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Grupo de Materiais de ConstruçãoDepartamento de Construção CivilUniversidade Federal do Paraná

Direitos Reservados UFPR

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Estrutura atômica e molecular dos materiais

PROF. JOSÉ FREITAS PROFa. NAYARA S. KLEINADAPTADO POR: PROF. RONALDO MEDEIROS-JUNIOR

Disciplina:TC 030 MATERIAIS DE CONSTRUÇÃO I

Química e propriedades da água

Prof. Marcelo Medeiros

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Departamento de Construção Civil

Universidade Federal do Paraná

Química:

Ciência que estuda as substâncias, suas propriedades,suas composições e suas transformações.

Matéria:É tudo que tem massa e ocupa espaço.

Constituída por partículas muito pequenas chamadas moléculas,cuja ordem de grandeza é de 10-10 cm.

1 cm3 de água (H2O) contém 33 X 1021 moléculas

Definições

ESTRUTURA ATÔMICA


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Substâncias:

Compostas apenas de um tipo de moléculas ou átomos.

Substância simples formada por um único tipo deconstituinte.Exemplos:

Metal ferro - Fe2

Gás oxigênio - O2.

Substância composta formada por mais de um tipo deconstituinte.Exemplos:

Água pura - H2OSal comum - NaCl

Substâncias e misturas

ESTRUTURA ATÔMICAProf. Marcelo Medeiros

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ESTRUTURA ATÔMICASubstâncias e misturas

Granito - grãos de quartzo branco, mica preta e feldspato rosa e outrosminérios.

Outras misturas requerem outros métodos de verificação.

Misturas:

Consiste em duas ou mais substâncias misturadas.

Algumas podem ser identificadas visualmente.

Exemplo:


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Leite – a olho nu só se vê um líquido branco.Com microscópio observa-se partículas brancas e constata que é umamistura.

Água salgada – Não se vê de forma alguma o sal (íons) dissolvido.É necessário evaporar a água para observar o sal.

ESTRUTURA ATÔMICASubstâncias e misturas


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A matéria pode existir em três estados:

• Sólido - Mantém volume e forma.

• Líquido - Mantém volume, adquire a forma do recipiente.

• Gás - Não mantém volume nem forma, varia com orecipiente.

Estados da matéria

ESTRUTURA ATÔMICA



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Gases e líquidos têm a capacidade de fluir, são chamados de fluídos.

Sólidos – moléculas, muito próximas, mantém posição por atração ecoesão.

Estado cristalino -> Disposição geométrica regular das moléculas.

Corpo cristalizado é anisotrópico, propriedades variam segundo adireção em que são medidas.

Estado amorfo -> Disposição irregular das moléculas.

Obs.: Líquido pode ser obtido a partir de um sólido, pela diminuição dasforças de atração ou de coesão.

Obs.: Gás é obtido pela supressão das forças atração ou de coesão.

ESTRUTURA ATÔMICAEstados da matéria


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Sólidos –

ESTRUTURA ATÔMICAEstados da matéria


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Mistura homogênea - apresenta apenas uma fase = SOLUÇÃOExemplos: água salgada, gasolina, ar, etc.

Apresenta-se em qualquer dos três estados, sólida, líquida ou gasosa.

Os componentes de uma solução podem ser separados por processosfísicos, sem o uso de reações químicas.

Misturas homogêneas e heterogêneas:

Misturas


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Distinção entre solução e substância pura: pela medida da temperaturanas mudanças de estado.

Substância pura = água = ferve a temperatura constante.

Pto. de ebulição de solução varia c/ concentração dos componentes:

Exemplo: água salgada, quanto maior for a % de sal dissolvido, maiorserá o ponto de ebulição.

Mistura de líquidos apresenta diferentes temperaturas de ebulição, umap/ cada líquido. Pode-se separa-los pela destilação.Exemplo: Petróleo.

Misturas homogêneas e heterogêneas:Misturas

ESTRUTURA ATÔMICA


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Universidade Federal do ParanáSoluções e misturas:

Misturas


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Átomos

Moléculas

Substâncias

Solução Mistura

MatériaSólidoLíquidoGás

Dos átomos a matéria:Lembrando...

ESTRUTURA ATÔMICA



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Podem ser físicas ou químicas.

