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ECMA04 – Ciência dos MateriaisPIPE

Pós - Graduação em Engenharia e Ciênciasde Materiais

Carlos Mauricio LepienskiLaboratório de Propriedades Nanomecânicas

Universidade Federal do Paraná

Este material destina-se exclusivamente para fins didáticos

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Funcionamento• Estrutura da Disciplina

– Seguindo aproximadamente a estrutura da bibliografia

– Ciência e Engenharia de Materiais – Uma Introdução

William Callister Jr e David G. Rethwisch

– A ordem está um pouco alterada

– Um capítulo por aula (aproximadamente)

• Site da Disciplina

– Avisos , aulas, notas e confirmação de presenças

– http://fisica.ufpr.br/cmlepienski/ciemat.html

• Distribuição da Aula

– 4 x 50 min – total ~ 200 min com um intervalo

• Presença

– Obrigatória em pelo menos 75% das aulas

– Lista de assinaturas a cada aula

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Bibliografia

Ciência e Engenharia de Materiais – Uma Introdução – 8ª ediçãoWilliam Callister Jr e David G. Rethwisch

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Onde encontrar

• Carlos Mauricio Lepienski

• http://fisica.ufpr.br/cmlepienski/ciemat.html

• Laboratório de Propriedades NanoMecânicas Bloco III (atrás da cantina interna)

• 41 - 3361 3413 (poucas horas da semana disponível nesse local)

• lepiensm@fisica.ufpr.br

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• Avaliação

– Contínua: a cada aula será feita a avaliação sobre o conteúdo da aula anterior e envolvendo também os conhecimentos previamente apresentados.

– Será realizado no início da aula seguinte sobre o tema da aula anterior ou no final da aula em casos específicos.

– A folha de respostas é individual e será entregue a cada aula para colocação da resposta.

• Aulas

– Serão disponibilizadas na internet em formato pdfpreferencialmente imediatamente antes das aulas

• Porém não necessariamente sempre antes

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Programa

1. Introdução2. Estrutura Atômica e Ligações Interatômicas3. Estruturas Cristalinas - Metais e Cerâmicas4. Estruturas de Polímeros5. Imperfeições em Sólidos6. Difusão7. Propriedades Mecânicas8. Mecanismos de Deformação e Endurecimento9. Mecanismos de Falha10 Diagramas de Fase11 Transformações de Fase12. Compósitos13. Corrosão e Degradação de Materiais14. Propriedades Elétricas15. Propriedades Térmicas16. Propriedades Magnéticas17. Propriedades Ópticas

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Introdução e Estrutura Atômica - Ligações Atômicas

Aula 1Capítulos 1 e 2

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De que tamanho são as coisas?

• Universo

• Terra

• Homem

• Células

• Moléculas

• Átomos

• Partículas sub atômicas

• https://www.youtube.com/watch?v=uaGEjrADGPA

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Materiais

• Evolução do conhecimento Humano

• Coleta e adaptação – Inorgânicos e derivados de orgânicos(polímeros - madeira, couro – “ossos e outros materiaisprovenientes de animais e vegetais”)

• Processamento simples - Idade da Pedra

• Processamento Intermediário – Alimentos – Materiais Cerâmicos –Argila – Adesivos – Tecidos.

• Processamento complexo de materiais existentes - Metais - Idadedo cobre, bronze, ferro etc, compósitos, tecidos complexos, polímeros, papel.

• Processamento dedicado a novos materiais não encontrados oumuito dificilmente encontrados na natureza – Tratamentos a vácuoe a plasma, materiais nanoestruturados, materiais compósitos, polímeros específicos, novas ligas metálicas etc…

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Uma classificação para as propriedades de materiais

• Mecânicas

• Elétricas

• Térmicas

• Magnéticas

• Ópticas

• Degradativas (interação com o meio e evoluçãotemporal)

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Densidades

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Rigidez – Módulo de elasticidade

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Resistência

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Resistência à fratura - Tenacidade

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Condutividade Elétrica

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Materiais com alta complexidade atuais

• Semicondutores

• Biomateriais

• Materiais inteligentes – se modificam sob certosestímulos

• Nanomateriais

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Tópicos do estudoCiências dos Materiais

Aços

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• Estudo de fragilização de aços duplex sob efeito de hidrogênio.

