1. 1. Prefcio 1 i esta Quinta Edio, mantive os objetivos e as tcnicas para o ensino da cincia e engenharia dos materiais apresen- tados nas edies anteriores. 0 primeiro e principal objetivo consiste em apresentar os fundamentos bsicos de acordo com um nvel apropriado para alunos universitrios que tenham concludo seus cursos de clculo, qumica e fsica do primei- ro ano. Com o objetivo de atingir essa meta. empenhei-me no uso de uma terminologia familiar ao aluno que estivesse se deparando pela primeira vez com a disciplina da cincia e engenharia dos materiais, e tambm na definio e explica- o de todos os termos que no fossem familiares. O segundo objetivo consiste em apresentar a matria em uma ordem lgica, desde os conceitos mais simples at os mais complexos. Os doze primeiros captulos esto voltados prin- cipalmente para os materiais metlicos e suas ligas, os quais. estruturalmente, so os mais simples dos quatro tipos de materiais. Os cinco captulos seguintes tratam dos materiais cermicos, polmeros, e compsitos, nessa ordem. Alm dis- so, cada captulo est construdo sobre o contedo de cap- tulos anteriores. Isso especialmente verdadeiro no caso dos Caps. 2 a 11, que tratam de ligaes atmicas, estruturas cris- talinas, imperfeies, difuso, propriedades mecnicas, discordncias. falhas, diagramas de fases, transformaes de fases e processamento trmico, nessa seqncia. 0 terceiro objetivo, ou filosofia, que me esforo para man- ter ao longo de todo o texto aquele de que. se um tpico ou conceito digno de ser tratado neste livro, ento ele merece ser tratado com detalhes suficientes e com uma profundida- de tal que os alunos tenham a oportunidade de compreen- der por completo o assunto, sem que tenham que consultar outras fontes de informaes: ainda, na maioria dos casos, fornecida alguma aplicabilidade prtica. As discusses tm por objetivo serem claras e concisas, alm de comear a par- tir de nveis apropriados de compreenso. 0 quarto objetivo consiste em incluir no livro caracters- ticas que iro acelerar o processo de aprendizado. Esses re- cursos de aprendizado incluem numerosas ilustraes e fo- tografias, que auxiliam na visualizao do que est sendo apresentado; perguntas e problemas ao final dos captulos. assim como as respostas para alguns problemas seleciona- dos, que ajudam na auto-avaliao do aluno: um glossrio. uma lista de smbolos, e referncias, para facilitarem a com- preenso da matria. O livro enfatiza, ainda, a importncia do uso de recursos computacionais interativos que facilitem a visualizao dos conceitos e forneam elementos para re- solver problemas de projetos e de seleo de materiais. Em relao s perguntas e problemas, a maioria dos pro- blemas exige clculos que levam a solues numricas: em alguns casos, pede-se ao aluno que tome uma deciso com base na soluo para o problema. Alm do mais, muitos dos conceitos dentro da disciplina da cincia e engenharia dos materiais so de natureza descritiva. Dessa forma, foram includas perguntas que exigem respostas descritivas e por escrito: o fato de ter que fornecer uma resposta por escrito auxilia o aluno a obter melhor compreenso do conceito que est associado. As perguntas so de dois tipos: em um dos tipos, o aluno precisa dar somente, em suas prprias pala- vras, uma explicao para alguma matria que foi apresen- tada no texto: outras perguntas exigem que o aluno raciocine e/ou sintetize uma idia antes de chegar a uma concluso ou uma soluo. CARACTERSTICAS QUE SO NOVAS NESTA EDIO Em primeiro lugar, cada captulo comea agora com duas novas sees: "Por que Estudar..." e "Objetivos do Captu- lo." Cada seo "Por que Estudar...1 ' estabelece a relevncia dos tpicos discutidos no captulo e, na maioria das situa- es, fornece pelo menos um exemplo. A seo "Objetivos do Captulo" oferece uma lista resumida dos objetivos gerais do aprendizado de um dado captulo pertinentes ao princpios e conceitos essenciais que o aluno deve compreender e. em muitas situaes, ser capaz de aplicar. Em segundo lugar, com o objetivo de melhorar a com- preenso do processo de seleo de materiais, fiz alteraes significativas nos apndices e adicionei vrios exerccios de seleo de materiais. 0 Apndice B, "Propriedades de Ma- teriais de Engenharia Selecionados"', contm agora os va- lores de onze propriedades (por exemplo, densidade, resis- tncia, condutividade eltrica, etc.) para um conjunto de aproximadamente uma centena de materiais. Uma parte desse banco de dados estava includa na Quarta Edio (como Apndice C): no entanto, os dados para as proprie- dades no eram sempre para os mesmos materiais. Ainda, um novo Apndice C foi includo, contendo os preos para todos os materiais listados no Apndice B: os critrios de seleo de materiais envolvem, quase sempre, consideraes relacionadas a custos. Em terceiro lugar, tentei limitar o acrscimo de matri- as novas nessa reviso. A comunidade universitria da rea
2. 2. de engenharia est justificadamente preocupada com a maior extenso (e o aumento do custo a isto associado) de cada nova edio de um livro didtico. Compartilho essa preocu- pao, e por isso me empenhei em minimizar a incluso de novas matrias que tornassem esta edio mais longa. Con- tudo, foi necessria alguma atualizao, com o objetivo de manter o livro em dia com estado-da-arte. 1* oram adiciona- dos vrios novos problemas para trabalho de casa, a maio- ria dos quais problemas de projeto, e muitos dos outros pro- blemas foram modificados. Dado o consenso entre os pro- fessores de engenharia de que os livros atuais de introdu- o cincia e engenharia dos materiais devem, entre outras coisas, ser atuais e incluir uma quantidade significa- tiva de material referente a projeto, no considerei apropri- ado eliminar sees do livro cuja perda iria comprometer seu contedo cientfico, com o nico objetivo de tornar menor esta edio. Destaques: Ao longo de todo o livro, sempre que houver algum texto ou problema que possa ser suplementado computacionalmente. um pequeno cone representando o aspecto