respostas 1º lista de exercícios de prop materiais

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EXERCÍCIOS DE CIÊNCIA DOS MATERIAIS 
 
1. Cite as principais características apresentadas pelas seguintes classes de materiais, dando um 
exemplo para cada uma delas: 
Metais 
Formados por um ou mais elementos metálicos e com frequência por elementos não 
metálicos em quantidade relativamente pequena (liga AlCu, Fe-C) 
Possuem ligação arranjada de maneira muito ordenada (rede cristalina) 
São relativamente densos 
Elétrons não ligados a nenhum átomo em particular, tornando-os bons condutores 
térmico e elétricos (Alumínio) 
Em relação às características mecânicas, são dúcteis e resistentes a fratura, tendo 
grande aplicação estrutural. 
 
Cerâmicos 
Compostos formados por elementos metálicos e não metálicos, na maioria das vezes 
são óxidos, nitretos e carbetos (Al2O3, SiC, Si3N4) 
São geralmente isolantes térmicos e elétricos; 
São resistentes a altas temperaturas e ambientes severos; 
Possuem baixa densidade; 
Em relação às características mecânicas, as cerâmicas são duras, porém frágeis. 
 
Polímero 
Compostos orgânicos baseados em Carbono, Hidrogênio e outros elementos não 
metálicos; 
São constituídos de moléculas muito grandes (macromoléculas); 
Possuem baixa densidade e podem ser muito flexíveis; 
Incluem as famílias de plásticos e borrachas; 
Devido sua densidade reduzida, podem muitas vezes possuir resistência em relação a 
massa semelhante a dos metais e cerâmicos. 
 
Compósitos 
São constituídos de mais de um material insolúvel entre si; 
Projetados para possuírem a combinação das melhores características de cada material 
constituinte. 
 
Semicondutores 
Possuem características intermediárias entre condutores e isolantes elétricos; 
Possuem características elétricas extremamente sensíveis a presença de pequenas 
quantidades de impurezas. 
 
Biomateriais (Mat. Biocompatíveis) 
São materiais empregados para implantes em partes de seres humanos; 
Não devem produzir substâncias tóxicas e devem ser compatíveis com os tecidos do 
corpo humano; 
Todos os materiais citados anteriormente podem ser utilizados como Biomateriais se 
satisfizerem essas características. 
2. Cite de forma resumida as principais diferenças entre ligação iônica, covalente e metálica. 
R: A ligação metálica não é direcional, forma-se com átomos de baixa eletronegatividade, 
sendo o tipo de ligação dos metais e ligas metálicas; 
Já a ligação covalente é direcional, possuindo ângulos bem definidos, apresentando um certo 
grau de ligação iônica, forma-se com átomos de alta eletronegatividade, é uma ligação mais 
forte que a metálica, sendo o tipo de ligação predominante nos materiais poliméricos. Por fim, 
a ligação iônica, não é direcional, ocorre uma atração mútua, mas forma-se com átomos de 
diferentes eletronegatividades (um com alta e outro com baixa), é uma ligação muito forte, 
por isso o elevado ponto de fusão desses materiais, é a ligação predominante nos materiais 
cerâmicos. 
 
3. Qual o tipo de ligação química é usualmente presente nos seguintes materiais? 
Metais = ligação metálica 
Cerâmicos = ligação iônica (predominante) podendo possuir certo caráter covalente 
Polímero = ligação covalente (predominante) podendo possuir certo caráter iônico 
Compósitos = 
Semicondutores = 
Biomateriais (Mat. Biocompatíveis) = 
 
4. Qual o tipo de ligação você esperaria que se formasse para os seguintes compostos: 
Bronze (liga de Cu e Sn), GaSb, Al2O3 e nylon. 
Ligação metálica 
Ligação metálica 
Ligação Iônica 
 
5. Dê sua opinião sobre a seguinte afirmação: Quanto maior a diferença nas eletronegatividades, mais 
covalente é a ligação. 
R: Afirmação falsa, pois quanto maior a diferença de eletronegatividade, maior o caráter iônico da 
ligação, haja vista que não há direcionalidade e sim uma atração mútua devido a diferença de 
eletronegatividade. 
 