• Efeito de camadas nitretadas na fratura superficial de aços sob efeito do hidrogênio

• Processos de alteração da superfície de aços pornitretação a plasma

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Vitrocerâmicas

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• Estudo das propriedades mecânicas – Tenacidade de materiais vitrocerâmicos – evolução da fratura com o grau de cristalização.

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Fibras poliméricas

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• Adesão de polímeros obtidos de óleo de mamona emfibras naturais (sisal, juta etc) para compósitos – efeitosda radiação UV

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The Science and Engineering of Materials, Sixth Edition Authors Donald R. Askeland, Pradeep P. Fulay, Wendelin J. Wrigh

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A Estrutura Atômica

• Alguns conceitos

Carga = - 1,6 x 10-19 CMassa = 9,11 x 10-31 kg

Massa = 1,67 x 10-27 kg

Carga = + 1,6 x 10-19 C

Massa 1,67 x 10-27 kg

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• Número Atômico (Z)

– Número de prótons no núcleo • Número de cargas positivas

• Para um átomo neutro o numero de elétrons deve ser igual

• Massa Atômica (A)

– Soma das massas de prótons e nêutrons no núcleo

– Átomos de um mesmo elemento• Mesmo número de prótons (obrigatório)

• Diferentes número de nêutrons (N)

– (Isótopos Iso = mesmo , topos = sítio - na tabela periódica)

• Ex.: Carbono

– 11C – Instável – decai por emissão de pósitron

– 12C – Abundância 98,89%

– 13C – Abundância ~1,11 % - tem spin nuclear ½ - detectável por NMR

– 14C – Abundância 1 ppt – decai em Nitrogênio – Meia vida 5730 anos

» Formado na alta atmosfera se distribui homogeneamente e érespirado e ingerido pelos humanos, animais e vegetais

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• Peso atômico

– Média ponderada das massas atômicas dos diferentes isótopos naturais

– Unidade de Massa Atômica (u)• 1 u = 1/12 da massa do 12C A = 12,00000

• 1 u = 1.660538921(73)×10−27 kg

– Assim

– Peso atômico de um elemento• u/átomo (molécula) ou massa/mol

• 1 mol = 6,023 x 1023 (Número de Avogadro)

• Ex.: Si 28,0855 u/átomo = 28,0855 g/mol

A Z N

amu g1 1

átomo (molécula) mol

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• Modelos Atômicos

– Demócritus 50 A.C. “A matéria é composta por partículas indivisíveis - átomos”

– 1803 – John Dalton – Modelo da Bola de Bilhar

• A matéria é composta por átomos e não pode ser destruida

• Existem três tipos diferentes de átomos

– Átomos de elementos

– Átomos de moléculas

– Átomos de compostos

– Cada elemento era composta pelo mesmo tipo de átomos

• Estabeleceu que quando os elementos se combinam eles devem fazê-lo em certas quantidades fixas.

• Dalton estimou o peso de alguns átomos

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– Joseph John Thomson – Modelo do Pudim com Passas (1897)

• O átomo é uma esfera de eletricidade positiva difusa (pudim) com partículas negativas espalhadas (passas) após descobrir o elétrons

• A densidade do átomo era homogênea

• A descoberta do elétron levou ao premio Nobel de 1906

– Ernest Rutherford – 1911

• Premio Nobel em 1908 por seus trabalhos com radioatividade

• Experimento com partículas alfa

– O átomo é composto por:

» Composto na sua maior parte por espaço vazio

» Um núcleo duro positivo

» Rodeado por cargas negativas

https://www.youtube.com/watch?v=kHaR2rsFNhg

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• O Modelo de Bohr– Na tentativa de resolver o problema das linhas espectrais Niels Bohr

propõe um modelo no qual os elétrons orbitam em torno do núcleo

– Neste modelo os elétrons não podiam ocupar quaisquer órbitas, apenas algumas específicas

– As transições entre estas órbitas seriam as responsáveis pelo aparecimento das linhas espectrais (emissão / absorção de fótons)

– Estas quantidades definidas de energia foram denominadas:

• https://www.youtube.com/watch?v=VcZmntmWrFg

quanta mecânica quântica

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• Os postulados de Bohr

– 1. Um elétron em um átomo se move em uma órbita circular em torno do núcleo sob a influência da atração de Coulomb entre o elétron e o núcleo, e obedecendo as leis da mecânica clássica.

– 2. Mas, em vez de a infinidade de órbitas que seriam possíveis pela mecânica clássica, só é possível para um elétron se mover em uma órbita para a qual o seu momento angular orbital L seja um múltiplo inteiro da constante de Planck (h), dividido por 2π.

