TC030 Estrutura atômica da matéria e ligações químicas - Prof.a

Estrutura atômica e molecular dos materiais

NAYARA S. KLEIN

Curitiba – PR, 01 de agosto de 2016.

Disciplina:TC 030 MATERIAIS DE CONSTRUÇÃO I

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Introdução

ESTRUTURA ATÔMICA

ESTRUTURA ATÔMICA E MOLECULAR DOS MATERIAIS

A estrutura de um material pode ser dividida em 4 níveis:

• Estrutura atômica• Arranjo atômico• Microestrutura• Macroestrutura

No âmbito da engenharia, os estudos em níveis micro e macroestruturais (propriedades) são os mais importantes.

Porém, é importante retroceder à estrutura dos átomos e seus arranjos, pois estas influenciam de maneira significativa as propriedades físicas e o comportamento mecânico dos materiais.

Profa. Nayara S. Klein

Estrutura eletrônica do átomo

Natureza da ligação atômica

Características micro e macroestruturais

(Propriedades)

Átomo

ESTRUTURA ATÔMICA

Modelo simplificado do átomo: modelo planetário, com núcleo no centro e

elétrons orbitando a seu redor

ESTRUTURA ATÔMICA E MOLECULAR DOS MATERIAIS Profa. Nayara S. Klein

Átomos são partículas submicroscópicas de que toda a matéria é composta.

Elétrons: partículas carregadas negativamente, com carga igual a 1,6x10-19 C.

Prótons: partículas carregadas positivamente, com carga numericamente igual à do elétron, porém de sinal contrário.

Núcleo: prótons + nêutrons

Os elétrons se mantêm ligados ao núcleo por atração eletrostática, já que estes têm cargas de sinais opostos.

Átomo

ESTRUTURA ATÔMICA

Camadas ou níveis quânticos onde os elétrons se distribuem


Os elétrons se distribuem ao redor do núcleo em camadas (K, L, M, N, O, P, Q), definindo níveis crescentes de energia.

Assim, elétrons que pertencem ao nível quântico K pertencem ao primeiro nível quântico (n =1), de menor energia em relação aos demais níveis.

Posições energéticas dos elétrons dentro de um nível: subníveis (s, p, d, f).

Número máximo de elétrons:s: 2; p: 6; d:10; f: 14

Átomo

ESTRUTURA ATÔMICA

Diagrama de Linus Pauling


Distribuição dos elétrons nos níveis e subníveis quânticos:

Estrutura eletrônica do NaNotação eletrônica: 1s2 2s2 2p6 3s1

Átomo

ESTRUTURA ATÔMICA


Átomo

ESTRUTURA ATÔMICA


A valência do átomo está relacionada com a habilidade do átomo para entrar em combinação química com outros elementos, sendo frequentemente determinada pelo número de elétrons na camada mais externa, chamada de camada de valência.

Determina o tipo de ligação química que o átomo desenvolverá

São os elétrons da camada de valência que influenciam a maioria das propriedades dos materiais de interesse para a engenharia:

• Estabelecem a natureza das ligações interatômicas;• Resistência;• Condutividade elétrica;• Propriedades óticas.

Átomo

ESTRUTURA ATÔMICA


Núcleo: prótons + nêutrons

Massa atômica: majoritariamente concentrada no núcleo, já que a massa do elétron é aproximadamente 1/1836 g, ou 0,0005 g, menor que a massa do próton ou nêutron.

Unidade de massa atômica: u.m.a. 1 u.m.a. = 1/12 da massa do cabono 12, o mais comum dos isótopos de carbono

Isso significa que:1g = 6,02x1023 u.m.a. (número de Avogrado)

Influência nas propriedades dos materiais:

• Densidade• Calor específico

Número atômico: indica o número de prótons (ou elétrons) em cada átomo.

Átomo

ESTRUTURA ATÔMICA


Núcleo de urânio composto de 238 partículas, das quais:92 prótons e (238 - 92) = 146 nêutrons.