em destaque estar includo em unia das margens. Esses cones so os seguinte?: Cristalografia e Clulas Unitrias Ensaios de Trao Estruturas Cermicas Problema de Difuso e Projeto Estruturas de Polmeros Aumento da Resistncia por Soluo Slida Discordncias Diagramas de Fases SUPORTE NA INTERNET 0 site que d suporte a este livro pode ser encontrado em www.wiley.com/college/callister. Ele oferece uma lista ampliada dos objetivos do aprendizado, atualizaes, recur- sos adicionais para o ensino e o aprendizado, links para ou- tros sites afins, e outros recursos. Visite-nos com freqn- cia para obter os novos recursos que tornaremos dispon- veis para auxiliar o ensino da cincia e engenharia dos materiais pelos professores e o aprendizado dessa discipli- na pelos alunos. AGRADECIMENTOS Expresso meu agradecimento a todos aqueles que deram suas contribuies a esta edio. Estou especialmente em dbil o com as seguintes pessoas: Carl Wood da tah State University. Rishikesh K. Bharadwaj da Systran Federal Corporation. Manin bearcy da 1 levvleit-Packard Coinpany. James Moore e Venda Schadler do Rensselaer Polvtechnic Institute. e Ronald G. Kander da Virga is ; vtechnic Institute and State L niver- sity. Alm deles. idia> zestes teis foram dadas por Emily L. Allen >an Jos State University William D. Armstroi" niversity of Washington Michel W. Barsoum Drexel University Audrey Butler University of lowa Manred Cantow San Jos State University Paul R. Chalker The University of Liverpool J. R. Chelikowsky University of Minnesota George A. Cooper University* of Califrnia (Berkeley) Ari Daiz San Jos State University James H. Edgar Kansas State Lniversity Stuart Feldman University of Michigan Brian Flinn University of Washington K. S. Sree Harsha San Jos State University H. . Hashemi Northeastern University Robert Heidersbach Cal Poly San Uuis Obispo John Hndon Ren-^elaer Polvtechnic Instituir Alan Karplus Western New England Collegi1 Sandra kwiatek U.S. Naval Academy Jennifer A. Lewis University of Illinois Norman Munroe Florida International University Patrick P. Pizzo San Jos State University Mark R. Plichta Michigan Technological University W. M. Reichert Duke University Murray Roblin Cal Poly Pomona J. W. Rogers, Jr. University of Washington David Srolovitz University* of Michigan Thomas G. Stoebe University of Washington Robert G. Stang University of Washington Steven M. Valisove University of Michigan Uinda Vanasupa Cal Poly San Uuis Obispo J. M. Yang UCUA " Tambm estou em dbito com Wayne Anderson. Editor Pa- trocinador, e Monique Calello. Editora de Produo, nai- ley por sua assistncia e orientao nessa reviso. Meus agra- decimentos e minhas desculpas a outras pessoas cujas con- tribuies eu possa ter esquecido de agradecer. Por fim. ma? certamente no menos importante, meus profundos e since- ros agradecimentos pelo encorajamento e o apoio contnuo- da minha famlia e dos meus amigos. WlLLlAMD.C.VLLISTER.JR. Salt Lake City. I t c i h Janeiro de 1999
3. 3. Sumrio LISTA DE SMBOLOS XV /. Introduo Objetivos de Aprendizado 2 1.1 Perspectiva Histrica 2 1.2 Cincia e Engenharia do- Materiais 2 1.3 Por que Estudar Cincia e Engenharia dos Materiais? 3 1.4 Classificao dos Materiais 4 1.5 Materiais Avanados 4 1.6 Necessidades dos Materiais Modernos 4 Referncias 5 2. Estrutura Atmica e Ligao Interatmica 6 Objetivos de Aprendizado 7 2.1 Introduo 7 ESTRUTURA ATMICA 7 2.2 Conceitos Fundamentai 7 2.3 Eltrons nos tomos 7 2.4 A Tabela Peridica 11 LIGAO ATMICA NOS SLIDOS 12 2.5 Foras e Energias de Ligao 12 2.6 Ligaes Interatmicas Primrias 13 2.7 Ligaes Secundrias ou Ligaes de Van der Waals 16 2.8 Molculas 17 Resumo 11 Termos e Conceitos Importantes 77 Referncias 17 Perguntas e Problemas 1S 3. A Estrutura de Slidos Cristalinos 20 Objetivos de Aprendizado 21 3.1 Introduo 21 ESTRUTURAS CRISTALINAS 21 3.2 Conceitos Fundamentais 21 3.3 Clulas Unitrias 21 3.4 Estruturas Cristalinas de Metais 22 3.5 Clculos da Densidade 25 3.6 Polimorfismo e Aloiropia 25 3.7 Sistemas Cristalinos 2o DIREES E PLANOS CRISTALOGRFICOS 26 3.8 Direes Cristalogrficas 26 3.9 Planos Cristalogrficos 29 3.10 Densidades Atmicas Linear e Planar 32 3.11 Estruturas Cristalinas Compactas 33 MATERIAIS CRISTALINOS E NO-CRISTALINOS 34 3.12 Monocristais 34 3.13 Material- Policristalinos 35 3.14 Anisotropia 35 3.15 Durao de Raios X: Determinao de Estrutura? Cristalinas 36 3.16 Slidos No-cristalinos 39 Resumo 40 Tcrni.< c Conceitos Importantes 40 Referncias 40 Perguntas e Problemas 40 4. Imperfeies em Slidos 45 Objetivo- de Aprendizado 46 4.1 Introduo 46 "~ DEFEITOS PONTUAIS 46 _=_._ 4.2 Lacunas e Auto-intersticiais 46 4.3 Impurezas em Slidos 47 IMPERFEIES DIVERSAS 50 4.4 Discordncias Defeitos Lineares 50 4.5 Defeitos Interfaciais 51 4.6 Defeitos Volumtricos ou de Massa 55 4.7 Vibraes Atmicas 55 EXAME MICROSCPICO 55 4.8 Informaes Gerais 55 4.9 Microscopia 56 4.10 Determinao do Tamanho de Gro 59 Resumo 59 Termos e Conceitos Importantes 59 Referncias 60 Perguntas e Problemas 60 5. Difuso 63 Objetivos de Aprendizado 64 5.1 Introduo 64 5.2 Mecanismos da Difuso 64 5.3 Difuso em Estado Estacionrio 66 5.4 Difuso em Estado No-estacionrio 67