– 3. Apesar do fato do elétron estar constantemente acelerado, um elétron se movendo em uma órbita permitido não irradia energia eletromagnética. Assim, a sua energia total E permanece constante.

– 4. Radiação eletromagnética é emitida se um elétron, inicialmente movendo-se em uma órbita de energia Ei, muda o seu movimento de modo que ele se move em uma órbita de com energia Ef. A frequência da radiação emitida é

onde 1, 2,3,...2

nhL n n

i fE E

h

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Modelode Bohr

Modeloempregando

mecânica ondulatória

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Modelode Bohr

Modeloempregando

mecânica ondulatória

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• Números Quânticos

1o número quântico (n) define o nível (número quântico principal) (distância do núcleo)

2o número quântico (l) define o sub-nível (associada à forma da órbita)

3o número quântico (ml) define o número de estados de energia existentes por sub-nível

Na ausência de um campo magnético externoos estados de cada sub-nível são idênticos estados degenerados

Campo magnético externo sub-níveis se separam

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4o número quântico (ms) número quântico de spin ms = + ½

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• Configurações Eletrônicas

– Principio de Exclusão de Pauli• Cada estado eletrônico pode conter apenas 2 elétrons de spins opostos

– Átomo no Estado Fundamental (Ground State)• Todos os elétrons estão em seus mínimos níveis de energia

– Configuração eletrônica de um átomo• Notação: Aluminum (13) 1s2 2s2 2p6 3s2 3p1

Na

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– Elétrons de valência• Ocupam a camada mais externa

• Influenciam diversas propriedades físicas e químicas do elemento

• Participam das ligações

• Configurações eletrônicas estáveis

– Quando as ultimas camadas estão completas

– Ocorre nos gases nobres

– Apresentam quase nenhuma reatividade química

– Alguns átomos com camadas incompletas podem ganhar ou ceder elétrons para chegar na situação de estabilidade

» Se transformam em íons

– Também pode compartilhar elétrons com outros átomos

» Reações químicas e ligações atômicas

• Hibridizações entre orbitai

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http://www.webelements.com/contents.htmlhttp://periodic.lanl.gov/index.shtml 39

• Tabela periódica “quase” atual

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• Parâmetro diretamente relacionado às ligações químicas

– Eletronegatividade aceitam elétrons facilmente

– Eletropositividade cedem elétrons facilmente

Aumenta a eletronegatividade

Aumenta a eletropositividade

Tabela Periódica

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Ligações Atômicas em Sólidos

• Forças e Energias de Ligação

– Propriedades dos materiais ligações químicas

– Ligações interação entre dois átomos distância

– Ao aproximar dois átomos• Força de atração dependente do tipo de ligação formada

• Força de repulsão interação das camadas eletrônicas internas

RAN FFF

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Ligações atômicas

• Tipos de Ligações

• Metálica: Elétrons são compartilhados – elétrons livres. • Covalente: Elétrons de valência compartilhados por dois átomos. • Iônica: Elétrons de valência transferidos entre dois átomos.• Van der Waals: Polarização devido a estrutura de ligações causa forças de

atração e repulsão entre moléculas. Água

http://www.quimica3d.com/animations/10.php

http://www.quimica3d.com/animations/67en.php

http://www.quimica3d.com/animations/72en.php

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Número de Coordenação

Está ligado com o número de átomos com que um átomo está ligado

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Número de coordenação

Razão entreos raios r/R

Geometria da coordenação

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Forças de ligação

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Repulsão

Equilíbrio

Atração

En

erg

ia P

ote

nci

al

https://www.youtube.com/watch?v=Wl5QHeS2UXE

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Vibração de Moléculas

Porém em uma situação dinâmica onde ocorrem vibraçõesas curvas de energia potencial podem depender dos modosde vibração envolvidos e cada um deles envolve os seusníveis de energia

Fonte Perkin Elmer IR Tutor

https://www.youtube.com/watch?v=x7u2DQvsLpI

https://www.youtube.com/watch?v=AAzx_J2uzuUhttps://www.youtube.com/watch?v=iy-8rguvGnM

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Energias de Ligação

https://www.youtube.com/watch?v=y5HGeUQZJhQ

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F E

.E F dr

Ponto de equilíbrio

E0 energia de ligação

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– O exemplo anterior serve para dois átomos apenas

– No caso de um conjunto de átomos todos os átomos participam deformando os potenciais