Transformações físicas não alteram a identidade das substâncias.

Exemplos:

Chumbo fundido (derretido) continua sendo chumbo.

Água gelada, gelo, continua sendo água, agora no estado sólido.

Um pedaço de ferro pode ser retorcido e continua sendo ferro.

As transformações da matéria:

Transformações


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Transformações químicas:

São mais significativas do que as transformações físicas.

Substâncias são destruídas e novas são formadas.

Exemplo de transformação ou reação química:

Ferro exposto à água:

Ferro reage com o oxigênio e a água aparecendo a ferrugem.

A ferrugem é uma substância nova = o óxido de ferro

Reagentes = substâncias iniciais (ferro, oxigênio e água)

Produtos = novas substâncias formadas (óxido de ferro)

ESTRUTURA ATÔMICATransformações


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Primeira lei - A.L. Lavoisier, em 1774

Lei da conservação da massa:

A soma das massas dos produtos é igual a soma das massas dosreagentes.

Não há destruição, nem criação de matéria, apenas transformação.

Exemplo:

Queima de papel - decompõe em gases e cinzas.A massa do papel é igual à massa das cinzas e dos gases produzidosna decomposição (queima).

Leis das transformações químicas:



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Segunda:

Lei das proporções definidas:

A composição de um composto é fixa em massa.

Exemplo:

Cloreto de sódio- 39,44% da massa total é sódio e 60,66% é cloro.

Água- 11,19% de hidrogênio e 88,91% de oxigênio.

Leis das transformações químicas:



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Termo bastante usado e de difícil definição.

Energia é a habilidade ou capacidade de produzir trabalho(transformação).

Formas: mecânica, elétrica, calor, nuclear, química e radiante.

Trabalho mecânico é realizado quando um objeto é movimentado contrauma força de oposição.

Exemplo:

Ao levantarmos um objeto, realizamos trabalho sobre o objeto, porque odeslocamos contra a força de oposição da gravidade.

Energia



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É a energia que um corpo possui devido a seu movimento ou posição.

Energia cinética: (Ek) - É a energia de movimento.Depende da massa do corpo (m) e de sua velocidade (v).

T = Ek = ½ mv2

Energia potencial: (Ep)Depende da posição do objeto, e não do seu movimento.Corpo ganha energia potencial quando é levantado contra a força dagravidade.

V = Ep = W. h

Energia mecânica




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Energia pode ser transformada de uma forma para outra forma, não podeser destruída e nem criada.

ESTRUTURA ATÔMICA

Energia mecânica

TransformaçõesProf. Marcelo Medeiros

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Calor - energia transferida de um corpo mais quente para um mais frio.

Temperatura - medida da energia cinética média das partículas de umcorpo.

Quando o calor é transferido para um corpo: a energia cinética médiade suas partículas aumenta, estas movem-se mais rápido e atemperatura aumenta.

Calor e temperatura:



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Calor - energia transferida de um corpo mais quente para um mais frio.

Temperatura - medida da energia cinética média das partículas de umcorpo.

Quando o calor é transferido p/ um corpo: a energia cinética média desuas partículas aumenta, estas movem-se mais rápido e a temperaturaaumenta.

Obs.: Algumas vezes a transferência de calor para um corpo nãoaumenta a sua temperatura.

Exemplo:Adição de calor ao gelo a 0ºC, não causa aumento de temperatura.O gelo forma água líquida a 0ºC. A energia na água líquida é maior doque a do gelo, a 0ºC.

Calor e temperatura:

ESTRUTURA ATÔMICATransformações Estrutura Atômica

ESTRUTURA ATÔMICA

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.

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

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.


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O núcleo é composto por: prótons positivos e nêutrons.Estas últimos equilibram as forças de repulsão dos prótons.

TABELA PERIÓDICA

Átomo

Átomo

ESTRUTURA ATÔMICA



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Constantes do núcleo:

Número de prótons ZDetermina o número atômico, 1 (hidrogênio) a 92 (urânio),Indica igualmente a carga e o número de elétrons.

Número de massa AIndica a soma de partículas prótons + nêutrons = massa atômica.

Cada elemento tem um número atômico específico.

Átomo

ESTRUTURA ATÔMICA

Átomo

Átomo

ESTRUTURA ATÔMICA

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.

