constituição básica da matéria

CENFIM

Constituição Básica da Matéria Princípios Básicos dos Materiais Classificação dos Materiais

• Polímeros

• Cerâmicos

• Compósitos

IMP CON 018

Importância Histórica dos Materiais

Vítor Caetano 2 IMP CON 018

• Os materiais sempre tiveram um papel fundamental na vida da humanidade

• As eras antigas foram designadas de acordo com o domínio dos

materiais, Idade da Pedra, Idade do Ferro

• No início o homem só tinha acesso aos materiais naturais, tais como pedras,

madeira, ossos e peles

Vítor Caetano

Importância Histórica dos Materiais

• A noção inicial baseava-se na dureza; Tribos com lanças apenas de madeira

tinham mais dificuldade em abater uma caça do que tribos utilizando pontas

de pedra em suas lanças

• Após o domínio do fogo, tomou-se noção dos materiais inflamáveis e não-

inflamáveis bem como outras transformações decorrentes da temperatura

Vítor Caetano

Eras dos Materiais

Vítor Caetano

Classificação dos Materiais

Vítor Caetano

O UNIVERSO é constituído por MATÉRIA e ENERGIA

MATÉRIA

• Matéria é a designação geral para tudo

aquilo que tem massa

• Excluindo formas exóticas de matéria como

o caso dos buracos negros, ela ocupa

espaço e por isso tem volume

• Podemos citar como exemplos de matéria,

o ferro, a madeira, o ar, a água, um ser

humano, o sol, os planetas e as galáxias

• A ausência total de matéria é o vácuo

Vítor Caetano

Tecnologia Mecânica

Princípios Básicos dos Materiais

ENERGIA

• Não é fácil definir energia com rigor, pois trata-

se de um conceito primitivo

• Alguns autores dizem que é impossível definir

energia e afirmam que não tem uma definição

precisa nem sinónimos

• Cientificamente energia é uma abstração

matemática que não tem existência para além

da sua relação funcional com variáveis ou

coordenadas, que têm uma interpretação física

e podem ser medidas

• Num sentido mais comum, energia é a

capacidade de realizar trabalho, é tudo o que

pode modificar a matéria, por exemplo, na sua

posição, estado de agregação, natureza

química. É também tudo que pode provocar ou

anular movimentos e causar deformações.

Vítor Caetano

MATERIAL

• Os materiais são feitos de matéria

• Podem ser constituídos por uma ou varias substâncias, designando-se por

substâncias puras ou misturas respetivamente

• São exemplos de materiais: madeira, cobre, aço, ar, água, hidrogénio, vidro

e plástico

• Classificam-se de várias maneiras, por exemplo: naturais e manufaturados;

metálicos, cerâmicos e polímeros; sólidos líquidos e gasosos à temperatura

ambiente

Vítor Caetano

• Um corpo é uma porção limitada de matéria

• Podem ser constituídos por um ou mais materiais

• São exemplos de corpos: uma árvore, uma pedra, um automóvel, um gato, um ser humano, um

litro de leite, a atmosfera que envolve a terra

• Objetos são corpos utilizados pelo homem, por exemplo: Um automóvel, uma cadeira, um lápis

• Exemplo: Uma garrafa de vidro não é um material, é um corpo e também um objeto. O material é

o vidro que a constitui

• Um automóvel é um corpo (e também um objeto) constituído por muitos materiais, tais como:

aço, cobre, ligas de alumínio, plástico, borracha, vidro …

Vítor Caetano

Exemplos de materiais que entram na

construção de um automóvel:

• Aço (vários aços)

• Água

• Vidro

• Plásticos (vários tipos)

• Tecidos

• Alumínio

• Latão

• Cobre

• Estanho

• Propano

• Ácido Sulfúrico

• Crómio

• Níquel

• Borracha

• Zinco

• Gasolina

• Gasóleo

• Chumbo

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Exemplos de materiais que entram na

construção de uma casa:

• Tijolos (argila)