• De qualquer forma a energia de ligação (E0) é definida por átomo

– A interação continua definida pelo tipo de ligação

– Existe uma ligação direta entre• Energia de ligação temperatura de fusão

– Baixa gases

– Média líquidos

– Alta sólidos

• Rigidez dos materiais inclinação da curva de força

– Mais inclinada material mais rígido

– Menos inclinada material mais flexível

• Conformação da curva de energia coeficiente de dilatação térmica

0

Reduzidadilatação térmica

Elevadadilatação térmica

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Ligações Interatômicas Principais• Ligações Iônicas

– Encontrada em compostos de elementos metálicos com elementos não metálicos

• Situados em ambos os extremos da tabela periódica

• O elemento metálico cede seu elétron de valência para o elemento não metálico

• Átomos configuração de gás inerte (estável) assumem cargas elétricas (íons)

• Ex.: NaCl

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– Forças atrativas

• Forças de natureza Coulombiana portanto a energia é dada por

• A energia repulsiva por sua vez é dada por

• onde A e B dependem da natureza do sistema iônico.

– Ligação iônica é não direcional (Coulombiana)

– Íons positivos cercados por íons negativos estabilidade

– Energias de ligação

• Entre 600 e 1500 kJ/mol (3 e 8 eV/atom)

– Altas temperaturas de fusão

– kT k 300 K = 8,617 × 10−5 ev/K x 300 K = 0,025851 eV

– 3 eV = 34814 K

– Materiais cerâmicos apresentam ligações iônicas

– Materiais iônicos

• Duros, quebradiços

• Maus condutores de calor e eletricidade

A

AE

r

8R

BE

r

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• Ligações Covalentes

– Configurações eletrônicas estáveis • compartilhamento de elétrons entre átomos vizinhos

– Ex. Metano – CH4

• C tem 4 elétrons de valência que são compartilhados com o H

https://www.youtube.com/watch?v=iy-8rguvGnM

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– Moléculas de gases de elementos não metálicos (H2, Cl2, F2,...)

– Moléculas de átomos distintos CH4, HF, HNO3, CO2,...

– Sólidos• C (diamante)

• Si

• Ge

• SiC

• GaAs

• InSb

– O número de ligações covalentes possíveis = 8 – N’• N’ número de elétrons de valência

– Carbono (N’ = 4) 4 possíveis ligações covalentes

– Ligações covalentes fortes• Carbono temperatura de fusão > 3550 oC

– Ligações covalentes fracas• Bismuto temperatura de fusão = 270 oC

– Materiais poliméricos apresentam ligações covalentes

C-C, C-H,...

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– Caráter iônico de ligações covalentes• Depende da diferença de eletronegatividade dos participantes da ligação

– Quanto menor a diferença de eletronegatividade entre ambos maior o caráter covalente

– % de caráter iônico

» XA e XB são as eletronegatividades dos componentes

– Ex. Silício fortemente covalente

– Ex. H2O caráter fortemente iônico

2

0,25.% 1 100A BX Xion e

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• Ligações Metálicas

– Como o nome diz é encontrada em metais e ligas metálicas (grupos IA e IIA)

– Modelo proposto• Metais possuem 1, 2 ou 3 elétrons de valência

• Estes elétrons não estão ligados e portanto livres para deslocar-se no metal

– Elétrons livres / Mar de elétrons / Nuvem de elétrons

• Os elétrons ligados (não de valência) junto com os núcleos

– Formam os núcleos iônicos (positivos)

• Os elétrons livres blindam os efeitos repulsivos

– “Colam” os núcleos iônicos positivos

– Como no caso das ligações iônicas a ligação metálica também não édirecional

• Associada a atração e repulsão Coulombiana

– Podem ser fortes ou fracas• 68 kJ/mol (0.7eV/átomo) para o Hg (fusão -39 oC)

• 850 kJ/mol (8.8 eV/átomo) para o W (fusão 3410 oC)

– Elétrons livres• Boa condutividade elétrica e térmica

– Os materiais com ligações metálicas é mais

dúctil que outro que apresenta ligações

covalentes ou iônicas

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Ligações secundárias

• Força de Van der Walls

– Ligações físicas

– Baixa energia• 10 kJ/mol (0.1 eV/atom)

– Longo alcance > 100 Å = 10 nm

– Aparece em gases inertes (estrutura eletrônica estável)

– Natureza Coulombiana (não direcional)

• Mecanismos

– Flutuação de dipolos induzidos• Flutuação temporal da distribuição de carga eletrônica

• Ocorre em grandes grupos de átomos (gases)

• Gases inertes e molécula simétricas H2, Cl2 ,..