Número atômico: indica o número de prótons (ou elétrons) em cada átomo.

Número atômico Z

Massa atômica A

Núcleo de urânio composto de 238 partículas, das quais: 92 prótons e (238 - 92) = 146 nêutrons

Átomo


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Classificação Periódica dos ElementosÁtomo

ESTRUTURA ATÔMICA


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Universidade Federal do ParanáÁtomo

ESTRUTURA ATÔMICA

Camadas ou níveis quânticos onde os elétrons se distribuem

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


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ESTRUTURA ATÔMICA

O fato de os elétrons estarem em um mesmo nível quântico, a rigor não significa dizer que eles estão em um mesmo nível energético; trata-se de uma simplificação. Na verdade, há que se detalharem as posições energéticas dos elétrons dentro de um nível, o que é possível por meio de uma estrutura hierarquizada em termos de subníveis.

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



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ESTRUTURA ATÔMICA

Diagrama de Linus Pauling

Distribuição dos elétrons nos níveis e subníveis quânticos:

Estrutura eletrônica do NaNotação eletrônica: 1s2 2s2 2p6 3s1


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ESTRUTURA ATÔMICA


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Em muitas substâncias, os átomos são agrupados em agregadosde dois átomos ou mais.

Tal agregado de átomos é chamado de molécula.

Em uma molécula, os átomos componentes permanecem unidospor forças chamadas ligações químicas.

Molécula = composto de partículas de 2 ou mais átomosquimicamente ligados um ao outro.

Obs.: Gases, as moléculas estão afastadas.

Moléculas

ESTRUTURA ATÔMICA

H2ONaCl


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• Átomos com a camada periférica completa: gasesraros ou inertes

• São muito estáveis.

• Estabilidade permanente - átomo contenha 8elétrons na última camada (2 no caso do hélio).

Ligações atômicas


ESTRUTURA ATÔMICA

• As propriedades químicas dos átomos são função daúltima camada de elétrons.


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• Maioria das substâncias é composta por diversoselementos formando um composto químico estável.

• O tipo de ligação química entre os elementos édeterminado pelos elétrons do nível de valência, quedefinem a afinidade química dos elementos.

ESTRUTURA ATÔMICA

Ligações atômicasProf. Marcelo Medeiros

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• Metais são elementos eletropositivos � Liberamfacilmente os elétrons da camada periférica.

• Metalóides são eletronegativos � Têm tendência acompletar a sua última camada periférica.

• O número de elétrons cedido pelos metais = númeroabsorvido pelos metalóides, define o número de ligaçõesou valências.

• Mono, bi, tri, valentes = 1, 2, 3, ... valências.

ESTRUTURA ATÔMICA




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• As ligações entre os átomos, podem ocorrer por:

�Abandono de elétrons, de um átomo em benefício deoutro (metal para metalóide).

�Utilização em comum de elétrons periféricos paracompletar a última camada (metalóide para metalóide);ligação por covalência, estável e frequente nos materiaisplásticos.

ESTRUTURA ATÔMICA

Ligações atômicasProf. Marcelo Medeiros

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• A valência do átomo está relacionada com a habilidade do átomopara entrar em combinação química com outros elementos,sendo frequentemente determinada pelo número de elétrons nacamada mais externa (chamada de camada de valência)

• Em geral, os átomos tendem a buscar um arranjo altamenteestável (8 elétrons na camada de valência).

• Átomos de baixa valência (=> 3) --> perde elétrons

• Átomos de valência 5 a 7 --> receber elétrons

• Átomos de valência 4 --> compartilham elétrons

VALÊNCIA DO ÁTOMO

ESTRUTURA ATÔMICA

Valência

Valência

ESTRUTURA ATÔMICA

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.

VALÊNCIA DO ÁTOMO


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• Átomos ligam entre si por valência/covalência.

Ligação de valência: Ligação entre dois átomos é conseguidaatravés da sobreposição de dois orbitrais atômicossemipreenchidos. Sobreposição refere-se a uma porçãodestas orbitais atômicas que ocupam o mesmo espaço.

LIGAÇÃO ENTRE AS MOLÉCULASValência

ESTRUTURA ATÔMICA

• São influenciadas pela temperatura, pressão, camposelétricos ou magnéticos, esforços mecânicos, etc.