Número atômico Z

Massa atômica A

Simbolização utilizada, presente na tabela periódica:

Átomo

ESTRUTURA ATÔMICA


Ligações atômicas

ESTRUTURA ATÔMICA


Ligações primárias (fortes):

• Ligação iônica;

• Ligação covalente;

• Ligação metálica.

Ligações secundárias, forças de Van der Walls:

• Dipolo - Dipolo;

• Dipolos induzidos;

• Pontes de hidrogênio.

As ligações atômicas podem ser:


ESTRUTURA ATÔMICA


As ligações iônicas ocorrem pelo aparecimento de forças coulombianas(recebendo e doando elétrons).

Em busca de alcançar o arranjo estável de

8 elétrons na camada de valência, os átomos podem receber ou doar elétrons.


ESTRUTURA ATÔMICA


Formação dos compostos iônicos:

Formação do NaCl, cloreto de sódio ou sal de cozinha


ESTRUTURA ATÔMICA


Eletronegatividade ou caráter ametálico: propriedade periódica que mede a tendência de um átomo em ganhar elétrons.

Variação da eletronegatividade na tabela periódica

Tipo de ligação atômica comum entre metais e não-metais.

Ao se retirar um elétron de um átomo, este deixa de ser neutro, pelo desequilíbrio entre seu número de prótons e de elétrons: ÍONS.

Cátion +

Ânion -


ESTRUTURA ATÔMICA


Propriedades físicas dos compostos iônicos:

• A ligação iônica é não-direcional, e o requisito principal que um material iônico sempre satisfaz é o da neutralidade elétrica: n° + = n° -

• Os materiais iônicos possuem, em geral, condutividade elétrica baixa: a transferência de cargas elétricas é dada pelo movimento de íons inteiros, os quais não se movem tão facilmente como os elétrons;

• Solubilidade em água (maioria);

• Condutividade elétrica quando fundidos ou dissolvidos em água;

• Quando submetidos a esforços mecânicos que ultrapassam sua capacidade resistente, normalmente apresentam comportamento frágil.

Exemplo na engenharia:

Carbonato de cálcio: CaCO3

Carbonato de cálcio


ESTRUTURA ATÔMICA


As ligações covalentes ocorrem por aproximação intensa entre dois átomos que vão se ligar por compartilhamento de elétrons.

Em busca de alcançar o arranjo estável de

8 elétrons na camada de valência, os átomos não

perdem nem ganham elétrons, mas sim os

compartilham.


ESTRUTURA ATÔMICA


Formação dos compostos covalentes:

Molécula de oxigênio, O2

Molécula de metano, CH4

Os elementos não perdem nem ganham elétrons, mas sim os compartilham.

Por isso, os compostos covalentes são substância cujos componentes não apresentam carga elétrica e interagem entre si direcionalmente.


ESTRUTURA ATÔMICA


A força das ligações covalentes é evidenciada no diamante, constituído inteiramente por carbono, o qual é um mineral de elevada dureza (10 na escala Mohs) e elevada temperatura (3.300°C) para sua dissociação atômica.

O átomo de carbono tem 4 elétrons na camada de valência, que são compartilhados com 4 átomos adjacentes, formando um reticulado tridimensional todo ligado por pares covalentes.

Exoplaneta 55 Cancri-e: fina superfície de grafite cobrindo uma grossa camada de

diamante puro


ESTRUTURA ATÔMICA


Propriedades físicas dos compostos covalentes:

• A ligação covalente é fortemente direcional;• Embora as ligações covalentes sejam muito fortes, materiais ligados dessa

maneira são, em geral, pouco dúcteis;• Apresentam, em geral, baixa condutividade elétrica.

Isso ocorre porque não se consegue facilmente alterar a posição relativa entre os átomos, nem promover o transporte de carga elétrica via movimento de elétrons sem a ruptura das ligações covalentes.


Vidros: se estilhaçam;Polímeros: não são bons condutores elétricos;Aditivos: cadeias lineares que aderem à superfície das partículas de cimento.


ESTRUTURA ATÔMICA


Os metais são estruturas formadas por íons positivos e elétrons livres, que fazem o papel de íons negativos, aparecendo forças elétricas coulombianasde atração entre os átomos.

