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Aula 3 – Tipos de Ligações e EstruturaKelly Benini

2 16/03/2020 Introdução à Ciência dos Materiais

Introdução

Materiais de Engenharia

Gases Nobres: estáveis com 8 (ou 2) elétrons na camada de valência

A maior parte dos outros elementos para adquirirem configuração estável

devem:✓ Receber elétrons✓ Doar elétrons✓ Compartilhar elétrons

Atrações interatômicas

Estrutura Eletrônica dos átomos

Tipos deLigações

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Objetivos da Aula

• Primárias (Iônica, Covalente e Metálica)

• Secundárias (VanDer Waals e Ligações de Hidrogênio)

• Força e Energia de Ligação

Tipos de Ligações

• Molecular

• Amorfa

• CristalinaEstrutura

Tipos de LigaçõesAula 3

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Ligações dos Sólidos

Primárias

✓ Iônica ✓Covalente ✓Metálica

• Comportamento dos líquidos;• Ligações entre as cadeias moleculares de

carbono nos polímeros

• São ligações fortes e rígidas;• Não se desfazem facilmente com o aumento da

temperatura;• Proporcionam módulos de elasticidade (E) relativamente

altos.

Secundárias

✓ Ligações de Van der Waals✓ Ligações de Hidrogênio

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Ligações Químicas dos Sólidos

Ligações Primárias: Iônicas

✓Átomos com um ou dois elétrons na camada de valência perdem estes elétrons e se tornam positivos enquanto outros átomos recebem um ou dois elétrons de forma a

completar a camada de valência e se tornam íons negativos;

✓Atração mútua entre íons positivos e negativos;

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Ligações Químicas dos Sólidos

Ligações Primárias: Iônicas

✓Importante: os átomos de sódio e cloro não se juntam aos pares, pois se assim fosse o sólido NaCl não poderia existir. O que ocorre é que uma carga negativa atrai todas as

positivas e uma carga positiva atrai todas as negativas, sendo a atração igual em todas as direções.

Cloreto de Sódio

(NaCl)

Na+

Cl-

Estrutura cristalina tridimensional

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Ligações Químicas dos Sólidos

Ligações Primárias: Covalentes

✓Átomos podem adquirir oito (ou dois) elétrons na camada de valência através do compartilhamento de elétrons;

✓Combinações diatômicas (H2 , N2, O2, HF);

✓Combinações poliatômicas (metano, água)

Metano - CH4

C

H

H

H

H

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Ligações Químicas dos Sólidos

Ligações Primárias: Metálicas

✓Se um átomo possui poucos elétrons na camada de valência, estes podem ser removidos com facilidade, enquanto que os demais elétrons são fortemente

ligados ao núcleo. Isto forma uma estrutura com íons positivos e elétrons “livres”.

Núvem eletrônica (elétrons que se movem livremente)

Núcleos positivos (núcleos e os elétrons que não pertencem à camada de valência)

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Ligações Físicas dos Sólidos

Ligações Secundárias - Características:

✓Van Der Waals (formações de dipolo);

✓Ligações de Hidrogênio.

Ligações físicas, são fracas comparadas às ligações primárias ou químicas pois ocorre apenas uma atração entre os átomos, sem transferência ou compartilhamento.

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Ligações Físicas dos Sólidos

Ligações Secundárias de Van der Waals:

dipolo-dipolo

dipolo- dipolo induzido

Polarização Molecular – centro das cargas positivas não coincidem com os das cargas negativas

Polarização Flutuante – polarização momentânea ou flutuante

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Ligações Físicas dos Sólidos

Ligações Secundárias de Hidrogênio:

Ligações secundárias entre as moléculas de água (H2O)

Caso especial de polarização molecular. O pequeno núcleo

do H é atraído por elétrons não compartilhados de uma

molécula próxima.

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Ligações Físicas dos Sólidos

Ligações Secundárias - Características:

Ligações Secundárias em polímeros: Cloreto de polivinil

Ligação Secundária

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Força de Ligação

Fo

rça

Atr

açã

oR

ep

uls

ão

Força de atração (Fa)

Força de repulsão (Fr)

Distância interatômica (r)

Força Total (F = Fa+Fr)

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Energia de Ligação

Energia requerida para criar ou romper uma ligaçãoE

ner

gia

P

ote

nci

al (

E)

Atr

ação

Rep

uls

ão Energia Repulsiva (Er)

Energia Atrativa (Ea)

Energia Total E0

Distância interatômica (r)

Fa= - Fr Energia é mínima

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Energia de Ligação

✓A energia no ponto mínimo (E0) representa a energia necessária para separar dois átômos até uma distância infinita;

✓Materiais que possuem alta E0 em geral apresentam temperatura de fusão elevada;

✓Na temperatura ambiente: -Substâncias sólidas são favorecidas por E0 elevada;-Substâncias gasosas são favorecidas por E0 baixa;

-Substâncias líquidas são favorecidas por E0 intermediária.