• Areia

• Cimento

• Aço

• Madeira

• Água

• Vidro

• Plásticos

• Tecidos

• Alumínio

• Latão

• Cobre

• Estanho

• Pedra

• Propano

Vítor Caetano

Ciência dos Materiais

Ciência dos Materiais é o ramo da ciência

que estuda a relação existente entre a

estrutura e as propriedades dos materiais

Engenharia dos Materiais

Aplica os conhecimentos existentes sobre a

estrutura da matéria para produzir materiais

com um conjunto determinado de

características pretendidas

Ao projetar os engenheiros terão de estar

conscientes das propriedades dos materiais

e dos problemas que os materiais originam

Vítor Caetano

Princípios Básicos dos

Materiais

Toda a matéria é formada por partículas extremamente pequenas que se designam por átomos

A palavra átomos significa indivisível pois na antiguidade pensava-se que estas partículas eram indivisíveis

Dalton no século XIX retomou a ideia de que os átomos eram constituintes básicos de toda a matéria

Vítor Caetano

Presentemente sabe-se que os átomos são constituídos por partículas ainda mais pequenas conhecidas por partículas subatómicas: eletrões, protões, neutrões, quarks, neutrinos , positrões, bosões …

Foi apenas no fim do século XIX (1897) que o físico inglês Joseph Thompson descobriu que os átomos eram divisíveis

Um átomos é formado por um núcleo onde se encontram protões e neutrões, estes também são conhecidos nucleões. À volta do núcleo estão dispostos os eletrões em camadas energéticas que se designam por orbitais.

Vítor Caetano

Átomos e Partículas Subatómicas

O átomo mais simples que existe é o de Hidrogénio, que apenas tem um protão no seu

núcleo e um único eletrão em órbita. Seguidamente, por ordem de complexidade vem o

átomo de Hélio que tem dois protões e dois eletrões.

Como se pode verificar um átomo é eletricamente neutro, ou seja, tem tantos protões

como eletrões.

Protões – carga elétrica positiva

Neutrões – não têm carga elétrica

Eletrões – carga elétrica negativa

Vítor Caetano

Outros exemplos de átomos são o Carbono e o

Alumínio, com 6 e 13 protões respetivamente

O número atómico de um átomo é igual ao seu número de protões

Vítor Caetano

Tabela Periódica ou Tabela dos Elementos

Vítor Caetano

• Catiões (iões positivos): são

partículas que têm carga elétrica

positiva; os mais simples formam-se a

partir de átomos por perda de um ou

mais eletrões

• Aniões (iões negativos): são

partículas que têm carga elétrica

negativa; os mais simples formam-se a

partir de átomos por ganho de um ou

mais eletrões

Vítor Caetano

Moléculas

• Os átomos raramente se encontram sozinho na

natureza

• Eles tendem a juntar-se formando toda a

complexidade que conhecemos no mundo

• Apenas um punhado de elementos é estável sozinho,

são os gases nobres ou raros

• Quando os átomos se juntam formam ligações ente si

que se designam por ligações químicas

• Para romper uma ligação química, em geral é preciso

uma quantidade de energia considerável, por isso os

átomos permanecem juntos formando moléculas

• Todas as ligações químicas envolvem apenas os

eletrões das camadas mais exteriores do átomo e

nunca o núcleo atómico

• Existem casos de moléculas que são formadas por

uma grande quantidade de átomos, estas são as

chamadas macromoléculas.

Vítor Caetano

Ligações Químicas Fortes ou Principais

(Intramoleculares)

• Ligação Iônica - Um dos átomos da ligação cede

um ou mais eletrões ao outro átomo, mantendo-se

unidos por forças electroestáticas.

• Ligação Covalente - Existe partilha de eletrões

do último nível de cada átomo envolvido na

ligação.

• Ligação Metálica - Consiste numa rede enorme

de átomos ligados em que os eletrões dos últimos

níveis estão livres, podendo circular livremente por

toda a rede.