• O estado físico que os materiais se apresentam, éconsequência das forças de atração entre os átomos eas moléculas que o constituem.


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Ligações primárias (fortes):

• Ligação iônica;

• Ligação covalente;

• Ligação metálica.

Ligações secundárias – forças de van der Walls:

• Moléculas polares;

• Dipolos induzidos;

• Pontes de hidrogênio.

LIGAÇÕES ATÔMICASLigações atômicas


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ESTRUTURA ATÔMICA

LIGAÇÕES ATÔMICAS



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• É a mais simples. Se explica pelo aparecimento de forçascoulombianas (recebendo e doando elétrons).

• Ocorre uma atração entre íons de carga elétrica contrária(íons positivos- cátions e íons negativos-ânions), motivadapelas forças coulombianas.

• A atração dá-se em todas as direções.

IÔNICA



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44

IÔNICA Busca pelo arranjo estável (8 elétrons)


ESTRUTURA ATÔMICA


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45



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IÔNICA

Quando um átomo forte (grande eletronegatividade) se liga a umátomo fraco (baixa eletronegatividade), há transferênciadefinitiva de elétrons do + fraco para o + forte.


ESTRUTURA ATÔMICA


ESTRUTURA ATÔMICA

Eletronegatividade ou caráter ametálico: propriedade periódica que mede a tendência de um átomo em ganhar elétrons.

Variação da eletronegatividade na tabela periódica

Obs.: 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 -


ESTRUTURA ATÔMICA

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° -

Exemplo: os íons de sódio ficam envolvidos por íons de cloro; estes, por sua vez, ficam envolvidos por íons de sódio, com atração igual em todas as direções.

• 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.



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ESTRUTURA ATÔMICA


• 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, isto é, apresentam-se pouco dúcteis, com baixas deformações até a ruptura.

Perturbação no balanço elétrico que mantém os átomos fortemente

ligados


ESTRUTURA ATÔMICA


Exemplo na engenharia:

Carbonato de cálcio: CaCO3

Carbonato de cálcio


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52

• A ligação dá-se por meio de uma aproximação muitointensa entre dois elementos químicos que vão se ligar, demaneira que alguns elétrons da última camada de valênciade um dos átomos circundam o núcleo do outro átomo evice-versa.

Os elementos não perdem nem ganham elétrons, mas sim oscompartilham (“pertencem” a eletrosfera dos dois átomosligados, ao mesmo tempo).

Composto covalente:Substância composta cujos componentes não apresentam cargaelétrica e interagem entre si direcionalmente.

COVALENTE


ESTRUTURA ATÔMICA


ESTRUTURA ATÔMICA

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.

COVALENTE


ESTRUTURA ATÔMICA

Formação dos compostos covalentes:

Molécula de oxigênio, O2

Molécula de metano, CH4

Por isso, os compostos covalentes são substância cujos componentes não apresentam carga elétrica e interagem entre si direcionalmente.

COVALENTE



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55

• A força de ligação covalente é evidenciada no diamante,constituído inteiramente por carbono.

COVALENTE



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• O carbono tem 4 elétrons na camada de valência,compartilhando-os com 4 átomos de carbono adjacentes,formando um reticulado tridimensional todo ligado por parescovalentes;

• Desta forma, cada átomo de carbono está ligadocovalentemente a outros quatro átomos de carbono, originandouma estrutura rígida a três dimensões.

COVALENTE


ESTRUTURA ATÔMICA


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• O grafite, como o diamante, é constituído por estruturas cristalinas de

átomos de carbono, apenas diferindo no formato de estrutura que se

apresentam. No grafite os átomos de carbono ligam-se a outros três,

formando camadas (daí a potencialidade deste material para deslizar).

COVALENTE


ESTRUTURA ATÔMICA


ESTRUTURA ATÔMICA

Propriedades físicas dos compostos covalentes:

• A ligação covalente é fortemente direcional;• Embora as ligações covalentes sejam muito fortes (para romper ligações

covalentes: altas temperatura e altas voltagens), materiais ligados dessa maneira são, em geral, pouco dúcteis;

Isso ocorre porque não se consegue facilmente alterar a posição relativa entre os átomos (o que propicia ductilidade ao material).

