Ligações Químicas e Estrutura Dos Sólidos

7/21/2019 Ligaes Qumicas e Estrutura Dos Slidos

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ESCOLA POLITCNICA DA UNIVERSIDADE DE SO PAULO

Departamento de Engenharia Metalrgica e de Materiais

Fundamentos de Cincia e Engenharia de Materiais

Prof. Dr. Andr Paulo Tschiptschin


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Cincia dos Materiais

Investigao das relaes entre composio/estrutura epropriedades dos materiais

Engenharia dos Materiais

Definies

,processamento de materiais (= tcnicas de fabricao) com basenas relaes composio/estrutura e propriedades.

E tambm: Desenvolvimento de formas de produo de materiais socialmente

desejveis a custo socialmente aceitvel.


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Cincia e Engenharia dos Materiais so campos intimamenteinterligados e interdisciplinares.

Cincia e Engenharia dos Materiais a rea da atividade humanaassociada com a gerao e a aplicao de conhecimentos querelacionem composio, estrutura e processamento de materiais s

Definies

suas propr e a es e usos.Morris Cohen, MIT (in Padilha, A.F. Materiais de Engenharia, Hemus, 1997, cap. 1)

Objetivos: Desenvolvimento de materiais j conhecidos visando novas aplicaes ou

visando melhorias no desempenho. Desenvolvimento de novos materiais para aplicaes conhecidas. Desenvolvimento de novos materiais para novas aplicaes.


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CICLO DE VIDA DOS MATERIAIS DE ENGENHARIA


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RECICLAGEM


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Metlico

CLASSIFICAO DOS MATERIAIS

Cermico

Polimrico


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transportes (carro, avio, nibus espacial, trens,navios, bicicletas, carros de F-1)

construo (casas, prdios, viadutos, tneis)

UTILIZAO DOS MATERIAIS

performance para prticas esportivas, calados) comunicao (TV, telefone, telefone celular,

microcomputador, fibras ticas, fios de cobre,CD, walkman)

alimentao (embalagens, tanquesarmazenamento de alimentos, sistemas deprocessamento de alimentos)


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Inicialmente se utilizavam somente materiaisnaturais: pedra, madeira, argila, peles.

PERSPECTIVA HISTRICA


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PERSPECTIVA HISTRICA

Descobrimento de tcnicas para aproduo de materiais: porcelana,alguns metais.

Descobrimento de processos quepermitiram modificar as propriedadesdos materiais: mistura de diferentesmateriais, tratamento trmico etermomecnico.

H aproximadamente 60 anos seiniciou o estudo sistemtico da relaoestrutura-propriedades.


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ESTRUTURAS DE ENGENHARIA


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EscalaAtmica

Escala

Nano

EscalaMicro

EscalaMacro

ESTRUTURAS

Bloco de motor em ligade alumnio fundido

(material emdesenvolvimento)

Ford Motor Company


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ESTRUTURA DOS MATERIAIS

Associada ao arranjo dos componentes do material emescala:

atmica (tomos ou molculas)

microscpica (microestrutura)

macroscpica (macroestrutura)


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MACROESTRUTURAS


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MICROESTRUTURAS


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ESTRUTURA DOS MATERIAIS

Macrografia de uma juntasoldada.

Liga Nb-10%Hf-10%W. 15X

Micrografia ptica deuma camada

cementada.Ao AISI 9310. 320X


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PROPRIEDADES DE UM MATERIAL

Todo material exposto a um estmulo exerce umaresposta. As principais propriedades dos slidos podem ser

agrupadas em:

mecnicas eltricas trmicas magnticas pticas de degradao (corroso, oxidao, desgaste)


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PROCESSAMENTO E DESEMPENHO

Processamento: conjunto de tcnicas para obteno de

materiais com formas e propriedades especficas. Desempenho: resposta do material a um estmulo externo.

Trs amostras de alumina (Al2O3) processadas por diferentes

rotas. Da esquerda para a direita: (i) monocristal

(transparente), (ii) policristal denso (translcido) e (iii)policristal poroso (opaco).


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OBJETIVO

Relacionar o tipo de ligao qumica com as principais propriedadesdos materiais.

ROTEIRO

LIGAES QUMICAS

Recordar conceitos bsicos: Conceitos fundamentais da estrutura atmica

Modelo atmico de Bohr e o da mecnica quntica.

Eletronegatividade

Recordar os tipos de ligaes qumicas. Energia de Ligao

Relacionar propriedades com os tipos de ligaes qumicas.


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Cada tomo composto por: Ncleo prtons e nutrons.

Eltrons, que circundam o ncleo. Eltrons e prtons so carregados eletricamente.

Eltrons tem carga negativa; prtons tem cargapositiva; nutrons notem carga. A magnitude da carga do prton e do eltron 1,602 x 10-19C.