Vítor Caetano

Ligações Químicas Fracas ou Secundarias

(Intermoleculares)

• Ponte de Hidrogénio

• Dipolo Permanente

• Dipolo Induzido

Vítor Caetano

Substância Pura ou simplesmente Substância:

• É cada uma das espécies de matéria que constitui o universo

• Pode ser simples ou composta

• A sua composição é sempre fixa e definida, por exemplo, para se formar água é

necessário a combinação de dois átomos de hidrogênio e um átomo de oxigênio,

como consequência a água é formada na proporção de 2 gramas de hidrogênio para

16 gramas de oxigênio

Substâncias puras elementares:

• São formadas pela combinação de átomos de um único elemento químico

• O gás hidrogênio é formado por dois átomos de hidrogênio ligados entre si

• O ozone que é formado por três átomos de oxigênio.

• Em geral, as substâncias elementares que o homem utiliza são produzidas em

laboratório, por processos de separação de misturas ou métodos de purificação.

Vítor Caetano

Substâncias puras Compostas:

• São formadas pela combinação de átomos de dois ou mais elementos

químicos diferentes

• A água é uma substância composta porque é formada por dois átomos de

hidrogênio e um átomo de oxigênio

• Ácido clorídrico é uma substância composta porque é formado por um átomo

de hidrogénio e um átomo de cloro

• O Metano é constituído por um átomo de carbono e quatro de hidrogénio

Mistura:

• Material formada por duas ou mais substâncias puras

• É difícil encontrar substâncias puras livres na natureza

• As misturas, não possuem composição fixa e definida, por exemplo, para obter

uma mistura de água e sal pode-se colocar qualquer quantidade de água e

qualquer quantidade de sal

• Algumas misturas são tão importantes que têm nome próprio. São exemplos:

gasolina, mistura de hidrocarbonetos, que são substâncias formadas por

hidrogênio e carbono; ar atmosférico, mistura de 78% de nitrogênio, 21% de

oxigênio, 1% de outros gases, como o dióxido de carbono; álcool etílico comercial,

mistura de 96% de álcool etílico com 4% de água.

Vítor Caetano

Mistura Homogênea:

• É formada por apenas uma fase.

• Não se consegue diferenciar as substâncias misturadas.

• Exemplos: água com sal; água com álcool etílico; água com acetona; água com

açúcar; água com sais minerais

Vítor Caetano

Mistura Heterogênea

• É formada por duas ou mais fases

• As substâncias podem ser diferenciadas a olho nu ou pelo microscópio

• Exemplos: água com óleo; granito; água com enxofre; água, areia e óleo.

Vítor Caetano

Misturas coloidais

• Os componentes da mistura não podem

distinguir-se a olho nu, contudo se usarmos um

instrumento de ampliação, como um

microscópio, conseguir-se-ia distinguir os

diferentes componentes da mistura

• Se deixarmos maionese fora do frigorífico

durante algum tempo conseguimos visualizar

pequenas partículas de gordura

• Se observarmos uma gota de sangue a olho

nu não conseguimos identificar os seus

componentes, mas se observarmos essa gota

ao microscópio, distinguimos os glóbulos

brancos, os glóbulos vermelhos, as plaquetas,

Vítor Caetano

Métodos de separação de misturas

Decantação: permite a separação de líquidos imiscíveis (que não se misturam) ou

um sólido precipitado num líquido. Exemplos: água e areia, água e óleo vegetal

Filtração: este é um método de separação muito presente no laboratório químico e

também no cotidiano. É usado para separar um sólido de um líquido ou sólido de um

gás, mesmo que o sólido se apresente em suspensão. A mistura atravessa um filtro

poroso, onde o material particulado fica retido.

