tc030 estrutura atômica da matéria e ligações químicas - prof.a
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Estrutura atômica e molecular dos materiais
NAYARA S. KLEIN
Curitiba – PR, 01 de agosto de 2016.
Disciplina:TC 030 MATERIAIS DE CONSTRUÇÃO I
nayaraklein@gmail.com
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
ESTRUTURA ATÔMICA E MOLECULAR DOS MATERIAIS Profa. Nayara S. Klein
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
ESTRUTURA ATÔMICA E MOLECULAR DOS MATERIAIS Profa. Nayara S. Klein
Distribuição dos elétrons nos níveis e subníveis quânticos:
Estrutura eletrônica do NaNotação eletrônica: 1s2 2s2 2p6 3s1
Átomo
ESTRUTURA ATÔMICA
ESTRUTURA ATÔMICA E MOLECULAR DOS MATERIAIS Profa. Nayara S. Klein
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
ESTRUTURA ATÔMICA E MOLECULAR DOS MATERIAIS Profa. Nayara S. Klein
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
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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:
Ligações atômicas
ESTRUTURA ATÔMICA
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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:
Ligações atômicas
ESTRUTURA ATÔMICA
ESTRUTURA ATÔMICA E MOLECULAR DOS MATERIAIS Profa. Nayara S. Klein
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.
Ligações atômicas
ESTRUTURA ATÔMICA
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Formação dos compostos iônicos:
Formação do NaCl, cloreto de sódio ou sal de cozinha
Ligações atômicas
ESTRUTURA ATÔMICA
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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 -
Ligações atômicas
ESTRUTURA ATÔMICA
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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
Ligações atômicas
ESTRUTURA ATÔMICA
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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.
Ligações atômicas
ESTRUTURA ATÔMICA
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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.
Ligações atômicas
ESTRUTURA ATÔMICA
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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
Ligações atômicas
ESTRUTURA ATÔMICA
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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.
Exemplo na engenharia:
Vidros: se estilhaçam;Polímeros: não são bons condutores elétricos;Aditivos: cadeias lineares que aderem à superfície das partículas de cimento.
Ligações atômicas
ESTRUTURA ATÔMICA
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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.
Ligações atômicas
ESTRUTURA ATÔMICA
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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.
Exemplo na engenharia:
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%.
Ligações atômicas
ESTRUTURA ATÔMICA
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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.
Exemplo na engenharia:
Aço para concreto armado: estricção antes da ruptura
Ligações atômicas
ESTRUTURA ATÔMICA
ESTRUTURA ATÔMICA E MOLECULAR DOS MATERIAIS Profa. Nayara S. Klein
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.
Ligações atômicas
ESTRUTURA ATÔMICA
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Forças de Van der Waals:
(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
Ligações atômicas
ESTRUTURA ATÔMICA
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Forças de Van der Waals:
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.
Ligações atômicas
ESTRUTURA ATÔMICA
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Exemplo na engenharia:
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 -
Ligações atômicas
ESTRUTURA ATÔMICA
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Exemplo na engenharia:
Aditivos químicos plastificantes e superplastificantes.
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.
Ligações atômicas
ESTRUTURA ATÔMICA
ESTRUTURA ATÔMICA E MOLECULAR DOS MATERIAIS Profa. Nayara S. Klein
Exemplo na engenharia:
Aditivos químicos plastificantes e superplastificantes.
Aplicação de CAA: elimina a etapa de vibração/adensamento
Facilita o lançamento em elementos densamente armados
Ligações atômicas
ESTRUTURA ATÔMICA
ESTRUTURA ATÔMICA E MOLECULAR DOS MATERIAIS Profa. Nayara S. Klein
Exemplo na engenharia:
Aditivos químicos plastificantes e superplastificantes.
Liberdade em formas complexas com o CAASagrada Família, Barcelona-Espanha: vista interior
Ligações atômicas
ESTRUTURA ATÔMICA
ESTRUTURA ATÔMICA E MOLECULAR DOS MATERIAIS Profa. Nayara S. Klein
Exemplo na engenharia:
Aditivos químicos plastificantes e superplastificantes.
Liberdade em formas complexas com o CAAFira, Barcelona-Espanha: vista interior
Ligações atômicas
ESTRUTURA ATÔMICA
ESTRUTURA ATÔMICA E MOLECULAR DOS MATERIAIS Profa. Nayara S. Klein
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.
Ligações atômicas
ESTRUTURA ATÔMICA
ESTRUTURA ATÔMICA E MOLECULAR DOS MATERIAIS Profa. Nayara S. Klein
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 ATÔMICA E MOLECULAR DOS MATERIAIS Profa. Nayara S. Klein
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
ESTRUTURA ATÔMICA E MOLECULAR DOS MATERIAIS Profa. Nayara S. Klein
Arranjo atômico dos sólidos:
Estrutura cristalina Estrutura amorfa
Estrutura cristalina
ARRANJOS ATÔMICOS
ESTRUTURA ATÔMICA E MOLECULAR DOS MATERIAIS Profa. Nayara S. Klein
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
Estrutura cristalina
ARRANJOS ATÔMICOS
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Ca(OH)2
Estrutura cristalina
ARRANJOS ATÔMICOS
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Aço
Quartzo: areia
Estrutura cristalina
ARRANJOS ATÔMICOS
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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
Estrutura cristalina
ARRANJOS ATÔMICOS
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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)
Estrutura cristalina
ARRANJOS ATÔMICOS
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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)
Estrutura cristalina
ARRANJOS ATÔMICOS
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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
Estrutura cristalina
ARRANJOS ATÔMICOS
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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
Estrutura cristalina
ARRANJOS ATÔMICOS
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Polimorfismo:
O processo Caleramimetiza as formações
geológicas de carbonato de cálcio encontradas na natureza, sendo aplicado
como cimento.
Informações: http://www.calera.com/
Estrutura cristalina
ARRANJOS ATÔMICOS
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Polimorfismo:
O CaCO3, carbonato de cálcio, apresenta três polimorfos:
• Calcita• Aragonita• Vaterita
Calcita
Aragonita
Estrutura cristalina
ARRANJOS ATÔMICOS
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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
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Sólidos com estrutura amorfa ou vítrea não apresentam periodicidade ouordem estrutural em um estado normal. Ex.: vidro.
Estrutura cristalina Estrutura amorfa
Estrutura amorfa
ARRANJOS ATÔMICOS
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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
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Estrutura cristalina Estrutura amorfa
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
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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
SUBSTÂNCIAS E MISTURAS
ESTRUTURA ATÔMICA E MOLECULAR DOS MATERIAIS Profa. Nayara S. Klein
Misturas homogêneas e heterogêneas
Definições
SUBSTÂNCIAS E MISTURAS
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Misturas homogêneas e heterogêneas
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
SUBSTÂNCIAS E MISTURAS
ESTRUTURA ATÔMICA E MOLECULAR DOS MATERIAIS Profa. Nayara S. Klein
Misturas homogêneas e heterogêneas
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
SUBSTÂNCIAS E MISTURAS
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Estudo dos materiais de construção
OBRIGADA PELA ATENÇÃO!
TC 030 MATERIAIS DE CONSTRUÇÃO I
Estrutura atômica e molecular dos materiais
NAYARA S. KLEINnayaraklein@gmail.com
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
Estrutura atômica e molecular dos materiais
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. KLEINnayaraklein@gmail.com
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