FCM 208 Física (Arquitetura)

Estruturas e constituintes da Materia

Prof. Dr. José Pedro Donoso

Universidade de São Paulo

Instituto de Física de São Carlos - IFSC

Classificação dos Materiais

Metais : São resistentes e boms condutores de eletricidade. Muitas de suas

propriedades são atribuidas ao grande número de eletrons não localizados.

Polímeros : materiais sintéticos, compreendem os plásticos e borrac has. São

compostos orgánicos e possuem longas moléculas todas emar anhadas

Cerâmicos : óxidos, nitretos ou carbetos, são compostos com element os

metálicos e não metálicos. Inclui também os minerais argi losos, cimento e

vidros. São duros, porém muito quebradizos.

Compósitos : materiais reforçados com fibras ou partículas. A matrix pode ser

polímérica, metálica ou cerâmica.

Biomateriais : empregados para implantes no corpo humano. Não devem

produzir substâncias tóxicas e devem ser bio - compatíve is

Características dos materiais

Sistemas cristalinos : possuem estrutura regular, periodicidade e ordem de

longo alcance. Os átomos se ordenam em estruturas de diferentes simetrias:

cúbicas, tetragonal, ortorrômbica, etc

Sistemas Poliméricos : (plásticos) estrutura na forma de cadeias.

Fases cristalinas e amorfas

Sistemas amorfos : (vidros) São sistemas desordenados. Estruturas sem

regularidade (não periódicas). Possuem ordem de curto al cance

Argilas e cerâmicas : materiais inorgánicos, não moleculares e não

metálicos

Compósitos : materiais reforçados com fibras ou partículas.

Matrix de polímero, metálica ou cerâmica.

Callister, Ciência e Engenharia de Materiais. Uma introdução (Editora LTC)

Os materiais e suas densidades

Propriedades dos materiais

- mecânicas (resistência, dureza, elasticidade)

- elétricas (condutividade, resistividade elétrica, comportamento dielétrico)

- térmicas (capacidade calorífica, expansão térmica, condutividade térmica)

- óticas (absorção, transmissão, refrigência e trasparência)

- acústicas (absorção acústica)

- magnéticas (diamagnetismo, paramagnetismo, ferromagnetismo)

- nucleares (emissão radioativa)

Leituras recomendadas:W.D. Callister: Ciência e Engenharia de Materiais (Editora LTC)

W.F. Smith: Princípios de Ciência e Engenharia dos Materiais (McGraw Hill)

D.A. Askeland, P. Phulí, The Science and Engineering of Materials (Thomson)

Propriedades mecânicas dos materiais : dureza

Dureza é uma medida da resistência de um material a uma deformação plástica localizada (uma pequena impressão ou um risco). Em 1822, o mineralogista Friedrich Mohs propôs uma escala de dureza para os minerais naturais:

1 – Talco 2 – Gesso 3 – Calcita

4 – Fluorita 5 – Apatita 6 – Ortoclásio

7 – Quartzo 8 – Topázio 9 – Safira ou corundum

10 – Diamante

Ao longo dos anos foram desenvolvidas técnicas quantitativas, como os ensaio de

dureza de Rockwell e de Brinell, e os ensaios de microdureza de Knoop e Vickers

Callister, Ciência e Engenharia de Materiais (Editora LTC)Coleção Conhecer Atual: Ciências (Editora Nova Cultura)

Sólidos cristalinos

Estes sólidos possuem ordem de longo alcance, pois conservam a regularidade da

estrutura que se repete indefinidamente em todas as direções.

A menor unidade de um cristal é a célula unitária que, ao ser colocadas uma ao lado

da outra num arranjo periódico, reproduzem todo o cristal.

Os arranjos que os átomos formam no cristal são chamados de rede cristalina.

Também pode-se formar um sólido policristalino constituído por muito pequenos

monocristais dispostos de forma desordenada dentro do material.

O parâmetro de rede mede a dimensão da célula unitária. Nos cristais iônicos, por

exemplo, este parâmetro varia entre 4 Å no LIF até 7.4 Å no RbI

Unidade: angstrom, 1 Å = 10-8 cm = 10-10 m = 10 nm (nanometro)

Tem uma estrutura chamada de

cúbica de faces centradas, na

qual cada íon tem 6 vizinhos mais

próximos com a carga oposta.

A maioria dos cristais iônicos,

como LiF, KCl e AgCl, possui

esta estrutura.

Alguns elementos, como prata, o

alumínio, o ouro, o cálcio, o

cobre, o níquel e o chumbo,

também cristalizam com esta

estrutura.

O parâmetro de rede (ou seja, a

dimensão da célula) deste cristal

é de 5.6 Å (56 nanometros).

Cristal de cloreto de sódio, NaCl

Coleção Conhecer Atual: Ciências(Editora Nova Cultura, 1988)

Shriver & Atkins, Química Inorganica (Bookman, 2008)

Estruturas de sólidos cristalinos

Estrutras

cristalinas

Shriver & Atkins, Química Inorganica (Bookman, 2008)

Wurtzita →

← Perovskita

← NiAs

Esfalerita →

D.A. McQuarrie, P.A. Rock, General Chemistry (3rd edition. Freeman 1991)

O cristal de cloreto de sódio, NaCl tem

uma estrutura cúbica de faces centradas

Outros sistemas cristalinos como CsCl,

CuZn e o CaS, e elementos como o bário,

o césio, o ferro, o potássio, o lítio, e o

sódio, cristalizam com a estrutura cúbica

de corpo centrado na qual cada íon tem 8

vizinhos mais próximos com a carga

oposta.

Estrutras cristalinas do cobre, do tugstênio, do latã o e do ouro

Em alguns sólidos covalentes, a estrutura

cristalina é determinada pela natureza direcional

das ligações.

A figura mostra a estrutura cristalina que adota

o carbono no grafite, com camadas planares

separadas por 3.35 Å

Estrutura do grafite

Como consequência das fracas ligações

interplanares, a clivagem interplanar é

fácil, o que dá origem às excelentes

propriedades lubrificantes da grafita

Ela é usada frequêntemente como

elemento de aquecimento em fornos

elétricos

Cristal muito compacto onde cada átomo de carbono

une-se a outros quatro iguais situados nos vértices de

um tetraedro regular.

O diamante é conhecido como o elemento de maior

dureza e os de uso industrial são sintetizados a 2000oC

e pressões de 70 kbar usando catalisadores metálicos.

O diamante é isolante elétrico, sem cor e

muito refrigente (que desvia os raios

luminosos) propriedade que lhe confere grande brilho.

O maior diamante natural encontrado atéagora tem um tamanho de 3160 carat

(1 carat equivale a 0.200 g).

Estrutura do diamante

Coleção Conhecer Atual: Ciências (Editora Nova Cultura)

W.D. Callister, Ciência e Engenharia de Materiais. Uma introdução (Editora LTC)

D.F. Shriver, P.W. Atkins, Química Inorganica (Bookman, 2008)

W.F. Smith: Princípios de Ciência e Engenharia dos Materiais (McGraw Hill)

L.H. Van Vlack, Princípios de Ciência dos Materiais (Editora E. Blucher, 1970)

D.A. Askeland, P. Phulí, The Science and Engineering of Materials (Thomson)

J.W. Hill & D.K. Kolb, Chemistry for changing times, 7th edition (Prentice Hall 1995)

Referências bibliográficas