4. 4. 5.5 Fatores que Influenciam a Difuso 70 5.0 Outros Caminhos de Difuso 7-1 Resumo 74 Termos e Conceitos Importantes 7-t Referncias 7~f Perguntas e Problemas 7-t 6. Propriedades Mecnicas dos Metais 78 Objetivos de Aprendizado 79 0.1 Introduo 79 0.2 Conceitos de Tenso e Deformao 79 DEFORMAOELSTICA82 0.3 Comportamento Tenso-Deformao 82 0.4 Anelasticidade 82 0.5 Propriedades Elsticas dos Materiais 85 DEFORMAOPLSTICA86 0.0 Propriedades de 1 rao 87 0.7 Tenso Verdadeira e Deformaoerdadeira 91 (> li Recuperaro Elstica Durame uma Deformao Plstica 93 0.9 Deformaes Compressiva. Cisalhante e Torcional 93 0.10 Dureza 94 0.11 Variabidade nas Propriedades dos Materiais 97 0.12 Fatores de Projeto/Securana 99 Resumo 100 Iermos e Conceitos Importantes 100 Referncias 100 Perguntas e Problem 100 7. Discordncias e Mecanismos de Aumento de Resistncia 107 Objetivos de Aprendizado 108 7.1 Introduo 108 DISCORDNCIAS E A DEFORMAO PLSTICA 108 7.2 Conceitos Bsicos1 Ou 7.3 Caractersticas das Discordncias 110 7.-1 Sistemas de Escorregamento 111 7.5 Escorregamento em Monocristais 112 7.0 Deformao Plstica de Materiais Policristalinos 1H 7.7. Deformao por Maclagem 115 MECANISMOS DOAUMENTODERESISTNCIAEM METAIS 116 7.8 Aumento de Resistncia pela Reduo no Tamanho do Gro 116 7.9 Aumento de Resistncia por Soluo Slida 117 7.10 Encruamento 119 RECUPERAO.RECRISTALIZAOECRESCIMENTODE GRO 120 7.11 Recuperao 121 7.12 Recristalizao 121 7.13 Crescimento de Gro 125 Resumo 125 Termos e Conceitos Importantes 126 Referncias 126 Persuntas e Problemas 126 S. Falha 129 Objetivos de Aprendizado 130 8.1 Introduo 130 FRATURA 130 8.2 Fundamentos da Fratura 130 8.3 Fratura Dctil 131 8.4 Fratura Frgil 132 8.5 Princpios da Mecnica da Fratura 132 8.6 Ensaios de Fratura por Impacto 143 FADIGA 146 8.7 Tenses Cclicas 147 8.8 A Curva a-A' 148 8.9 Iniciao e Propagao de Trincas 149 8.10 Taxa de Propagao da Trinca 151 8.11 Fatores que Influenciam a Vida em Fadiga 155 8.12 Efeitos do Ambiente 156 FLUNCIA 157 8.13 Comportamento Geral da Fluncia 157 8.14 Efeito? da Tenso e da Temperatura 158 8.15 Mtodos para Extrapolao de Dados 159 8.10 Ligas para Uso a Altas Temperaturas 159 Resumo 160 Termos e Conceitos Importantes 161 Referncias 161 Perguntas e Problemas 162 9. Diagramas de Fase 1< Objetivos de Aprendizado 169 9.1 Introduo 169 DEFINIES E CONCEITOS BSICOS 169 9.2 Limite de Solubilidade 169 9.3 Fases 170 9.4 Mieroestrutura 170 9.5 Equilbrio de Fases 170 DIAGRAMAS DEFASES EM CONDIES DE EQUILBRIO 171 9.6 Sistemas lsomorfos Binrios 171 9.7 Sistemas Eutticos Binrios 171 9.8 Diagramas de Equilbrio que Possuem Fases ou Compostos Intermedirios 184 9.9 Reaes Eutetides e Peritticas 180 9.10 Transformaes de Fases Congruentes 187 9.11 Diaeramas de Fases Cermico e Ternrio 187 9.12 A Lei das Fases de Gibbs 187 O SISTEMA FERRO-CARBONO 188 9.13 O Diagrama de Fases Ferro-Carbeto de Ferro (Fe-Fe:iC) 189 9.14 Desenvolvimento das Microestruturas em Ligas Ferro-Carbono 191 9.15 A Influncia de Outros Elementos de Liga 195 Resumo 196 Termos e Conceitos Importantes 196 Referncias 197 Perguntas e Problemas 197
5. 5. 10. Transformaes de Fases em Metais: Desenvolvimento da Microestrutura e Alterao das Propriedades Mecnicas 202 Objetivos de Aprendizado 203 10.1 Introduo 203 TKANhHm.M.vKs 1)1. I-.VSKS 203 10.2 Conceitos Bsicos 203 10.3 A Cintica de Reaes no Estado Slido 203 10.4 Transformaes Multifsicas 204 ALTERAES MICROESTRUTURAIS E DAS PROPRIEDADES EM LIGAS FERRO-CARBONO 205 10.5 Diagramas de Transformaes Isotrmicas 205 10.6 Diagramas de Transformao por Resfriamento Contnuo 214 10.7 Comportamento Mecnico de Ligas Ferro-Carbono 215 10.8 Martensita Revenida 218 10.9 Reviso das Transformaes de Fases para Ligas Ferro-Carbono 220 Resumo 220 Termos e Conceitos Importantes 221 Referncias 221 Perguntas e Problemas 221 11. Processamento Trmico de Ligas Metlicas 226 Objetivos de Aprendizado 22" 11.1 Introduo 227 PROCESSOS DE RECOZIMENTO 227 11.2 Recozimento Intermedirio 227 11.3 Alvio de Tenso 227 11.4 Recozimento de Ligas Ferrosas 228 TRATAMENTO TRMICO DE AOS 229 11.5 Endurecibilidade 229 11.6 Influncia do Meio de Resfriamento, do Tamanho e da Geometria da Amostra 232 ENDURECIMENTO POR PRECIPITAO 236 11.7 Tratamentos Trmicos 236 11.8 Mecanismo de Endurecimento 238 11.9 Consideraes Gerais 240 . Resumo 240 Termos e Conceitos Importantes 240 Referncias 24-0 Perguntas e Problemas 240 12. Ligas Metlicas 243 Objetivos de Aprendizado 244 12.1 Introduo 244 FABRICAO DOS METAIS 244 12.2 Operaes de Conformao 244 12.3 Fundio 246 12.4 Tcnicas Diversas 24 LIGASFERROSAS24T" 12.5 Aos 24" 12.6 Ferros Fundidos 251 LICAS NO-FERROSAS 256 12.7 Cobre e suas Ligas 256 12.8 Alumnio e suas Ligas 258 12.9 Magnsio e suas Ligas 258 12.10 Titnio e suas Ligas 260 12.11 Os Metais Refratnrios 260 12.12 A>,-Miperhiiu:,2l>2 12.13 Os Metais Nobres 262 12.14 Ligas No-Ferrosas Diversas 262 Resumo 262 Termos e Conceitos Importantes 263 Referncias 263 Perguntas e Problemas 263 13. Estruturas e Propriedades das Cermicas 265 Objetivos de Aprendizado 266 13.1 Introduo 266 ESTRUTURAS CERMICAS 266 13.2 Estruturas Cristalinas 266 13.3 Cermicas Base de Silicato 272 13.4 Carbono 275 13.5 Imperfeies nas Cermicas 277 13.6 Diagramas de Fases dos Materiais Cermicos 2"7 9 PROPRIEDADES MECNICAS 281 13.7 Fratura Frgil das Cermicas 281 03.o Comportamento Tenso-Deformao 2o2 13.9 Mecanismos da Deformao Plstica 283 13.10 Consideraes Mecnicas Diversas 285 Resumo 286 Termos e Conceitos Importantes 286 Referncias 289 Persuntas e Problemas 287 14. Aplicaes e Processamento das Cermicas 291 Objetivos de Aprendizado 292 14.1 Introduo 292 VIDROS 292 14.2 Propriedades dos Vidros 292 14.3 Conformao do Vidro 294 14.4 Tratamento Trmico dos Vidros 295 14.5itrocermicos 296 PRODUTOS BASE DE ARGILA 296 14.6 As Caractersticas das Argilas 296 14.7 Composies dos Produtos Base de Argila 29" 14.8 Tcnicas de Fabricao 297 14.9 Secajrem e Cozimento 298 REFRATRIOS 299 14.10 Anrilas Refratrias 300 14.11 Refratrios Base de Slica 300 14.12 Refratrios Bsicos 300 14.13 Refratrios Especiais 300 OUTRAS APLICAES EMTODOS DE PROCESSAMENTO 301 14.14 Abrasivos 301 14.15 Prensagem do P 301
