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Aula 3 – Tipos de Ligações e EstruturaKelly Benini
2 16/03/2020 Introdução à Ciência dos Materiais
Introdução
Materiais de Engenharia
Gases Nobres: estáveis com 8 (ou 2) elétrons na camada de valência
A maior parte dos outros elementos para adquirirem configuração estável
devem:✓ Receber elétrons✓ Doar elétrons✓ Compartilhar elétrons
Atrações interatômicas
Estrutura Eletrônica dos átomos
Tipos deLigações
3 16/03/2020 Introdução à Ciência dos Materiais
Objetivos da Aula
• Primárias (Iônica, Covalente e Metálica)
• Secundárias (VanDer Waals e Ligações de Hidrogênio)
• Força e Energia de Ligação
Tipos de Ligações
• Molecular
• Amorfa
• CristalinaEstrutura
Tipos de LigaçõesAula 3
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Ligações dos Sólidos
Primárias
✓ Iônica ✓Covalente ✓Metálica
• Comportamento dos líquidos;• Ligações entre as cadeias moleculares de
carbono nos polímeros
• São ligações fortes e rígidas;• Não se desfazem facilmente com o aumento da
temperatura;• Proporcionam módulos de elasticidade (E) relativamente
altos.
Secundárias
✓ Ligações de Van der Waals✓ Ligações de Hidrogênio
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Ligações Químicas dos Sólidos
Ligações Primárias: Iônicas
✓Átomos com um ou dois elétrons na camada de valência perdem estes elétrons e se tornam positivos enquanto outros átomos recebem um ou dois elétrons de forma a
completar a camada de valência e se tornam íons negativos;
✓Atração mútua entre íons positivos e negativos;
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Ligações Químicas dos Sólidos
Ligações Primárias: Iônicas
✓Importante: os átomos de sódio e cloro não se juntam aos pares, pois se assim fosse o sólido NaCl não poderia existir. O que ocorre é que uma carga negativa atrai todas as
positivas e uma carga positiva atrai todas as negativas, sendo a atração igual em todas as direções.
Cloreto de Sódio
(NaCl)
Na+
Cl-
Estrutura cristalina tridimensional
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Ligações Químicas dos Sólidos
Ligações Primárias: Covalentes
✓Átomos podem adquirir oito (ou dois) elétrons na camada de valência através do compartilhamento de elétrons;
✓Combinações diatômicas (H2 , N2, O2, HF);
✓Combinações poliatômicas (metano, água)
Metano - CH4
C
H
H
H
H
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Ligações Químicas dos Sólidos
Ligações Primárias: Metálicas
✓Se um átomo possui poucos elétrons na camada de valência, estes podem ser removidos com facilidade, enquanto que os demais elétrons são fortemente
ligados ao núcleo. Isto forma uma estrutura com íons positivos e elétrons “livres”.
Núvem eletrônica (elétrons que se movem livremente)
Núcleos positivos (núcleos e os elétrons que não pertencem à camada de valência)
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Ligações Físicas dos Sólidos
Ligações Secundárias - Características:
✓Van Der Waals (formações de dipolo);
✓Ligações de Hidrogênio.
Ligações físicas, são fracas comparadas às ligações primárias ou químicas pois ocorre apenas uma atração entre os átomos, sem transferência ou compartilhamento.
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Ligações Físicas dos Sólidos
Ligações Secundárias de Van der Waals:
dipolo-dipolo
dipolo- dipolo induzido
Polarização Molecular – centro das cargas positivas não coincidem com os das cargas negativas
Polarização Flutuante – polarização momentânea ou flutuante
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Ligações Físicas dos Sólidos
Ligações Secundárias de Hidrogênio:
Ligações secundárias entre as moléculas de água (H2O)
Caso especial de polarização molecular. O pequeno núcleo
do H é atraído por elétrons não compartilhados de uma
molécula próxima.
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Ligações Físicas dos Sólidos
Ligações Secundárias - Características:
Ligações Secundárias em polímeros: Cloreto de polivinil
Ligação Secundária
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Força de Ligação
Fo
rça
Atr
açã
oR
ep
uls
ão
Força de atração (Fa)
Força de repulsão (Fr)
Distância interatômica (r)
Força Total (F = Fa+Fr)
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Energia de Ligação
Energia requerida para criar ou romper uma ligaçãoE
ner
gia
P
ote
nci
al (
E)
Atr
ação
Rep
uls
ão Energia Repulsiva (Er)
Energia Atrativa (Ea)
Energia Total E0
Distância interatômica (r)
Fa= - Fr Energia é mínima
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Energia de Ligação
✓A energia no ponto mínimo (E0) representa a energia necessária para separar dois átômos até uma distância infinita;
✓Materiais que possuem alta E0 em geral apresentam temperatura de fusão elevada;
✓Na temperatura ambiente: -Substâncias sólidas são favorecidas por E0 elevada;-Substâncias gasosas são favorecidas por E0 baixa;
-Substâncias líquidas são favorecidas por E0 intermediária.