Vítor Caetano

Centrifugação

• Para separar líquidos imiscíveis (que não se misturam) ou um líquido de um sólido insolúvel

em suspensão

• Para fazer uma centrifugação é preciso uma centrifugadora. Esta máquina faz rodar a

mistura (na qual uma das partes tem que ser líquida) a alta velocidade, provocando a

separação pela ação da força centrifuga que é aplicada (do centro para fora)

• A separação dá-se devido às diferenças de densidades dos materiais

• Normalmente uma centrifugação é seguida de uma decantação

• Exemplos: separar glóbulos vermelhos do plasma sanguíneo; separar a nata do leite.

Vítor Caetano

Cristalização: separa um sólido cristalino de uma solução. Na cristalização há

uma evaporação do solvente de uma solução provocando o aparecimento de

cristais do soluto. Exemplo: o aparecimento do sal nas salinas

Destilação

• Separa líquido(s) de sólido(s) dissolvidos

ou líquido(s) de líquido(s)

• Na destilação acontecem duas

mudanças de estado consecutivas: uma

ebulição (vaporização) seguida de uma

condensação

• Na ebulição é retirado da mistura o

componente com o ponto de ebulição

mais baixo, e na condensação esse

componente volta à sua forma líquida

Vítor Caetano

Destilação Fracionada

• É um método de separação de líquidos que se encontram

em mistura homogênea ou heterogênea

• Quanto mais distantes forem os pontos de ebulição destes

líquidos, mais eficiente será o processo de destilação

• Eleva-se a temperatura até que se alcance o ponto de

ebulição do líquido que apresente valor mais baixo para esta

característica e aguarda-se, controlando a temperatura, a

completa destilação deste. Posteriormente, permite-se que a

temperatura se eleve até o ponto de ebulição do segundo

líquido. Quanto mais próximos forem os pontos de ebulição

dos líquidos, menor o grau de pureza das frações destiladas

• A destilação fracionada é usada na obtenção das diversas

frações do petróleo. Nos alambiques, este tipo de destilação é

usado na obtenção de bebidas como a aguardente.

Vítor Caetano

Cromatografia: para separar substâncias com

diferentes solubilidades num determinado soluto.

Na cromatografia uma mistura é arrastada (por

um solvente apropriado) num meio poroso e

absorvente. Como diferentes substâncias têm

diferentes velocidades de arrastamento num

determinado solvente, ao fim de algum tempo há

uma separação dos constituintes da mistura. Este

processo é normalmente usado para pequenas

quantidades de amostra. Exemplo: separação

dos componentes de uma tinta.

Separação Magnética: consegue separar

componentes que tenham propriedades

magnéticas dos que não as possuem.

Aproveitam-se as propriedades magnéticas de

um dos componentes da mistura para o separar

dos outros. Exemplo: areia e limalha de ferro;

enxofre e limalha de ferro.

Vítor Caetano

Peneiração

• Este método é usado na separação de

sistemas sólido-sólido, onde um dos dois

componentes apresente granulometria que

permita que o mesmo fique preso nas malhas

de uma peneira

Ventilação

• Método de separação para sistemas sólido-

sólido, onde um dos componentes pode ser

arrastado por uma corrente de ar. Um bom

exemplo é a separação da casca e do caroço

do amendoim torrado

Sedimentação

• Consiste em deixar a mistura em repouso

até o sólido se depositar no fundo do

recipiente

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Estados Físicos da Matéria ou Estados de Agregação da Matéria

condensação

evaporação

ebulição

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Fase gasosa

• Nesta fase as partículas da substância estão

com maior energia cinética

• Elas ficam muito distantes umas das outras

• Movem-se com alta velocidade e colidem entre si

• Um gás qualquer colocado dentro de uma

garrafa de 1 litro adquire a forma da garrafa

• Podemos dizer que uma substância na fase

gasosa possui forma e volume variáveis

• Como tal, os gases são compressíveis, ao

contrário dos líquidos e sólidos não têm volume

• Se aumentarmos a pressão podemos comprimi-

los, ou reduzir o seu volume.