6. 6. 14.16 Fundio em Fita 303 14.17 Gimentos303 14.18 Cermicas Avanadas 303 Resumo 304 Termos e Conceitos Importantes 305 Referncias 305 1'erguitlus e Problemas 30515. ^Estruturas Polimricas 308 Objetivos de Aprendizado 309 15.1 Introduo 309 15.2 Molculas de Hidrocarbonetos 309 15.3 Molculas dos Polmeros 310 15.-+ A Qumica das Molculas dos Polmeros 310 15.5 Peso Molecular 312 15.6 Forma Molecular 316 15.7 Estrutura Molecular 317 15.8 Configuraes Moleculares 318 15.9 Gopolmeros 319 15.10 Cristalinidade do Polmero 320 15.11 Cristais de Polmeros 321 Resumo 323 Termos e Conceitos Importantes 324 Referncias 324 Perguntas e Problemas 32416. 'Caractersticas, Aplicaes, e o Processamento ^-^dos Polmeros 327 Objetivo- Aprendizado 328 16.1 Introduo 32" CARACTERSTICAS MECNICAS E TERMOMECNICAS 328 16.2 Comportamento Tenso-Deformao 328 16.3 Deformao de Polmeros Semicristalinos 330 16.4 Fatores que Influenciam as Propriedades Mecnicas dos Polmeros 330 16.5 Fenmenos da Cristalizao, da Fuso e da Transio Vtrea 333 16.6 Polmeros Termoplsticos e Termofixos 336 16.7 Viscoelasticidade 336 16.8 Deformao de Elastmeros 339 16.9 Fratura de Polmeros 339 16.10 Caractersticas Diversas 340 APLICAES EPROCESSAMENTO DOS POLMEROS 341 16.11 Polimerizao 342 16.12 Aditivos para Polmeros 343 16.13 Tipos de Polmeros 343 16.14 Plsticos 343 16.15 Elastmeros 347 16.16 Fibras 349 1-6.17 Aplicaes Diversas 349 16.18 Materiais Polimricos Avanados 350 Resumo 352 Termos e Conceitos Importantes 353 Referncias 353 Perguntas e Problemas 354 17. Compsitos 358 Objetivos de Aprendizado 359 17.1 Introduo 359 COMPSITOS REFORADOS COM PARTCULAS 360 17.2 Compsitos com Partculas Grandes 360 17.3 Compsitos Reforados por Disperso 363 COMPSITOS REFORADOS COM FIBRAS 363 17.4 Influncia do Comprimento da Fibra 363 17.5 Influncia da Orientao e da Concentrao da Fibra 364 17.6 A Fase Fibra 369 17.7 A Fase Matriz 371 17.8 Compsitos com Matriz de Polmero 371 17.9 Compsitos com Matriz Metlica 373 17.10 Compsitos com Matriz Cermica 374 17.11 Compsitos Carbono-Carbono 375 17.12 Compsitos Hbridos 375 17.13 Processamento de Compsitos Reforados com Fibra- 37(i COMPSITOS ESTRUTURAIS 380 17.14 Compsitos Laminares 380 17.15 Painis em Sanduche 381 Resumo 3S1 Termos e Conceitos Importantes 382 Referncias 3S2 Perguntas e Problemas 3S3 18. Corroso e Degradao dos Materiais 3 ' Objetivos de Aprendizado 388 18.1 Introduo 388 CORROSO DE METAIS 388 18.2 Consideraes Eletroqumicas 388 18.3 Taxas de Corroso 392 18.4 Estimativa de Taxas de Corroso 393 18.5 Passividade 398 18.6 Efeitos do Ambiente 399 18.7 Formas de Corroso 399 18.8 Ambientes de Corroso 404 18.9 Preveno da Corroso 405 18.10 Oxidao 406 CORROSODEMATERIAIS CERMICOS 408 DEGRADAO DE POLMEROS 408 18.11 Inchamento e Dissoluo 408 18.12 Ruptura da Ligao 408 18.13 Intemperismo 410 Resumo 410 Termos e Conceitos Importantes 4I Referncias 411 Perguntas e Problemas 4ll 19. Propriedades Eltricas 415 Objetivos de Aprendizado 416 19.1 Introduo 416 CONDIO ELTRICA 416
7. 7. 19.2 LeideOhm416 19.3 Condutividade Eltrica-ti0 19.4 Conduo Eletrnica e Inica 417 19.5 Estruturas da Banda de Energia nos Slidos 417 19.6 Conduo em Termos de Bandas e Modelos de Ligao Atmica 419 ( l~: Mobilidade Eletrnica 420 19.8 Resistividade Eltrica dos Metais 421 19.9 Caractersticas Eltricas de Ligas Comerciais 422 SEMICONDUTIVIDADE 422 19.10 Semiconduo Intrnseca 422 19.11 Semiconduo Extrnseca 424 19.12 A Variao da Condutividade e da Concentrao de Portadores com a Temperatura 427 10.10 () Eleito Hall 430 19.10 Dispositivos Semicondutores 431 CONDUO ELTRICA EM CERMICAS INICAS E EM POLMEROS 435 19.1o Conduo nos Materiais lnicos 435 ll ). 1() Propriedades Eltricas dos Polmeros 435 COMPORTAMENTO DIELTMCO 436 19.17 Capacitncia 436 19.18 Vetores de Campo e Polarizao 436 19.19 Tipos de Polarizao 440 19.20 Dependncia da Constante Dieltrica em Relao Freqncia 44 19.21 Resistncia Dieltrica 441 19.22 Materiais Dieltricos 441 OUTRAS CARACTERSTICAS ELTRICAS DOS MATERIAIS 441 19.23 Ferroeletricidade 441 19.24 Piezoeletricidade 442 Resumo 44.3 Termos e Conceitos Importantes 44,3 Referncias 444 Perguntas e Problemas 444 20. Propriedades Trmicas 449 Objetivos de Aprendizado 450 20.1 Introduo 450 20.2 Capacidade Calorfica 4-50 20.3 Expanso Trmica 451 20.4 Condutividade Trmica 453 20.5 Tenses Trmicas 455 Resumo 457 Termos e Conceitos Importantes 457 Referncias 457 Perguntas e Problemas 457 21. Propriedades Magnticas 460 Objetivos de Aprendizado 461 21.1 Introduo 461 2 1.2 Coneeiio* Bsicos 461 21.3 Dianiagnetismo e Paramagnetismo 463 21.4 Ferromagnetismo 464 21.5 Antiferromagnetismo e Ferriinasrnetismo 466 21.6 A Influncia da Temperatura sobre o Comportamento Magntico 468 21.7 Domnios e Histereses 469 21.8 Materiais Magnticos Moles 471 21.9 Materiais Magnticos Duros 472 21.10 Armazenamento Magntico 473 21.11 Supercondutividade 475 Resumo 477 Termos e Conceitos Importantes 478 Referncias 4 78 Perguntas e Problemas 478 22. Propriedades ticas 481 Objetivos de Aprendizado 482 22.1 Introduo 482 CONCEITOS BSICOS 482 22.2 Radiao Eletromagntica 482 22.3 Interaes da Luz com Slidos 483 22.4 Interaes Atmicas e Eletrnicas 484 PROPRIEDADES TICAS DOS METAIS 484 PROPRIEDADES TICAS DOS NO-METAIS 485 22.5 Refrao 485 22.6 Reflexo 486 22.7 Absoro 486 22.8 Transmisso 488 22.( ) Cor 488 22.10 Opacidade e Translucidez em Materiais Isolantes 489 APLICAES DOS FENMENOS TICOS 490 22.11 Luminescncia 490 22.12 Fotocondutividade 490 22.13 Lasers 491 22.14 Fibras ticas nas Comunicaes 494 Resumo 496 Termos e Conceitos Importantes 496 Referncias 496 Perguntas e Problemas 497 23. Seleo de Materiais e Consideraes de Projeto 499 Objetivos de Aprendizado 500 23.1 Introduo 500 SELEO DE MATERIAIS PARA UM EIXO CILNDRIO TENSIONADO EM TORO 500 23.2 Resistncia 500 23.3 Outras Consideraes de Propriedades e a Decist Final 504 MOLA DE VLVULA DE AUTOMVEL 504 23.4 Introduo 504 23.5 Mola de Vlvula de Automvel 505 TROCA DE PRTESE TOTAL DA BACIA 508 23.6 Anatomia da Articulao da Bacia 508 23.7 Exigncias de Materiais 510 23.8 Materiais Empregados 511