• Apresentam, em geral, baixa condutividade elétrica.

Isso ocorre porque não se consegue promover o transporte de carga elétrica via movimento de elétrons sem a ruptura das ligações covalentes (o que propicia condutividade elétrica).


ESTRUTURA ATÔMICA

Propriedades físicas dos compostos covalentes:


Vidros: se estilhaçam;Polímeros: não são bons condutores elétricos;Aditivos: cadeias lineares que aderem à superfície das partículas de cimento.

COVALENTE


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60










ESTRUTURA ATÔMICA



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METÁLICA



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• Átomos com poucos elétrons de valência podemperdê-los com facilidade � formação de uma “nuvem”de elétrons ao redor dos átomos.

• Os demais são firmemente ligados ao núcleo.

• Com a perda dos elétrons da última camada devalência, os átomos metálicos remanescentes tornam-se íons positivos.

• Com a saída dos elétrons da última camada, há umdesbalanceamento elétrico, tendo o núcleo uma maiorquantidade de cargas positivas do que a eletrosfera denegativas.

METÁLICA


ESTRUTURA ATÔMICA


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63

Os elétrons de valência passam então a não estar maisassociados com algum átomo em particular; ao contrário,move-se livremente dentro da nuvem eletrônica, estandoassociado com vários núcleos de átomos.

Dessa forma, o núcleo dos átomos carregadospositivamente permanecem juntos formando uma rede deátomos, pela atração mútua que existe entre esses núcleos(positivos) e a nuvem eletrônica (negativa).

METÁLICA



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64

METÁLICA


ESTRUTURA ATÔMICA


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Estruturas formadas por íons positivos e elétrons “livres”que fazem o papel de íons negativos aparecendo forçaselétricas coulombianas de atração.

A ligação metálica pode ser considerada como uma atraçãoentre íons positivos e elétrons livres.

Exemplo : cobre

METÁLICA


ESTRUTURA ATÔMICA


ESTRUTURA ATÔMICA

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, ao invés de haver quebra ou ruptura da ligação;


Aço para concreto armado: estricção antes da ruptura



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ESTRUTURA ATÔMICA

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.


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%.


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68










ESTRUTURA ATÔMICA


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• É uma ligação secundária fraca, mas que também contribuipara a atração interatômica.

• São forças de atração que não envolvem cargas individuaisou transferência de elétrons.

• O centro de carga positiva não coincide com o centro decarga negativa, originando o dipolo.

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Moléculas polares:

FORÇAS DE VAN DER WAALSLigações atômicas

ESTRUTURA ATÔMICA

+ - + -


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• Dipolos elétricos: consequência da assimetria da molécula.

• Existem entre todos os íons e átomos de um sólido, maspodem estar obscurecidas pelas ligações fortes presentes.

70

Moléculas polares:


ESTRUTURA ATÔMICA

+ - + -


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(a) nas moléculas assimétricas ocorre um desbalanceamento elétricodenominado polarização.(b) Este desbalanceamento produz um dipolo elétrico com umaextremidade positiva e outra negativa.(c) Os dipolos resultantes originam forças de atração secundárias entreas moléculas. A extremidade positiva de um dipolo é atraída pelanegativa de outro.

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Ácido fluorídrico


ESTRUTURA ATÔMICA

FORÇAS DE VAN DER WAALS


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72










ESTRUTURA ATÔMICA



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73

Dipolos induzidos:

-Moléculas inicialmente simétricas, que, por alguma razão,sofrem uma polarização momentânea;

-Mesmo mecanismo descrito para moléculas polares;

Decorrente do movimento ao acaso dos elétrons e da vibração atômica (são os chamados: efeitos

de dispersão).


ESTRUTURA ATÔMICA



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74










ESTRUTURA ATÔMICA


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Pontes de hidrogênio:

É um caso particular de atração por moléculas polares, emque a carga positiva do núcleo do átomo de hidrogênio deuma molécula é atraída pelos elétrons de valência deátomos de moléculas adjacentes.

Exemplo: água

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Atração entre o núcleo “exposto” de hidrogênio de uma molécula pelos

elétrons não compartilhados do oxigênio da molécula

adjacente.