A ligação metálica pode ser considerada como uma atração entre íons positivos e elétrons livres.


ESTRUTURA ATÔMICA


Os elétrons livres dão aos metais sua elevada condutibilidade elétrica e térmica.

Metais: substâncias simples, formados por um único elemento.

Ligas metálicas: materiais com propriedades metálicas que contêm dois ou mais elementos químicos sendo que pelo menos um deles é metal.


Aço para concreto armado.

Armadura de aço para concreto armado

O aço é uma liga metálicaformada essencialmente por ferro e carbono, com percentagens deste último variando entre 0,008 e 2,11%.


ESTRUTURA ATÔMICA


Propriedades físicas dos compostos metálicos:

• A ligação metálica é não-direcional, pois os átomos “presos” na nuvem eletrônica não são fixados em uma única posição;

• Em geral, apresentam boa ductilidade: sob tensão, quando os átomos são forçados a mudar a relação que têm entre si, simplesmente a direção da ligação é alterada (induzida), ao invés de haver quebra ou ruptura da ligação;

• Bons condutores elétricos e térmicos.


Aço para concreto armado: estricção antes da ruptura


ESTRUTURA ATÔMICA


Forças de Van der Waals:

Ligação secundária fraca, mas que também contribui para a atração interatômica (atrações eletrostáticas).

Em geral se originam de dipolos elétricos, que são consequência da assimetria das moléculas.

+ - + -

São forças de atração que não envolvem cargas individuais ou transferência de elétrons. Elas existem entre todos os íons e átomos de um sólido, mas

podem estar obscurecidas pelas ligações fortes presentes.


ESTRUTURA ATÔMICA



(a) Nas moléculas assimétricas ocorre um desbalanceamento elétricodenominado polarização.

(b) Este desbalanceamento produz um dipolo elétrico com uma extremidadepositiva e outra negativa.

(c) Os dipolos resultantes originam forças de atração secundárias entre asmoléculas. A extremidade positiva de um dipolo é atraída pela negativa deoutro.

Ácido fluorídrico, HF


ESTRUTURA ATÔMICA



Pontes de hidrogênio:

É um caso particular de atração por moléculas polares, em que a carga positivado núcleo do átomo de hidrogênio de uma molécula é atraída pelos elétronsde valência de átomos de moléculas adjacentes.

Exemplo: água.É a mais forte dentre as ligações

secundárias.

Energia de ligação:

Pontes de hidrogênio ≈ 30 kJ/molDipolos ≈ 5 kJ/mol

Influi no comportamento da água: tensão superficial, viscosidade e fenômenos de sorção, em geral.


ESTRUTURA ATÔMICA



Aditivos químicos plastificantes e superplastificantes.

Antes Depois

Aglomeração e dispersão das partículas de cimento em argamassas e concretos

Cadeias de aditivos envolvem as partículas de cimento, conferindo a estas cargas -


ESTRUTURA ATÔMICA




Slump test: concreto convencional e concreto auto-adensável, CAA-

O uso de aditivo superplastificante faz com que os aglomerados de partículas de cimento sejam separados, liberando a água presente em seu interior. Esta

água livre, fica então disponível para fluidificar o concreto fresco.


ESTRUTURA ATÔMICA




Aplicação de CAA: elimina a etapa de vibração/adensamento

Facilita o lançamento em elementos densamente armados


ESTRUTURA ATÔMICA




Liberdade em formas complexas com o CAASagrada Família, Barcelona-Espanha: vista interior


ESTRUTURA ATÔMICA




Liberdade em formas complexas com o CAAFira, Barcelona-Espanha: vista interior


ESTRUTURA ATÔMICA


Resumindo...

Ligação Energia de ligação (kJ/mol)

Iônica 625 – 1550

Covalente 520 – 1250

Metálica 100 – 800

Forças de Van der Waals < 40

Fonte: ASKELAND, 1990

Energia de ligação: energia mínima requerida para criar ou quebrar a ligação.

A força que une um ou mais átomos, ou moléculas, depende do tipo deligação e dos elementos envolvidos, estando relacionada com o espaçointeratômico.