8. 8. SISTEMADE PROTEOTRMICADONIBUS ESPACIAL 512 23.9 Introduo 512 23.10 Sistema de Proteo Trmica Exigncias de Projeto 513 23.11 Sistema de Proteo Trmica Componentes 514 MATERIAIS PARAPACOTES DE CIRCUITOS INTEGRADOS 517 23.12 Introduo 517 23.13 Projeto de Barra de Terminais e Materiais 517 23.14 Colagem da Matriz 518 23.15 Ligao dos Fios 519 23.16 Encapsulamento do Pacote 521 23.17 Colagem Automatizada com Fita 522 Resumo 523 Referncias 524 Perguntas e Problemas 525 24. Questes Econmicas, Ambientais e Sociais na Cincia e Engenharia dos Materiais 52 S Objetivos de Aprendizado 529 24.1 Introduo 529 CONSIDERAES ECONMICAS 529 24.2 Projeto do Componente 529 24.3 Materiais 529 2-1.4 Tcnicas de r abricao 530 CONSIDERAES AMBIENTAIS E SOCIAIS 530 24.5 Questes sobre Reciclagem na Cincia e Engenharia dos Materiais 532 Resumo 53-t Referncias 53-i Apndice A O Sistema Internacional de Unidades (SI) 535 Apndice B Propriedades de Materiais de Engenharia Selecionados 537 B. 1 Deiiidade 53"7 B.2 Mdulo de Elasticidade 539 B.3 Coeficiente de Poisson 540 B.4 Resistncia e Ductilidade 541 B.5 Tenacidade Fratura em Deformao Plana 540 B.(> Coeficiente Linear de Expanso Trmica 546 B.7 Condutividade Trmica 548 B.8 Calor Especfico 550 B.9 Resistividade Eltrica 551 B.10 Composies de Ligas Metlicas 553 Apndice C Custos e Custos Relativos de Materiais de Engenharia Selecionados 554 Apndice D Estruturas Mero para Polmeros Comuns 55 S Apndice E Temperaturas de Transio Vtrea e de Fuso para Materiais Polimricos Comuns 562 Glossrio 563 Respostas a Problemas Selecionados 5 74 ndice 5 7S
9. 9. Lista de Smbolos O nmero da seo em que um smbolo introduzido ou explicado dado entre parntese*. A = rea A = unidade de angstroni Aj = peso atmico do elemento / (2.2) FEA = fator de empacotamento atmico (3.4) %RA = dutilidade. em reduo percentual na rea (6.6) o = parmetro do retculo cristalino: coinprimeiitu axial x da clula unitria (3.4) a = comprimento da trinca de uma trinca de superfcie (8.5) %a = porcentagem atmica (4.3) B = Densidade do fluxo magntico (induo) (21.2) B, = remanncia magntica (21.7) CCC = estrutura cristalina cbica de corpo centrado (3.4) b = parmetro do retculo cristalino: comprimento axial v da clula unitria (3.7) b = vetor de Burgers (4.4) C = capacitncia (19.17) " C, = concentrao (composio) do componente i em %p (4.3) C] concentrao (composio) do componente / em %a (4.3) C,.. Cp = capacidade calorfica a volume, presso constante (20.2) TPC = taxa de penetrao da corroso (18.3) CVN = entalhe em ""Y de Charpy (8.6) %DF = percentual de trabalho a frio (7.10) c = parmetro do retculo cristalino: comprimento axial z da clula unitria (3.7) c = velocidade da radiao eletromagntica no vcuo (22.2) D = coeficiente de difuso (5.3) D = deslocamento dieltrico (19.18) d = dimetro d dimetro mdio do gro (7.8) dhkl = espaamento interplanar para plamw de ndices de Miller //. k e / (3.15j E energia (2.5) E = mdulo de elasticidade ou mdulo de Young (6.3) s As configuraes eletrnicas para alguns dos elementos mais comuns esto listadas na Tabela 2.2.
10. 22. A esta altura, so necessrios alguns comentrios em relao a estas configuraes eletrnicas. Em primeiro lugar, os eltrons de valncia so aqueles que ocupam a camada preenchida mais externa. Esses eltrons so extremamente importantes. Como ser visto, eles participam da ligao entre os tomos para formar os agregados atmicos e moleculares. Alm disso, muitas das pro- priedades fsicas e qumicas dos slidos esto baseadas nesses eltrons de valncia. Adicionalmente, alguns tomos possuem o que conhecido por "configuraes eletrnicas estveis", isto , os orbitais den- tro da camada eletrnica mais externa ou de valncia esto com- pletamente preenchidos. Normalmente, isto corresponde ocu- pao somente dos orbitais s ep para a camada mais externa por um total de oito eltrons, como o caso para o nenio, argnio e criptnio; uma exceo o hlio, que contm apenas dois el- trons s. Estes elementos (Ne, Ar, Kr e He) so os gases inertes, ou nobres, virtualmente no reativos do ponto de vista qumico. Alguns tomos dos elementos que possuem camadas de valn- cia no totalmente preenchidas assumem configuraes eletr- nicas estveis pelo ganho ou perda de eltrons para formar ons carregados ou atravs do compartilhamento de eltrons com outros tomos. Esta a base para algumas reaes qumicas e tambm para as ligaes atmicas em slidos, como est expli- cado na Seo 2.6. Sob circunstncias especiais, os orbitais s tp se combinam para formar orbitais hbridos sp", onde n indica o nmero de orbitais p envolvidos, e que podem assumir valores de 1, 2 ou 3. Os elementos dos grupos 3A, 4A e 5A da tabela peri- dica (Fig. 2.6) so aqueles que mais freqentemente formam esses hbridos. A fora motriz para a formao de orbitais h- bridos um estado energtico com energia mais baixa para os eltrons de valncia. Para o carbono, o hbrido sp3 de fundamental importncia nas qumicas orgnica e de polme- ros. A forma do orbital hbrido sp3 o que determina o ngulo de 109 (ou tetradrico) encontrado nas cadeias de polmeros (Cap. 15). 2.4 A TABELA PERIDICA Todos os elementos foram classificados na tabela peridica de acordo com a sua configurao eletrnica (Fig. 2.6). Nela os ele- mentos so posicionados em ordem crescente de nmero atmi- co, em sete fileiras horizontais chamadas perodos. O arranjo tal que todos os elementos localizados em uma dada coluna ou grupo possuem estruturas semelhantes dos eltrons de valncia, bem como propriedades qumicas e fsicas semelhantes. Essas propriedades variam gradual e sistematicamente ao se mover horizontalmente ao longo de cada perodo. Os elementos posicionados no Grupo 0, o grupo mais direi- ta, so os gases inertes, que possuem camadas eletrnicas total- mente preenchidas e configuraes eletrnicas estveis. Os ele- mentos nos Grupos VIIA e VIA possuem, respectivamente, de- ficincia de um e dois eltrons para completarem estruturas es- tveis. Os elementos no Grupo VIIA (F, Cl, Br, I e At) so algu- mas vezes chamados de halognios. Os metais alcalinos e alca- lino-terrosos (Li, Na, K, Be, Mg, Ca etc.) so identificados como Grupos IA e IIA, possuindo, respectivamente, um e dois eltrons alm das estruturas estveis. Os elementos nos trs perodos lon- gos, Grupos IIIB a IIB, so chamados de metais de transio; possuem orbitais eletrnicos d parcialmente preenchidos e, em alguns casos, um ou dois eltrons na camada energtica imedia- tamente mais alta. Os Grupos IIIA, IVA e VA (B, Si, Ge, As etc.) apresentam caractersticas que so intermedirias entre os me- tais e os ametais (no-metais) em virtude das estruturas dos seus eltrons de valncia.
