ser muito fortes ou podem ser muito fracas. Uma vez que os elétrons que participam nas ligações covalentes estão firmemente presos aos átomos da ligação, a maioria dos materiais ligados covalentemente é composta por isolantes elétricos, ou, em alguns casos, por semicondutores. Os comportamentos mecânicos desses materiais variam de uma forma ampla: alguns são relativamente resistentes, outros são fracos; alguns falham de uma maneira frágil, enquanto outros experimentam quantidades significativas de deformação antes da falha. É difícil prever as propriedades mecânicas dos materiais ligados covalentemente com base nas características das ligações.
	Ligação Metálica é encontrada nos metais e nas suas ligas, os elétrons de valência não estão ligados a nenhum 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 um “mar de elétrons” ou uma “nuvem de elétrons”. Os elétrons restantes, os que não são elétrons de valência, juntamente com os núcleos atômicos, formam o que é denominado núcleos iônicos, os quais possuem uma carga resultante positiva com magnitude equivalente à carga total dos elétrons de valência por átomo. A ligação metálica exibe uma natureza não direcional, pode ser fraca ou forte. Os metais são bons condutores tanto de eletricidade quanto de calor, como consequência dos seus elétrons livres. 
	Ligações secundárias, ou de van der Waals, envolvem átomos ou grupos de átomos, atuando como dipolos elétricos. Esses dipolos são formados quando forças fracas de atração eletroestática atraem outros átomos. São ligações fracas quando comparadas às ligações primárias ou químicas. As ligações secundárias existem entre praticamente todos os átomos ou moléculas, mas sua presença pode ficar obscurecida se qualquer um dos três tipos de ligação primária estiver presente. As forças de ligação secundárias surgem a partir de dipolos atômicos ou moleculares. As interações de dipolo ocorrem entre dipolos induzidos, entre dipolos induzidos e moléculas polares (que possuem dipolos permanentes) e entre moléculas polares. 
	Ligações de Dipolo Induzido Flutuantes é um tipo de ligação de van der Waals. Essas forças atrativas podem existir entre grandes números de átomos ou moléculas, cujas forças são temporárias e flutuam ao longo do tempo. As temperaturas de fusão e de ebulição são extremamente baixas para os materiais em que há predominância da ligação por dipolos induzidos. Entre todos os tipos de ligações intermoleculares possíveis, essas são as mais fracas.
	Ligações entre Moléculas Polares e Dipolos Induzidos a magnitude dessa ligação será maior que aquela associada aos dipolos induzidos flutuantes. Em algumas moléculas, há momentos dipolo permanentes em virtude de um arranjo assimétrico de regiões carregadas positivamente e negativamente; tais moléculas são denominadas moléculas polares. As moléculas polares também podem induzir dipolos em moléculas apolares adjacentes, e uma ligação se formará como resultado das forças de atração entre as duas moléculas. 
	Ligações de Dipolos Permanentes, as energias de ligação associadas são significativamente maiores que aquelas para as ligações que envolvem dipolos induzidos. O tipo mais forte de ligação secundária, a ligação de hidrogênio, é um caso especial de ligação entre moléculas polares. A magnitude da ligação de hidrogênio é geralmente maior que aquela para os outros tipos de ligações secundárias. As temperaturas de fusão e de ebulição para o fluoreto de hidrogênio, a amônia e a água são anormalmente elevadas para os seus baixos pesos moleculares como consequência da ligação de hidrogênio.
17. O processo de uma ligação iônica é formado por:
a) Compartilhamento de elétrons;
b) Transferência de elétrons;
c) Deslocalização de elétrons;
18. Uma característica importante de uma ligação iônica é:
a) Fortemente direcional;
b) Completamente não-direcional;
c) Ligação que ocorre entre átomos de um mesmo elemento;
19. A eletronegatividade de um átomo é medida pela sua tendência de:
a) Atrair elétrons;
b) Repelir elétrons;
c) Formar ligações covalentes;
20. Sabemos que para adquirir estabilidade eletrônica, os elementos se combinam fazendo ligações químicas. Considerando as ligações primárias, sabe-se que: na ligação iônica um elemento perde (elétrons) para outro ganhar. Na ligação covalente um elemento compartilha (um ou mais pares de elétrons) com outro elemento. E na ligação metálica os elétrons ficam livres (nuvem eletrônica) para irem para onde quiserem dentro da rede. De acordo com SUA natureza química (natureza pessoal filosófica) que tipo de ligação primária (iônica, covalente, metálica) você teria tendência NATURAL em fazer? Disserte em no mínimo 10 linhas.
	De acordo com minha natureza me sinto viva, como um ser humano pensante e ativo estou sempre em movimento, sendo necessário um gasto constante de energia para que meu corpo consiga manter o funcionamento do meu raciocínio, dos meus músculos, orgãos, temperatura equilíbrada e demais funções exercidas por ele. Sendo assim mais complexas serão minhas ligações e mais difíceis de serem rompidas, visto que a vida é baseada em interações químicas. Sabendo que o carbono é o elemento químico fundamental da vida, estando presente na composição de todas as formas orgânicas existentes na natureza e responsável por processos fundamentais para a existência da vida na face da Terra, minha tendência natural seria de fazer ligações químicas covalentes entre moléculas poliméricas. O carbono parece ser o único elemento capaz de formar polímeros que rápidamente sofrem alterações químicas e assim dar continuidade as mudanças necessárias para evolução.