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– Dipolo induzido por molécula polar • Distribuição assimétrica das regiões positivas e negativas na molécula

• Uma molécula polar pode induzir um dipolo em uma molécula não polar

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– Dipolo permanente• Mais fortes que as anteriores de dipolo induzido

• Ocorrem em moléculas onde o H esta ligado covalentemente

– F HF

– O H2O

– N NH3

• Energias na faixa de 51 kJ/mol (0.52 eV/molécula)

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Páginas interessantes

• https://www.youtube.com/watch?v=Mo1lDsESD90

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• 1.1 Introdução• 1.2 Conceitos Fundamentais• 1. (a) Definir massa atômica.• (b) Definir peso atômico.• 2. Dados os pesos atômicos e a porcentagem de ocorrência dos isótopos de

algum elemento, calcule o peso atômico médio do elemento.• 3. (a) Defina e cite o valor do número de Avogadro.• (b) Para peso atômico, observe a relação entre as unidades de unidade de

massa atômica por átomo e gramas por mol.• 1.3 Elétrons em átomos• 4. Nomeie os dois modelos atômicos citados e observe as diferenças entre

eles.• 5. Descreva o importante princípio da mecânica quântica que se relaciona às

energias eletrônicas.• 6. (a) Nomeie os quatro números quânticos de elétrons.• (b) Para um elétron específico, observe o que cada um de seus números

quânticos determina.• 7. Escreva uma definição do princípio de exclusão de Pauli.• 8. (a) Para um elemento que tenha um número atômico igual ou inferior a 20,

dado seu número atômico, especifique a configuração eletrônica.• (b) Cite a configuração eletrônica do íon de algum elemento, dada a

configuração eletrônica do átomo eletricamente neutro.

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• 1.4 A Tabela Periódica• 9. Cite as características distintivas da configuração eletrônica para cada

grupo de elementos na tabela periódica.• 1.5 Forças de ligação e energias• 10. Escreva a equação que relaciona energia e força.• 11. (a) Analise o gráfico das energias atrativas, repulsivas e líquidas versus

separação interatômica de dois átomos ou íons.• (b) Agora observe neste gráfico a separação de equilíbrio e a energia de

ligação.• 12. Cite a equação para a energia potencial líquida entre dois íons

adjacentes e com carga oposta em termos de energias atraentes e repulsivas, ambas funções da separação interiônica.

• 13. Para dois íons de carga oposta, calcule a força de atração entre a carga fornecida em cada íon e a distância de separação entre eles.

• 1.6 Ligações interatômicas primárias• 14. (a) Descreva brevemente as ligações iônicas, covalentes, metálicas,

hidrogênio e van der Waal.• (b) Observe quais materiais exibem cada um desses tipos de ligação.• 15. Observe qualitativamente como a temperatura de fusão muda com o

aumento da energia de ligação interatômica.• 16. (a) Descreva os fenômenos pelos quais as ligações híbridas sp2 e sp3

se formam em carbono.• (b) Descreva / desenhe diagramas esquemáticos para as configurações

dos orbitais sp2 e sp3 em carbono.• 17. Dada a fórmula química de um material, verifique se é capaz de citar

quais tipos de ligação sãopossíveis.

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• 1.7 Ligação secundária ou ligação van der Waals• 18. Observe as magnitudes relativas dos seguintes tipos de ligações

secundárias:• dipolo induzido flutuante• dipolo induzido por molécula polar• hidrogênio• 19. Explique brevemente por que a água se expande quando congela.

• 1.8 Ligação Mista• 20. Dadas as eletronegatividades de dois elementos, calcule o caráter

iônico percentual da ligação que se forma entre eles.• 21. Faça um diagrama do tetraedro de ligação e observe as localizações de

(a) os tipos de ligação pura nos vértices e (b) os tipos de ligação de mistura ao longo das bordas.

• 1.9 Correlações de classificação de tipo de ligação e material• 22. (a) Faça uma previsão do tipo material e anote e das ligações atômicas

dos seguintes tipos de materiais: metais, cerâmica, polímeros, sólidos moleculares, semi-metais e compostos intermetálicos.

• (b) Especifique o (s) tipo (s) de ligação esperado (s) para um determinado material.