11. 23. Como pode ser observado na tabela peridica, a maioria dos elementos se enquadra realmente sob a classificao de metal. Estes so s vezes chamados de elementos eletropositivos, in- dicando que so capazes de ceder seus poucos eltrons de va- lncia para se tornarem ons carregados positivamente. Adicio- nalmente, os elementos situados ao lado direito da tabela peri- dica so eletronegativos; isto , eles prontamente aceitam el- trons para formar ons carregados negativamente, ou algumas vezes eles compartilham eltrons com outros tomos. A Fig. 2.7 mostra os valores de eletronegatividade que foram atribu- dos aos vrios elementos distribudos na tabela peridica. Como regra geral, a eletronegatividade aumenta ao se deslo- car da esquerda para a direita e de baixo para cima na tabela. Os tomos apresentam maior tendncia em aceitar eltrons se as suas camadas mais externas estiverem quase totalmente pre- enchidas e se elas estiverem menos "protegidas" (isto , mais prximas) do ncleo. LIGAO ATMICA NOS SLIDOS 2.5 FORAS E ENERGIAS DE LIGAO A compreenso de muitas das propriedades fsicas dos mate- riais est baseada no conhecimento das foras interatmicas que unem os tomos, prendendo-os. Talvez os princpios das ligaes atmicas possam ser mais bem ilustrados conside- rando-se a interao entre dois tomos isolados medida que eles so colocados em proximidade desde uma separao in- finita. A grandes distncias, as interaes entre eles so des- prezveis; no entanto, medida que os tomos se aproximam, cada um exerce foras sobre o outro. Essas foras so de dois tipos, atrativa e repulsiva, e a magnitude de cada uma delas funo da separao ou distncia interatmica. A origem de uma fora atrativa FA depende do tipo especfico de ligao que existe entre os dois tomos. A sua magnitude varia com a distncia, como est representado esquematicamente na Fig. 2.8a. No final das contas, as camadas eletrnicas mais exter- nas dos dois tomos comeam a se superpor, e uma intensa fora repulsiva FR entra em ao. A fora lquida FL entre os dois to- mos exatamente a soma das componentes de atrao e de repulso, isto , FL = FA + FR (2.2) que tambm uma funo da separao interatmica, como tam- bm est plotado na Fig. 2.8a. Quando FA e FR se anulam, ou se tornam iguais, no existe qualquer fora lquida ou resultante, isto , Ento, existe um estado de equilbrio. Os centros dos dois to- mos iro permanecer separados pela distncia de equilbrio r0, conforme indicado na Fig. 2.8a. Para muitos tomos, r0 de aproximadamente 0,3 nm (3 A). Uma vez nesta posio, pela ao de uma fora atrativa os dois tomos iro neutralizar qualquer tentativa de separ-los, e pela ao de uma fora repulsiva tam- bm neutralizaro as tentativas de aproximar um contra o outro. Algumas vezes mais conveniente trabalhar com as energias potenciais entre dois tomos no lugar das foras entre eles. Ma- tematicamente, a energia (E) e a fora (F) esto relacionadas atravs da expresso = j Fdr Ou, para sistemas atmicos, EL = FL dr onde EL, EA e ER so, respectivamente, as energias lquida, atrativa e repulsiva para dois tomos adjacentes isolados. A Fig. 2.8b mostra as energias potenciais atrativa, repulsiva e lquida como uma funo da separao interatmica entre dois tomos. A curva da energia lquida, que novamente a soma das
12. 24. outras duas, apresenta um vale ou uma depresso de energia po- tencial ao redor do seu mnimo. Aqui, a mesma distncia de equi- lbrio, r0, corresponde distncia de separao no ponto mni- mo da curva de energia potencial. A energia de ligao para estes dois tomos, Eo, corresponde energia neste ponto mnimo (tam- bm mostrado na Fig. 2.8b); ela representa a energia que seria necessria para separar esses dois tomos at uma distncia de separao infinita. Embora o tratamento anterior tenha abordado uma situao ideal que envolve apenas dois tomos, existe uma condio se- melhante, porm mais complexa, para os materiais slidos, pois as interaes de fora e energia entre muitos tomos devem ser consideradas. No obstante, uma energia de ligao, anloga a Eo acima, pode estar associada a cada tomo. A magnitude desta energia de ligao e a forma da curva da energia em funo da separao interatmica variam de material para material, e am- bas dependem do tipo de ligao atmica. Alm disso, um certo nmero de propriedades dos materiais depende de Eo, da forma da curva e do tipo de ligao. Por exemplo, os materiais que possuem grandes energias de ligao em geral tambm possu- em temperaturas de fuso elevadas; temperatura ambiente, as substncias slidas so formadas devido a elevadas energias de ligao, enquanto nos casos em que existem apenas pequenas energias de ligao o estado gasoso favorecido; os lquidos prevalecem quando as energias so de magnitude intermediria. Adicionalmente, conforme discutido na Seo 6.3, a rigidez mecnica (ou mdulo de elasticidade) de um material depende da forma da sua curva da fora em funo da separao inte- ratmica (Fig. 6.7). A inclinao da curva na posio r = rQ para um material relativamente rgido ser bastante ngreme; as in- clinaes so menos ngremes para os materiais mais flexveis. Alm disso, o quanto ura material se expande em funo do aque- cimento ou se contrai devido ao resfriamento (isto , o seu coe- ficiente linear de expanso trmica) est relacionado forma da sua curva EQ X r0 (ver Seo 20.3). Um "vale" profundo e es- treito, que ocorre tipicamente para os materiais que possuem elevadas energias de ligao, est nornalmente correlacionado com um baixo coeficiente de expanso trmica e alteraes di- mensionais relativamente pequenas em funo de mudanas de temperatura. Trs tipos diferentes de ligaes primrias ou ligaes qumi- cas so encontradas nos slidos inica, covalente e metlica. Para cada tipo, a ligao envolve necessariamente os eltrons de valncia; alm disso, a natureza da ligao depende das estruturas eletrnicas dos tomos constituintes. Em geral, cada um desses trs tipos de ligao se origina da tendncia dos tomos para adquirir estruturas eletrnicas estveis, como aquelas dos gases inertes, pelo preenchimento total da camada eletrnica mais externa. Foras e energias secundrias ou fsicas tambm so encon- tradas em muitos materiais slidos; elas so mais fracas do que as primrias, mas ainda assim influenciam as propriedades fsi- cas de alguns materiais. As sees seguintes explicam os vrios tipos de ligaes interatmicas primrias e secundrias. 2.6 LIGAES INTERATMICAS PRIMRIAS LIGAES INICAS Talvez a ligao inica seja a mais fcil de ser descrita e de se visualizar. Ela sempre encontrada em compostos cuja compo- sio envolve tanto elementos metlicos como no-metlicos, ou seja, elementos que esto localizados nas extremidades horizon- tais da tabela peridica. Os tomos de um elemento metlico perdem facilmente os seus eltrons de valncia para os tomos no-metlicos. No processo, todos os tomos adquirem configu- raes estveis ou de gs inerte e, adicionalmente, uma carga eltrica; isto , eles se tornam ons. O cloreto de sdio (NaCl) o material inico clssico. Um tomo de sdio pode assumir a estrutura eletrnica do nenio (e uma carga lquida positiva uni- tria) pela transferncia de seu nico eltron de valncia, 3s, para um tomo de cloro. Aps esta transferncia, o on cloro adquire uma carga lquida negativa e uma configurao eletrnica idn- tica quela do argnio. No cloreto de sdio, todo sdio e todo cloro existem como ons. Esse tipo de ligao est ilustrado esquematicamente na Fig. 2.9. As foras de ligao atrativas so de Coulomb; isto , ons po- sitivos e negativos, devido s suas cargas eltricas lquidas, atraem uns aos outros. Para dois tomos isolados, a energia atrativa EA uma funo da distncia interatmica de acordo com a relao3 3 A constante A na Eq. 2.8 igual a onde e0 a permissividade do vcuo (8,85 X IO"12 F/m), Z, e Z2 so as valncias dos dois tipos de ons, e e a carga de um eltron (1,602 X IO"'9 C).