Ex. de propriedade dos materiais afetada: módulo de elasticidade.


ESTRUTURA ATÔMICA


Características dos principais materiais:

Fonte: SHACKELFORD, 2010

MateriaisTipo de ligação predominante

Informações gerais

Metais Metálica

Metais apresentam elevada ductilidade e condutividade elétrica e térmica: os elétrons livres transferem com facilidade carga elétrica e energia térmica.

Cerâmicos e vidros

Iônica, mas às vezes aparecem em conjunto com

ligações covalentes

Cerâmicas em geral são duras e frágeis, com baixa ductilidade e baixas condutividades elétrica e térmica: não existem elétrons livres, e ligações iônicas e covalentes têm alta energia de ligação.

Polímeros

Covalente, mas às vezes existem

ligações secundárias entre cadeias

Polímeros podem ser pouco dúcteis e, em geral, são pobres condutores elétricos. Se existirem ligações secundárias, podem ter sua ductilidade bastante aumentada, com quedas de resistência e do ponto de fusão.

Introdução

ARRANJOS ATÔMICOS


Estrutura molecular:

As moléculas se atraem por forças de coesão polares, devidas à distribuiçãodesigual das cargas positivas e negativas na molécula (dipolos elétricos).

As forças de coesão determinam as propriedades físicas e químicas dosmateriais, sendo influenciadas pela temperatura, pressão, campos elétricosou magnéticos, esforços mecânicos, etc.

Logo, o estado físico que os materiais se apresentam é consequência dasforças de atração entre os átomos e as moléculas que o constituem.

Gases e líquidos têm a capacidade de fluir, são chamados de fluídos.

Sólidos: moléculas muito próximas, mantém posição por atração e coesão.

Nos materiais sólidos, os arranjos atômicos irão definir comportamentosimportantes, podendo ser: estrutura cristalina ou amorfa.

Introdução

ARRANJOS ATÔMICOS


Arranjo atômico dos sólidos:

Estrutura cristalina Estrutura amorfa

Estrutura cristalina

ARRANJOS ATÔMICOS


Sólidos com estrutura cristalina apresentam disposição geométrica regulardos átomos. Ex.: metais, materiais cerâmicos.

Corpo cristalizado é anisotrópico.

Anisotropia: variação de propriedades físicas de um cristal segundo a direção em que se determina.

Mica: planos de clivagem Calcita: planos de clivagem

Halita: planos de clivagem


ARRANJOS ATÔMICOS


Ca(OH)2


ARRANJOS ATÔMICOS


Aço

Quartzo: areia


ARRANJOS ATÔMICOS


Estrutura cristalina do hidróxido de cálcio, ou cal hidratada

Micrografia de MEV mostrando as estruturas hexagonais dos cristais de Ca(OH)2, hidróxido de cálcio


ARRANJOS ATÔMICOS


Estrutura cristalina dos produtos de hidratação do cimento Portland

Micrografia MEV do cimento Portland hidratado, mostrando os cristais de etringita (agulhas) e monossulfato

hidratado (placas)


ARRANJOS ATÔMICOS


Estrutura cristalina de metais: os metais são compostos por aglomerados de cristais, formando uma estrutura granular perfeitamente visível.

Metalografias mostrando os grãos de cristais de um aço manganês (esquerda) e de uma liga zinco-níquel (direita)


ARRANJOS ATÔMICOS


Todos os cristais apresentam reticulado cristalino, que obedece a uma das 14 formas geométricas possíveis (reticulados ou redes de Bravais).

A visualização e a identificação do reticulado cristalino é possível através de microscopia eletrônica de varredura, MEV.

MEV: Microscopia eletrônica de varredura


ARRANJOS ATÔMICOS


Polimorfismo:

Alguns metais ou não-metais podem ter mais do que uma estrutura cristalina.

Ex.: Carbono

Grafita: condições ambientes;Diamante: condições extremamente elevadas de pressão e temperatura.

Grafita Diamante


ARRANJOS ATÔMICOS


Polimorfismo:

O processo Caleramimetiza as formações

geológicas de carbonato de cálcio encontradas na natureza, sendo aplicado

como cimento.