As massas so muito pequenas: Prtons e nutrons possuem massas quase iguais e que valem

respectivamente 1,673 x 10-27kg e 1,675 x 10-27kg. Eltrons tem massa igual a 9,1095 x 10-31kg.

Cada elemento caracterizado: Pelo seu nmero atmico nmero de prtons dentro do ncleo. Pela sua massa atmica soma do nmero de prtons e do nmero de

nutrons dentro do ncleo.


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Modelos atmicos

Modelo de Bohr

O modelo de Bohr apresenta limitaes significativas,

no servindo para explicar vrios dos fenmenos nos quais

esto envolvidos eltrons.


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Posio de cada eltron em particular mais ou menos bem definida emtermos do seu orbital.

Energias dos eltrons so quantizadas mudana de orbital possvel,com absoro (maior energia) ou emisso (menor energia) de energia.

Estados adjacentes so separados por energias finitas. O modelo de Bohr apresenta limitaes significativas, no servindo para

tomo de Bohr

.


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As deficincias do modelode Bohr foram supridas pelomodelo atmico da

mecnica quntica.Neste modelo o eltronapresenta caractersticastanto de onda uanto de

Modelo atmico da mecnica quntica

partcula.O eltron no mais tratadocomo uma partcula que semovimenta num orbitaldiscreto. Sua posio passa

a ser considerada como aprobabilidade de seencontrar um eltron em umlocal prximo do ncleo.


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Distribuio eletrnica, segundo:

(a) modelo atmico de Bohr

(b) mecnica quntica

Modelo atmico da mecnica quntica


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Cada eltron em um tomo caracterizado por quatroparmetros os nmeros qunticos.

No existem dois eltrons com os mesmos nmeros qunticos. Nmero quntico principal n

n = 1, 2, 3, 4, 5, ou K, L, M, N, O,.

Nmeros qunticos

Nmero quntico orbital (ou secundrio)l subcamadas s, p,d, f,

l = 0, 1, 2, 3, 4,, (n -1)

Nmero quntico orbital magntico (ou terceiro) mlml = -l, (-l+1),, (l- 1),l

Nmero quntico de spin (ou quarto) ms = -1/2, +1/2.


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Eltrons de ValnciaConfiguraes Estveis

Eltrons de Valncia So aqueles que ocupam a

camada eletrnica maisexterna.

on gura es e r n casEstveis As camadas eletrnicas

mais externas estocompletamentepreenchidas.

Eltron de valncia do sdio


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Equao de Einstein

~ 1910

Mecnica quntica

Princpio da incerteza


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Mecnica ondulatria e mecnica quntica

De Broglie (1924)

qua o a cor a

vibrante

Equao de

Schredinger (1926)


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Nmeros qunticos


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Solues da Equao de Schredinger


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t d hid i


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tomo de hidrognio


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Molcula de hidrognio


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Ligao inica e covalente


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Ligao metlica

Ligaometlica


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Transio contnua entre tipos de ligao


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MATERIAIS SEGUNDO O TIPO DE LIGAO

Tetraedro que representa a contribuio relativa dos diferentestipos de ligao para as quatro categorias fundamentais demateriais de engenharia (metais, cermicas, polmeros e semi-

condutores)


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Distncia deequilbrio

entre tomosou ons


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VISO ATMICA DO MDULO DE ELASTICIDADE


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VISO ATMICA DA FRATURA


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TABELA PERIDICA

Os elementos qumicos so classificados de acordo com a

sua configurao eletrnica.


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A eletronegatividade dos elementos


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LIGAES PRIMRIAS

LIGAO INICA

envolve a transferncia de eltronsde um tomo para outro

a ligao no-direcional

a ligao inica resulta da atraoeletrosttica entre dois ons decargas opostas

Exemplo: Para o cloreto de sdio, tanto o ctionNa+ quanto o nion Cl- ficam com seus orbitaisexternos completos.

CRISTAIS INICOS


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CRISTAIS INICOS


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CRISTAIS INICOS

CRISTAIS INICOS


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CRISTAIS INICOS

CRISTAIS INICOS


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CRISTAIS INICOS

xido de urnio

xido de magnsio

LIGAES PRIMRIAS


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LIGAO COVALENTE

LIGAES PRIMRIAS

compart amento os e trons

de valncia de dois tomosadjacentes

a ligao resultante altamente

direcional

COVALNCIA


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COVALNCIA

Orbital que penetra dois ncleos

Orbitais hbridos

HIBRIDIZAO sp3


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p

Molcula de metano

HIBRIDIZAO sp3


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HIBRIDIZAO sp

HIBRIDIZAO sp2


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HIBRIDIZAO sp2

Molcula de etileno

HIBRIDIZAO sp2


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Anel de benzeno Grafita

HIBRIDIZAO sp1


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p

Molcula de acetileno


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ESTRUTURAS DA SLICA

LIGAES PRIMRIAS


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LIGAO METLICA envolve compartilhamento de

eltrons

metais possuem de um a trseltrons de valncia

os eltrons de valncia passam a ser

eltrons livres, que (i) apresentam amesma probabilidade de se associara um grande nmero de tomosvizinhos e (ii) formam uma nuvem

eletrnica

CRISTAIS METLICOS


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Eltrons nos slidos


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Raios X e bandas de energia

Eltrons nos slidos


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Nveis de energia e separao atmica