13. 25. Nessas expresses, A, B e n so constantes cujos valores depen- dem do sistema inico especfico. O valor de n de aproxima- damente 8. A ligao inica chamada no-direcional, isto , a magnitu- de da ligao igual em todas as direes ao redor do on. Con- seqentemente, para que materiais inicos sejam estveis, em um arranjo tridimensional todos os ons positivos devem possuir ons carregados negativamente como seus vizinhos mais prximos, e vice-versa. A ligao predominante nos materiais cermicos inica. Alguns dos arranjos de ons nestes materiais so discuti- dos no Cap.'13. As energias de ligao, que geralmente variam na faixa entre 600 e 1500 kJ/mol (3 e 8 eV/tomo), so relativamente altas, o que refletido na forma de temperaturas de fuso elevadas.4 A 4 Algumas vezes as energias de ligao so expressas por tomo ou por on. Sob essas cir- cunstncias, o eltron-volt (eV) uma unidade de energia convenientemente pequena. Ela , por definio, a energia concedida a um eltron medida que ele se desloca atravs de um potencial eltrico de um volt. O equivalente em joule a um eltron-volt o seguinte: 1,602 X 10-"? J = 1 eV. Tabela 2.3 contm as energias de ligao e as temperaturas de fuso de vrios materiais inicos. Os materiais inicos so, por caracterstica, materiais duros e quebradios e, alm disso, iso- lantes eltricos e trmicos. Conforme ser discutido em captu- los subseqentes, essas propriedades so uma conseqncia di- reta das configuraes eletrnicas e/ou da natureza da ligao inica. LIGAO COVALENTE Na ligao covalente as configuraes eletrnicas estveis so adquiridas pelo compartilhamento de eltrons entre tomos ad- jacentes. Dois tomos ligados de maneira covalente iro cada um contribuir com pelo menos um eltron para a ligao, e os eltrons compartilhados podem ser considerados como perten- centes a ambos os tomos. A ligao covalente est ilustrada esquematicamente na Fig. 2.10 para uma molcula de metano (CH4). O tomo de carbono possui quatro eltrons de valncia, enquanto cada um dos quatro tomos de hidrognio possui um nico eltron de valncia. Cada tomo de hidrognio pode ad- quirir uma configurao eletrnica de hlio (dois eltrons de valncia s) quando o tomo de carbono compartilha um el- tron com ele. O carbono agora possui quatro eltrons compar- tilhados adicionais, um de cada tomo de hidrognio, comple- tando um total de oito eltrons de valncia, e a estrutura ele- trnica do nenio. A ligao covalente direcional; isto , ela ocorre entre tomos especficos e pode existir somente na di- reo entre um tomo e o outro que participa no compartilha- mento de eltrons. Muitas molculas elementares de no-metais (H2, Cl2, F2 etc), bem como molculas contendo tomos diferentes, tais como CH4, H2O, HNO3 e HF, so ligadas covalentemente. Alm disso, esse tipo de ligao encontrado em slidos elementares, como o diamante (carbono), o silcio e o germnio, bem como em ou- tros compostos slidos cuja composio inclui elementos que esto localizados no lado direito da tabela peridica, como o arseneto de glio (GaAs), o antimoneto de ndio (InSb) e o car- beto de silcio (SiC). O nmero de ligaes covalentes que possvel para um tomo particular determinado pelo nmero de eltrons de valncia. Para N' eltrons de valncia, um tomo pode se li- gar de maneira covalente com, no mximo, 8 N' outros tomos. Por exemplo, N' = 7 para o cloro, e 8 - iV' = 1, o que significa que um tomo de cloro pode se ligar a apenas Uma equao anloga para a energia de repulso
14. 26. um outro tomo, como ocorre no Cl2. De maneira semelhante, para o carbono, N' = 4, e cada tomo de carbono possui 8 - 4, ou quatro, eltrons para compartilhar. O diamante sim- plesmente a estrutura tridimensional de interconexo em que cada tomo de carbono se liga covalentemente com quatro outros tomos de carbono. Esse arranjo est representado na Fig. 13.15. As ligaes covalentes podem ser muito fortes, como no dia- mante, que muito duro e possui uma temperatura de fuso muito alta, > 3550C (6400F), ou elas podem ser muito fracas, como ocorre com o bismuto, que funde a aproximadamente 270C (518F). As energias de ligao e temperaturas de fuso de al- guns materiais ligados covalentemente esto apresentadas na Tabela 2.3. Os materiais polimricos tipificam essa ligao, sendo a estrutura molecular bsica uma longa cadeia de tomos de car- bono que se encontram ligados entre si de maneira covalente, atravs de duas das quatro ligaes disponveis em cada tomo. As duas ligaes restantes so normalmente compartilhadas com outros tomos, que tambm se encontram ligados covalentemen- te. As estruturas moleculares polimricas so discutidas em de- talhes no Cap. 15. E possvel a existncia de ligaes interatmicas que sejam parcialmente inicas e parcialmente covalentes, e, de fato, pou- cos compostos exibem ligaes com carter que seja exclusiva- mente inico ou covalente. Para um composto, o grau de cada tipo de ligao depende das posies relativas dos tomos cons- tituintes na tabela peridica (Fig. 2.6) ou da diferena nas suas eletronegatividades (Fig. 2.7). Quanto maior for a separao (tanto horizontalmente em relao ao Grupo IVA como verti- calmente) do canto inferior esquerdo para o canto superior di- reito (isto , quanto maior for a diferena entre as eletronegati- vidades), mais inica ser a ligao. De maneira contrria, quanto mais prximos estiverem os tomos (isto , quanto menor for a diferena de eletronegatividades), maior ser o grau de co- valncia. O percentual de carter inico de uma ligao entre os elementos A e B (onde A o elemento mais eletronegativo) pode ser aproximado pela expresso % carter inico = {1 - exp[-(0,25)(XA - XB)2 ]} X 100 (2.10) onde XA e XB so as eletronegatividades dos respectivos elemen- tos. LIGAO METLICA A ligao metlica, o ltimo tipo de ligao primria, encon- trada em metais e suas ligas. Foi proposto um modelo relativa- mente simples que muito se aproxima do esquema de ligao. Os materiais metlicos possuem um, dois ou, no mximo, trs eltrons de valncia. Com esse modelo, estes eltrons de valn- cia no se encontram ligados a qualquer tomo em particular no slido e esto mais ou menos livres para se movimentar ao lon- go de todo o metal. Eles podem ser considerados como perten- cendo ao metal como um todo, ou como se estivessem forman- do um "mar de eltrons" ou uma "nuvem de eltrons". Os el- trons restantes, aqueles que no so eltrons de valncia, junta- mente com os ncleos atmicos, formam o que so chamados ncleos inicos, que possuem uma carga lquida positiva igual em magnitude carga total dos eltrons de valncia por tomo. A Fig. 2.11 uma ilustrao esquemtica da ligao metlica. Os eltrons livres protegem os ncleos inicos carregados posi- tivamente das foras eletrostticas mutuamente repulsivas que eles iriam, de outra forma, exercer uns sobre os outros; conse- qentemente, a ligao metlica apresenta carter no-direcio- nal. Adicionalmente, esses eltrons livres atuam como uma "cola" para manter juntos os ncleos inicos. As energias de ligao e temperaturas de fuso para diversos metais esto listadas na Ta- bela 2.3. A ligao pode ser fraca ou forte; as energias variam na faixa entre 68 kJ/mol (0,7 eV/tomo) para o mercrio e 850 kl/ mol (8,8 eV/tomo) para o tungstnio. As respectivas temperatu- ras de fuso destes metais so -39 e 3410C (-38 e 6170F). A ligao metlica encontrada para os elementos dos Grupos IA e HA na tabela peridica, e, de fato, para todos os metais elementares. Alguns comportamentos gerais dos diversos tipos de materi- ais (isto , metais, cermicos, polmeros) podem ser explicados pelo tipo de ligao. Por exemplo, os metais so bons conduto- res de calor e eletricidade, como conseqncia dos seus eltrons livres (ver Sees 19.5, 19.6 e 20.4). Em contraste, materiais li- gados ionicamente e covalentemente so tipicamente isolantes eltricos e trmicos, devido ausncia de grandes nmeros de eltrons livres. Alm disso, na Seo 7.4 observamos que temperatura ambiente a maioria dos metais e suas ligas falha de maneira dctil; isto , ocorre fratura aps os materiais experimentarem nveis significativos de deformao permanente. Esse comportamento
15. 27. explicado em termos do mecanismo de deformao (Seo 7.2), que est implicitamente relacionado s caractersticas da ligao metlica. De maneira contrria, temperatura ambiente os ma- teriais ligados ionicamente so intrinsecamente quebradios, como conseqncia da natureza eletricamente carregada de seus ons componentes (ver Seo 13.9). peraturas de fuso e ebulio so extremamente baixas em ma- teriais para os quais a ligao por dipolos induzidos predomi- nante; dentre todos os tipos de ligao intermoleculares poss- veis, estas so as mais fracas. As energias de ligao e tempera- turas de fuso para o argnio e o cloro tambm esto tabuladas na Tabela 2.3. LIGAES ENTRE MOLCULAS POLARES E DIPOLOS INDUZIDOS Momentos dipolo permanentes existem em algumas molcu- las em virtude de um arranjo assimtrico de regies carrega- das positivamente e negativamente; tais molculas so chama- das molculas polares. A Fig. 2.14 apresenta uma representa- o esquemtica de uma molcula de cloreto de hidrognio; um momento dipolo permanente tem sua origem a partir das car- gas lquidas positiva e negativa que esto associadas, respecti- vamente, s extremidades contendo o hidrognio e o cloro da molcula de HC1. As molculas polares tambm podem induzir dipolos em molculas apolares adjacentes, e uma ligao ir se formar como resultado das foras atrativas entre as duas molculas. Alm dis- so, a magnitude dessa ligao ser maior do que aquela que existe para dipolos induzidos flutuantes. LIGAES DIPOLO PERMANENTES As foras de van der Waals tambm iro existir entre molculas polares adjacentes. As energias de ligao associadas so signi- ficativamente maiores do que aquelas para ligaes envolvendo dipolos induzidos. O tipo mais forte de ligao secundria, a ligao de hidrog- nio, um caso especial de ligao entre molculas polares. Ela ocorre entre molculas nas quais o hidrognio est ligado cova- lentemente ao flor (como no HF), ao oxignio (como na H2O) e ao nitrognio (como no NH3). Para cada ligao H-F, H-0 ou H-N, o nico eltron do hidrognio compartilhado com o ou- tro tomo. Assim, a extremidade da ligao contendo o hidrog- nio consiste essencialmente em um prton isolado, carregado positivamente, e que no est neutralizado por qualquer eltron.