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Fase Líquida

• Na fase líquida as partículas estão um pouco mais unidas

em relação à fase gasosa

• Não há nenhum arranjo definido

• A energia cinética é intermediária entre a fase gasosa e a

fase sólida

• As partículas nos líquidos “deslizam” umas sobre as outras

movendo-se. Isto é o que proporciona a fluidez no líquido

• Todos os líquidos podem fluir, uns mais que os outros

dependendo da sua viscosidade

• Dizemos que a água tem baixa viscosidade e que o mel

tem alta viscosidade

• Os líquidos com baixa viscosidade oferecem menor

resistência para fluir

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Fase Sólida

• Na fase sólida, as partículas que formam a substância possuem menor energia

cinética

• Estão unidas por forças de atração mais fortes

• Estão dispostas, em geral, de acordo com um arranjo geométrico definido

• Ao contrário da grande maioria dos materiais, o arranjo das moléculas de água, na

fase sólida, é responsável pelo aumento do volume. A água ao congelar expande-

se, formando gelo que é menos denso que a água na fase líquida

• Podemos dizer que os materiais na fase sólida mantêm a forma e o volume.

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Alotropia

• Alotropia é a propriedade que alguns elementos químicos têm de formar uma ou

mais substâncias simples diferentes

• São alótropos: carbono, oxigênio, fósforo e enxofre

• O carbono possui dois alótropos: o diamante e a grafite. A sua principal diferença

está no arranjo cristalino dos átomos de carbono. Na grafite formam-se hexágonos.

Cada átomo de carbono está ligado a apenas três outros átomos de carbono, em

lâminas planas, fracamente atraídas umas pelas outras

•No diamante, cada átomo de carbono está

ligado a quatro outros átomos também de

carbono

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Materiais

– Materiais Metálicos

– Materiais não Metálicos

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• Materiais Metálicos

o Metais Ferrosos

• Aços

• Ferros Fundidos

o Metais não Ferrosos

• Metais Puros

• Ligas Metálicas não Ferrosas (Latões, Bronzes, Ligas de Alumínio, …)

Vítor Caetano 45

IMP CON 018

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• Materiais não Metálicos

o Polímeros

o Cerâmicos

o Compósitos

o Materiais Magnéticos e Supercondutores

o Materiais Eletrónicos, Fotónicos e Óticos

o Biomateriais

oMateriais Porosos e Celulares

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Classificação Clássica dos

Materiais

• Metálicos

• Cerâmicos

• Polímeros

• Compósitos

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Materiais

Metais

• Metais são materiais formados pela combinação de elementos químicos que

ocupam a posição central na Tabela Periódica. (eletropositividade = caráter

metálico = tendência para perder eletrões = opõe-se à eletronegatividade

• Esses elementos possuem como principal característica a sua ductilidade,

altas condutividades térmica e elétrica

• São mecanicamente resistentes, porém podem ser deformados.

• Em geral, possuem um aspeto brilhante e lustroso quando polidos

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Materiais

Cerâmicos

• Cerâmicas são compostos com características entre os metais e

os elementos não-metálicos e incluem compostos químicos, tais

como: óxidos, nitretos e carbonetos

• Tipicamente isolantes elétricos e térmicos e resistentes a altas

temperaturas e ambientes quimicamente agressivos.

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Polímeros

• Os polímeros vulgarmente conhecidos como plásticos, geralmente são compostos

orgânicos baseados principalmente em átomos de carbono e hidrogênio

• Possuem elevada massa molecular e usualmente possuem baixa densidade

• Apresentam baixa estabilidade química e estrutural em altas temperaturas

• Por causa dessas características, as suas principais aplicações são o fabrico de

produtos com baixo ciclo de vida (geralmente descartáveis)

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Materiais

Compósitos

• Os compósitos consistem em dois ou mais tipos de materiais com diferentes

estruturas e propriedades

• A "fibra de vidro" é uma combinação de vidro e polímero

• O concreto e a madeira prensada são outros exemplos de materiais compósitos

familiares

• Diversos compósitos são combinações de fibras cerâmica inseridas em uma

matriz metálica ou polimerica

constituição básica da matéria

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