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Energia de Ligação
Muitos tipos de energia podem mover os átomos de suas posições de Equilíbrio:
- Energia térmica: provoca a movimentação dos átomos através da vibração podendo ser suficiente para separar completamente os
átomos e gaseificar o material;
- Energia elétrica ou mecânica: podem separar o átomos o suficiente para deformar ou romper o material;
Estrutura dos Materiais
Aula 3
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Estrutura dos Materiais
Arranjos que podem ser assumidos pelos átomos no estado sólido
Ligações atômicas
CristalinaAmorfaMolecular
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Estrutura dos Materiais
Estrutura Molecular
Uma molécula pode ser definida como sendo um número limitado de átomos fortemente ligados entre si (principalmente covalentes), mas de forma que as forças de
atração entre as moléculas são fracas (Van der Waals)
Dióxido de carbono
Tetracloreto de carbono
Água H2O
Molecular
Ligação entre as moléculas são fracas
Cada molécula está livre para agir
independentemente
Pontos de fusão e ebulição, e dureza mais baixos
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Estrutura dos Materiais
Hidrocarbonetos saturados - C e H unidos por ligações simples – metano (CH4) e parafina (CnH2n+2 )
Hidrocarbonetos insaturados - C e H unidos por múltiplas ligações (etileno)
Moléculas Poliméricas - grandes moléculas constituídas por pequenas unidades que se repetem- meros
Molecular
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Estrutura dos Materiais
Os polímeros são compostos de cadeia molecular, que em alguns casos apresentam regiões cristalinas.
Molecular
Aleatório“espaguete cozido”
Cristalino“espaguete crú”
Morfologia dos PolímerosConcepção Filosófica
Resinas Amorfas Resinas Semi Cristalinas
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Estrutura dos Materiais
Cristais Moleculares
As moléculas podem formar arranjos cristalinos assim com os átomos e os íons, contudo existem algumas
diferenças:
✓ As moléculas não são esféricas✓ A molécula funciona como uma unidade
✓ As atrações intermoleculares são forças de Van der Waals fracas
Arranjo molecular de uma célula unitária de polietileno
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Estrutura dos Materiais
Estrutura Amorfa (não cristalina)Amorfa
Materiais que não apresentam irregularidade interna – incluem os gases, os líquidos e os vidros
Cristal de quartzo Vidro
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Estrutura dos Materiais
Estruturas Cristalinas: átomos (ou íons) estão posicionados em um arranjo periódico e que se repete em grandes distâncias atômicas
✓Todos os metais;
✓Muitos cerâmicos;
✓Alguns polímeros são semicristalinos.
Cristalina
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Estrutura dos Materiais
Monocristais : arranjo periódico perfeito e repetido de átomos que se estende por toda a amostra
Monocristal de Platina Monocristal de Diamante
Cristalina
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Estrutura dos Materiais
✓Metais são compostos por um conjunto de cristais pequenos ou
grãos e portanto são denominados policristalinos
Policristalino
Contorno de grão
Cristalina
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Estruturas Cristalinas dos Metais
CFC –Cúbico de Face Centrada
✓Alumínio ✓Cobre ✓Prata ✓Ouro ✓Níquel
Cristalina
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Estrutura Cristalina dos Metais
CCC –Cúbico de Corpo Centrada
Cristalina
✓Cromo ✓Ferro ✓Tungstênio
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Estrutura Cristalina dos Metais
HCP – Hexagonal Compacto
✓Cobalto ✓Magnésio ✓Titânio ✓Zinco
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Sistemas Cristalinos
Classificação de acordo com os arranjos atômicos e configuração das células unitárias.
Existem sete sistemas cristalinos principais de acordo
com as arestas (a, b e c ) e ângulos (α, β e φ).
Estrutura Cristalina das Cerâmicas
• Estruturas do tipo AX – Números iguais de cátions e ânions
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Cloreto de Sódio – Sal-gema
Gerado a partir de um arranjo CFCpara os ânions com um cátion
localizado no centro do cubo e um cátion no centro de cada uma das 12
arestas
Estrutura Cristalina das Cerâmicas
• Estruturas do tipo AX – Números iguais de cátions e ânions
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Cloreto de Césio
Ao ânions estão localizados em cada um dos vértices do cubo, enquanto o
centro do cubo contém um cátion.
Não é CCC pois estão envolvidos íons de dois tipos diferentes!
Estrutura Cristalina das Cerâmicas
• Estruturas do tipo AmXp – Números iguais de cátions e ânions
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Fluorita (CaF2)
Os íons de cálcio estão posicionados nos centros de cubos e os de flúor no vértice. Uma célula unitária consiste
em oitos cubos.
• CALLISTER JR., W. D. Fundamentos da Ciência e Engenharia de Materiais: Uma abordagem integrada, 2ª ed,
Rio de Janeiro: LTC, 2006.
• VAN VLACK, H. L. Princípios de Ciência dos Materiais, São Paulo: Cengage Learning, 2008.
• ASKELAND, D. R. e PHULÉ, P. P. Ciência e Engenharia dos Materiais, São Paulo: Edgar Blucher, 1970.
REFERÊNCIAS E BIBLIOGRAFIA CONSULTADA
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