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Energia de Ligação

Muitos tipos de energia podem mover os átomos de suas posições de Equilíbrio:

- Energia térmica: provoca a movimentação dos átomos através da vibração podendo ser suficiente para separar completamente os

átomos e gaseificar o material;

- Energia elétrica ou mecânica: podem separar o átomos o suficiente para deformar ou romper o material;

Estrutura dos Materiais

Aula 3

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Estrutura dos Materiais

Arranjos que podem ser assumidos pelos átomos no estado sólido

Ligações atômicas

CristalinaAmorfaMolecular

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Estrutura dos Materiais

Estrutura Molecular

Uma molécula pode ser definida como sendo um número limitado de átomos fortemente ligados entre si (principalmente covalentes), mas de forma que as forças de

atração entre as moléculas são fracas (Van der Waals)

Dióxido de carbono

Tetracloreto de carbono

Água H2O

Molecular

Ligação entre as moléculas são fracas

Cada molécula está livre para agir

independentemente

Pontos de fusão e ebulição, e dureza mais baixos

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Estrutura dos Materiais

Hidrocarbonetos saturados - C e H unidos por ligações simples – metano (CH4) e parafina (CnH2n+2 )

Hidrocarbonetos insaturados - C e H unidos por múltiplas ligações (etileno)

Moléculas Poliméricas - grandes moléculas constituídas por pequenas unidades que se repetem- meros

Molecular

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Estrutura dos Materiais

Os polímeros são compostos de cadeia molecular, que em alguns casos apresentam regiões cristalinas.

Molecular

Aleatório“espaguete cozido”

Cristalino“espaguete crú”

Morfologia dos PolímerosConcepção Filosófica

Resinas Amorfas Resinas Semi Cristalinas

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Estrutura dos Materiais

Cristais Moleculares

As moléculas podem formar arranjos cristalinos assim com os átomos e os íons, contudo existem algumas

diferenças:

✓ As moléculas não são esféricas✓ A molécula funciona como uma unidade

✓ As atrações intermoleculares são forças de Van der Waals fracas

Arranjo molecular de uma célula unitária de polietileno

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Estrutura dos Materiais

Estrutura Amorfa (não cristalina)Amorfa

Materiais que não apresentam irregularidade interna – incluem os gases, os líquidos e os vidros

Cristal de quartzo Vidro

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Estrutura dos Materiais

Estruturas Cristalinas: átomos (ou íons) estão posicionados em um arranjo periódico e que se repete em grandes distâncias atômicas

✓Todos os metais;

✓Muitos cerâmicos;

✓Alguns polímeros são semicristalinos.

Cristalina

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Estrutura dos Materiais

Monocristais : arranjo periódico perfeito e repetido de átomos que se estende por toda a amostra

Monocristal de Platina Monocristal de Diamante

Cristalina

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Estrutura dos Materiais

✓Metais são compostos por um conjunto de cristais pequenos ou

grãos e portanto são denominados policristalinos

Policristalino

Contorno de grão

Cristalina

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Estruturas Cristalinas dos Metais

CFC –Cúbico de Face Centrada

✓Alumínio ✓Cobre ✓Prata ✓Ouro ✓Níquel

Cristalina

29 16/03/2020 Introdução à Ciência dos Materiais

Estrutura Cristalina dos Metais

CCC –Cúbico de Corpo Centrada

Cristalina

✓Cromo ✓Ferro ✓Tungstênio

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Estrutura Cristalina dos Metais

HCP – Hexagonal Compacto

✓Cobalto ✓Magnésio ✓Titânio ✓Zinco

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Sistemas Cristalinos

Classificação de acordo com os arranjos atômicos e configuração das células unitárias.

Existem sete sistemas cristalinos principais de acordo

com as arestas (a, b e c ) e ângulos (α, β e φ).

Estrutura Cristalina das Cerâmicas

• Estruturas do tipo AX – Números iguais de cátions e ânions

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Cloreto de Sódio – Sal-gema

Gerado a partir de um arranjo CFCpara os ânions com um cátion

localizado no centro do cubo e um cátion no centro de cada uma das 12

arestas

Estrutura Cristalina das Cerâmicas

• Estruturas do tipo AX – Números iguais de cátions e ânions

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Cloreto de Césio

Ao ânions estão localizados em cada um dos vértices do cubo, enquanto o

centro do cubo contém um cátion.

Não é CCC pois estão envolvidos íons de dois tipos diferentes!

Estrutura Cristalina das Cerâmicas

• Estruturas do tipo AmXp – Números iguais de cátions e ânions

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Fluorita (CaF2)

Os íons de cálcio estão posicionados nos centros de cubos e os de flúor no vértice. Uma célula unitária consiste

em oitos cubos.

• CALLISTER JR., W. D. Fundamentos da Ciência e Engenharia de Materiais: Uma abordagem integrada, 2ª ed,

Rio de Janeiro: LTC, 2006.

• VAN VLACK, H. L. Princípios de Ciência dos Materiais, São Paulo: Cengage Learning, 2008.

• ASKELAND, D. R. e PHULÉ, P. P. Ciência e Engenharia dos Materiais, São Paulo: Edgar Blucher, 1970.

REFERÊNCIAS E BIBLIOGRAFIA CONSULTADA

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