Superposio de estados S

Eltrons nos slidos


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Bandas de energia para metais (condutores) e isolantes

Eltrons nos slidos


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Bandas de energia para materiais semi-condutores

Ligaes secundriais ou de Van der Waals


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g

Ocorrem atraes entre dipolos gerados pela assimetria de

cargas. O mecanismo dessas ligaes similar ao das ligaes inicas,

porm no existem eltrons transferidos.

As ligaes dipolares podem ser entre: (i) dipolos induzidosflutuantes, (ii) dipolos permanentes e induzidos, (iii) dipolospermanentes.

Ligaes secundriais ou de Van der Waals


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Representao esquemtica de (a) um tomo eletricamentesimtrico e (b) um dipolo atmico flutuante.

g

dipolo permanente

PONTE DE HIDROGNIO


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um caso especial de ligao entre molculas polares.

o tipo de ligao secundria mais forte.

Ocorre entre molculas em que o H est ligadocovalentemente ao F (HF), O (H2O) ou N (NH3).

MOLCULAS POLARES


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Distribuio de carga em

diferentes de molculas

PONTES DE HIDROGNIO


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Pontes de hidrognio formandoa estrutura cristalina do glo.

MACROMOLCULASPOLMEROS


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Polmeros ramificados lisosou que formam caroo

POLMEROS AMORFOS


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Polmeros parcialmente cristalinos


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Esferulitos



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Estrutura do polietileno de alta densidade

LIGAES CRUZADAS - Elastmeros


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Nylon Borracha

LIGAES CRUZADAS


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Baquelite (formaldedo fenlico)

ENERGIAS DE LIGAO


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Relao entre estrutura e propriedades


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Densidade: peso atmico,

raio atmico (inico) edistribuio atmicaespacial.

Condutividades eltrica etrmica: esto associadas mobilidade dos portadores

de carga, que depende dadistribuio eletrnicaespacial.

Pontes de hidrognio na gua

no estado slido (gelo).

FORAS E ENERGIAS DE LIGAO


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Quando dois tomos se aproximam, eles exercem uma foraum no outro:

RAN FFF +=

F

A

fora de atraoFR fora de repulsoFN fora resultante

A energia potencial (EN) ser dada por:

+==

r r

RANN drFdrFdrFE

onde:r distncia interatmica

FORAS EENERGIAS DE

LIGAO


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(a) Foras de atrao e derepulso em funo dadistncia interatmicapara o s omos

isolados

(b) Energia potencial emfuno da distnciainteratmica para doistomos isolados


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O comprimento da ligao entre dois tomos adistncia correspondente ao ponto de mnima energia (soma dos

dois raios atmicos). (a) Para metais puros, todos os tomos tmo mesmo raio atmico. (b) Para slidos inicos, os raiosatmicos so diferentes, uma vez que ons adjacentes nuncaso idnticos.

CORRELAO DAS PROPRIEDADES COM AS CURVASDE FORA E DE ENERGIA DE LIGAO


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Resistncia mecnica:aumenta com a fora mxima ecom a profundidade do poo da

.

Pontos de fuso e de ebulio:aumentam com a profundidadedo poo da curva de energia deligao

Coeficiente de expansotrmica: diminui com aprofundidade do poo da curvade energia de ligao

Relao Entre Algumas Propriedades eCurvas de Fora e Energia de Ligao


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Mdulode

Elasticidade

Obs.: o mdulo de elasticidade

uma propriedade mecnicaque ser estudada em detalhe

mais frente no curso

O mdulo de elasticidade podeser associado derivada dacurva F(r) no ponto r = r0;quanto maior for o valor daderivada, maior ser o mdulo

de elasticidade. O material a apresenta maior

rigidezdo que o material b.

r0

r0

r0 = ponto onde foras

de atrao e repulsoso iguais

Relao Entre Algumas Propriedades eCurvas de Fora e Energia de Ligao


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Coeficientede

ExpansoTrmica

Um poo profundo profundo eestreito (elevadas energias de

ligao) est relacionado a umbaixo coeficiente de expansotrmica.

Obs.: IAE = interatomic energy

CORRELAO DAS PROPRIEDADES COM AS CURVASDE FORA E DE ENERGIA DE LIGAO


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Mdulo de elasticidade:aumen a com a angen e a

curva de fora de ligao noponto onde a fora nula,(dFN/dr), para FN=0

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