6. Por que em geral os metais apresentam alta condutividade térmica e elétrica? 
R: Devido os elétrons não permanecerem ligados a nenhum átomo específico, aumentando a 
mobilidade entre eles. Esta mobilidade de elétrons aumenta a condutância térmica e elétrica. 
 
7. Explique porque geralmente materiais covalentes são menos densos que materiais metálicos e 
iônicos. 
 
8. Calcule o percentual de caráter iônico presente na ligação dos seguintes compostos: TiO2 e InSb. 
ETi = 1,5eV; EO = 3,5 eV; EIn = 1,7 eV e ESb = 1,9 eV. 
(Fórmula: Fração Covalente = 𝑒−0,25∆𝐸
2
) 
Fração Covalente de TiO2 = 𝑒−0,25∆(3,5−1,5)
2
 = 0,36 
Fração Iônica de TiO2 = 1 - 𝑒−0,25∆(3,5−1,5)
2
 = 0,64 
Fração Covalente de InSb = 𝑒−0,25∆(1,9−1,7)
2
 = 0,99 
Fração Iônica de InSb = 1 - 𝑒−0,25∆(1,9−1,7)
2
 = 0,01 
 
 
9. Considerando a seguinte afirmação correta “quanto mais próximo os átomos, maior a força de 
atração entre eles”, explique porque eles não se chocam. 
R: Eles não se chocam devido haver também um aumento das forças repulsivas entre a sobreposição 
das camadas mais internas. 
 
10. O que determina a distância de equilíbrio entre os átomos? 
R: A soma entre as forças atrativas e repulsivas iguais a zero. 
 
11. Explique porque os metais geralmente se expandem ao serem aquecidos. 
R: Quando os átomos são aquecidos a vibração térmica aumenta, fazendo com que os átomos 
oscilem próximos ao estados de equilíbrio, aumentando a distância média entre os átomos. 
 
12. O que você entende por força de ligação? 
R: São as forças responsáveis por manterem os átomos unidos, ela está relacionada com a inclinação 
da curva entre as forças de ligação e distância interatômica. 
 
13. Como a energia e força de ligação estão relacionadas? 
R: Elas estão relacionadas matemática, sendo que o ponto de equilíbrio, ou seja, soma igual zero 
entre forças atrativas e repulsivas, possui a menor energia. 
 
14. Que tipos de informações podem ser obtidas do gráfico energia de ligação em função da distância 
interatômica? 
R: A temperatura de fusão, pois quanto maior o poço de potencial, maior a temperatura de fusão do 
material. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
LISTA II 
1. R: Os materiais cristalinos possuem arranjo atômico definido e ordem de longo alcance, formando 
uma estrutura tridimensional chamada de rede cristalina, já os materiais não cristalinos não possuem 
ordem de longo alcance, não possuindo assim uma rede cristalina. 
 
2. R: São três as estruturas cristalinas mais comuns: Cúbica de face centrada (CFC), cúbica de corpo 
centrado (CCC) e hexagonal compacta (HC). 
 
3. R: O FEA é o volume dos átomos dentro da célula unitária dividido pelo volume da célula unitária, 
ou seja, é a razão ocupada da célula unitária. Esse fator depende da estrutura cristalina e do 
parâmetro de rede da mesma. 
 
4. R: Fe = CCC 
aCCC = 4𝑟/√3 
rFe = 124 pm 
4 ∗ 124 ∗ 10−12𝑚
√3
= 2,86 ∗ 10−10𝑚 = 2,68 ∗ 10−8𝑐𝑚 
FEA = 
2∗
4
3
𝜋𝑟3
𝑎3
 = 
2∗
4
3
𝜋𝑟3
(4𝑟/√3)3
 = 
2∗
4
3
𝜋
(4/√3)3
 = 0,68 
 
5. R: 
 
6. R: 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
1. O ferro é CCC e seu raio atômico é 0,124x10-9 m. Determine seu parâmetro de rede. 
R: (4𝑟)2 = 𝑎2 + (𝑎√2)
2
 
 
16𝑟2 = 𝑎2 + 2a2 
𝑟2 = √
3𝑎2
16
= 𝑎
√3
4
→ 𝑎𝑐𝑐𝑐 = 
4𝑟
√3
=
4(0,124𝑥10−9)
√3
= 0,286𝜂𝑚