Informações: http://www.calera.com/

http://www.calera.com/


ARRANJOS ATÔMICOS


Polimorfismo:

O CaCO3, carbonato de cálcio, apresenta três polimorfos:

• Calcita• Aragonita• Vaterita

Calcita

Aragonita


ARRANJOS ATÔMICOS


Processo Calera:

Consiste em produzir a vaterita, estável na ausência de água.Quando água e aditivos são adicionados, a vaterita se dissolve e se recristaliza como aragonita, sendo este material de alta resistência.

Estrutura amorfa

ARRANJOS ATÔMICOS


Sólidos com estrutura amorfa ou vítrea não apresentam periodicidade ouordem estrutural em um estado normal. Ex.: vidro.


Estrutura amorfa

ARRANJOS ATÔMICOS


Erupções vulcânicas produzem condições ideais para a formação de

cinzas com estrutura amorfa

Os sólidos com estrutura amorfa são obtidos pelo resfriamento rápido, nãodando tempo para que a ordenação dos cristais e a formação da estruturacristalina ocorra.

Nos materiais amorfos, reduz-se a capacidade de mobilidade das moléculasdurante a solidificação rápida, de modo que estas moléculas não têmtempo de se arranjarem em estruturas cristalinas.

Adições minerais de origem vulcânica: resultante das erupções

Estrutura amorfa

ARRANJOS ATÔMICOS



A estrutura cristalina é a forma de organização da matéria de mínimaenergia, sendo o arranjo molecular mais estável, para o qual todo processode transformação tende.

• Estrutura cristalina → material estável• Estrutura amorfa → material reativo

Adições minerais para concreto

Sílica ativa: elevada reatividade

Definições

SUBSTÂNCIAS E MISTURAS


Substâncias são compostas apenas de um tipo de moléculas ou átomos.

Substância simples são constituídas por um único tipo de átomo.Exemplos:

Metal ferro - Fe2

Gás oxigênio - O2.

Substância composta constituída por mais de um tipo de átomo.Exemplos:

Água pura - H2OSal comum - NaCl

Misturas consistem em duas ou mais substâncias misturadas.Podendo ser:

HomogêneasHeterogêneas.

Definições



Misturas homogêneas e heterogêneas

Definições




Qual a diferença entre uma solução homogênea e uma substância pura?

A água (substância pura) ferve a temperatura constante. Porém, se a águafor salgada (água + sal), quanto maior a % de sal dissolvido, maior será oponto de ebulição.

Pto. de ebulição de soluções varia com a concentração dos componentes.

Uma mistura de diferentes substâncias líquidas apresenta diferentestemperaturas de ebulição, uma para cada líquido. Pode-se separá-los peladestilação.

Exemplo: Destilação do petróleo.

Definições




As substâncias e misturas apresentam-se em qualquer dos três estados:sólido, líquido ou gasoso.

Misturas líquidas homogênea (solução) e heterogênea

Mistura heterogênea em estado sólido: Granito, grãos de quartzo (branco), mica (preta) e feldspato

(rosa) e outros minérios

Definições



Estudo dos materiais de construção

OBRIGADA PELA ATENÇÃO!

TC 030 MATERIAIS DE CONSTRUÇÃO I


NAYARA S. [email protected]

CASCUDO, O. Estrutura atômica e molecular dos materiais. Materiais deconstrução e princípios de ciência e engenharia de materiais, capítulo 6, editadopor G. Isaia. São Paulo: IBRACON, 2010.


1, 2, 3 TESTANDO…

TC 030 MATERIAIS DE CONSTRUÇÃO I


1) Porque as partículas de cimento sofrem aglomeração?

2) Porque os metais são bons condutores de eletricidade?

3) Porque o ambiente marinho é prejudicial para a durabilidade das estruturasde concreto?

4) Os primeiros concretos produzidos e aplicados em estruturas, segundoregistros históricos, utilizaram cinzas vulcânicas como material ligante.Porque estas cinzas apresentam elevada reatividade, justificando seu usocomo materiais cimentantes?

NAYARA S. [email protected]


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