16. 28. Essa extremidade carregada da molcula, altamente positiva, capaz de exercer uma grande fora de atrao sobre a extremi- dade negativa de uma molcula adjacente, conforme est de- monstrado na Fig. 2.15 para o HF. Essencialmente, este prton isolado forma uma ponte entre dois tomos carregados negati- vamente. A magnitude da ligao de hidrognio geralmente maior do que aquela para outros tipos de ligaes secundrias, e pode ser to elevada quanto 51 kJ/mol (0,52 eV/molcula), como est mostrado na Tabela 2.3. As temperaturas de fuso e ebuli- o para o fluoreto de hidrognio e para a gua so anormalmente elevadas para os seus baixos pesos moleculares, sendo isto uma conseqncia da ligao de hidrognio. 2.8 MOLCULAS Para concluir este captulo, vamos dedicar alguns momentos discutindo o conceito de molcula, analisando-a em termos de materiais slidos. Uma molcula pode ser definida como um grupo de tomos que esto ligados entre si por meio de fortes ligaes primrias. Dentro deste contexto, a totalidade das amos- tras slidas unidas por meio de ligaes inicas e metlicas pode ser considerada como sendo uma nica molcula. Contudo, esse no o caso para muitas substncias nas quais a ligao cova- lente predominante; estas incluem molculas diatmicas ele- mentares (F2, O2, H2 etc), bem como uma gama de compostos (H2O, CO2, HNO3, C6H6, CH4 etc). Nos estados lquido conden- sado e slido, as ligaes entre as molculas consistem em fra- cas ligaes secundrias. Conseqentemente, os materiais mo- leculares possuem relativamente baixas temperaturas de fuso e ebulio. A maioria daqueles que possuem molculas pequenas, compostas por apenas uns poucos tomos, so gases a tempera- turas e presses ordinrias ou ambiente. Por outro lado, muitos dos polmeros modernos, sendo materiais moleculares compos- tos por molculas extremamente grandes, existem como slidos; algumas das suas propriedades so fortemente dependentes da presena de ligaes secundrias de van der Waals e de hidro- gnio. RESUMO Este captulo comeou com um levantamento dos fundamentos da estrutura atmica, apresentando os modelos de Bohr e mec- nico-ondulatrio para os eltrons nos tomos. Enquanto o mo- delo de Bohr assume que os eltrons sejam partculas que orbitam em torno do ncleo em trajetrias distintas, na mecnica ondulatria ns os consideramos como sendo ondas, e tratamos a posio do eltron no tomo em termos de uma distribuio de probabilidades. Os estados de energia eletrnicos so especificados em ter- mos de nmeros qunticos, que do origem s camadas e sub- camadas eletrnicas. A configurao eletrnica de um tomo corresponde maneira pela qual essas camadas e subcamadas so preenchidas com eltrons de acordo com o princpio da ex- cluso de Pauli. A tabela peridica dos elementos gerada pelo arranjo dos vrios elementos de acordo com a configurao do eltron de valncia. A ligao atmica nos slidos pode ser considerada em ter- mos de foras e energias de atrao e de repulso. Os trs tipos de ligao primria nos slidos so inica, covalente e metlica. Para as ligaes inicas, ons carregados eletricamente so for- mados pela transferncia dos eltrons de valncia de ura tipo de tomo para outro; as foras so de Coulomb. Existe um compar- tilhamento de eltrons de valncia entre tomos adjacentes quan- do a ligao covalente. Na ligao metlica, os eltrons de valncia formam uma "nuvem de eltrons" que est uniforme- mente dispersa em torno dos ncleos inicos do metal, e atua como um tipo de cola para eles. Tanto as ligaes de van der Waals como as de hidrognio so chamadas ligaes secundrias, sendo fracas em compa- rao com as ligaes primrias. Elas resultam das foras atra- tivas entre dipolos eltricos, os quais existem em dois tipos induzido e permanente. Para a ligao de hidrognio, mo- lculas altamente polares se formam quando o hidrognio se liga covalentemente a um elemento no-metlico, como o flor. TERMOS ECONCEITOS IMPORTANTES Configurao eletrnica Dipolo (eltrico) Eltron de valncia Eletronegativo Eletropositivo Energia de ligao Estado eletrnico Estado fundamental Fora de Coulomb Istopo Ligao covalente Ligao de hidrognio Ligao de van der Waals Ligao inica Ligao metlica REFERNCIAS A maioria do material deste captulo abordada em livros de qumica de nvel superior. Abaixo esto listados dois destes livros como referncia. Kotz, J. C. and P. Treichel, Jr., Chemistry and Chemical Reactivity, 4th edition, Saunders Col-lege Publishing, Fort Worth. TX, 1999. Masterton, W. L. and C. N. Hurley, Chemistry, Principies and Reactions, 3rd edition, Saunders College Publishing, Philadelphia, 1996. Observao: Em cada captulo, a maioria dos termos listados na seo 'Termos e Concei- tos Importantes" est definida no Glossrio, que apresentado aps o Apndice E. Os ou- tros so suficientemente importantes para garantir seu tratamento em uma seo inteira do texto, podendo ser consultados atravs da tabela de contedo ou do ndice. Ligao primria Ligao secundria Mecnica quntica Modelo atmico de Bohr Modelo mecnico-ondulatrio Mol Molcula Molcula polar Nmero atmico Nmero quntico Peso atmico Princpio da excluso de Pauli Tabela peridica Unidade de massa atmica (uma)