ESTRUTURA ATÔMICA


ESTRUTURA ATÔMICA

Forças de Van der Waals:

Pontes de hidrogênio:

É a mais forte dentre as ligações secundárias.

Tem efeito no comportamento da água: tensão superficial, viscosidade e fenômenos de sorção, em geral.

fenômenos decorrentes da interação de substâncias no interior ou na superfície de outras


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77


ESTRUTURA ATÔMICA




ESTRUTURA ATÔMICA


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 -



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ESTRUTURA ATÔMICA



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.


ESTRUTURA ATÔMICA



Aplicação de CAA: elimina a etapa de vibração/adensamento

Facilita o lançamento em elementos densamente armados


ESTRUTURA ATÔMICA



Liberdade em formas complexas com o CAASagrada Família, Barcelona-Espanha: vista interior


ESTRUTURA ATÔMICA



Liberdade em formas complexas com o CAAFira, Barcelona-Espanha: vista interior


ESTRUTURA ATÔMICA

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 (capacidadede deformação, no regime elástico).


ESTRUTURA ATÔMICA

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, ou emconjunto 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.



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Disciplina:TC 030 MATERIAIS DE CONSTRUÇÃO I

Química e propriedades da água


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• Os arranjos das estruturas moleculares, que formam a microestruturada matéria, são diferentes a cada fase ou estado.

• Sólidos = as moléculas estão muito próximas, mantêm-se no lugarpelas forças de atração e coesão.

• Pode-se obter um líquido a partir de um sólido, pela diminuição dasforças de atração ou de coesão.

• Um gás é obtido pela supressão da quase totalidade das forças deatração ou de coesão.

2MICROESTRUTURA DA MATÉRIA - ARRANJOS ATÔMICOS:

Introdução

ARRANJOS ATÔMICOS

Introdução

ARRANJOS ATÔMICOS

Estrutura molecular:

As moléculas se atraem por forças de coesão polares, devidas à distribuição

desigual das cargas positivas e negativas na molécula (dipolos elétricos).

As forças de coesão determinam as propriedades físicas e químicas dos

materiais, sendo influenciadas pela temperatura, pressão, campos elétricos

ou magnéticos, esforços mecânicos, etc.

Logo, o estado físico que os materiais se apresentam é consequência das

forças de atração entre os átomos e as moléculas que o constituem.

Nos materiais sólidos, os arranjos atômicos irão definir comportamentos

importantes, podendo ser: estrutura cristalina ou amorfa.


4



4

Introdução

ARRANJOS ATÔMICOS


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Material

Cristalino

Não-cristalino ou amorfo

Microestrutura

ARRANJOS ATÔMICOSProf. Marcelo Medeiros

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Cristalinos:Arranjo dos átomos se repete ou que é periódico aolongo de grandes distâncias.

Ex: metais; materiais cerâmicos

Não cristalino ou Amorfo:Disposição irregular das moléculas, sem forma simétrica.

Ex: Vidro; materiais cerâmicos; cinza de casca de arroz;sílica ativa; escória de alto forno

ARRANJOS ATÔMICOS

Microestrutura



2

Arranjo atômico dos sólidos:

Estrutura cristalina Estrutura amorfa

ARRANJOS ATÔMICOS

Microestrutura Estrutura cristalina

ARRANJOS ATÔMICOS

Sólidos com estrutura cristalina apresentam disposição geométrica regular

dos átomos. Ex.: metais, materiais cerâmicos.

Corpo cristalizado é anisotrópico.

Anisotropia: variação de propriedades físicas de um cristal

segundo a direção em que se determina.

Em determinadas direções formam-se faces, noutras arestas e noutras vértices.

Estrutura cristalina

ARRANJOS ATÔMICOS

Mica: planos de clivagem Calcita: planos de

clivagem

Halita: planos de clivagem

Exemplo: um cristal de mica ou gesso pode separar-se em porções paralelas entre si e segundo um só plano. Esta propriedade que se designa clivagemrevela que as forças de coesão do plano que se separam são muito fortes, enquanto as perpendiculares às mesmas são fracas.A clivagem é característica da estrutura cristalina e pode ser utilizada para a identificação de um mineral.

Quando o valor de propriedade física é igual em todas as direções, o cristal é

isotrópico para essa propriedade.


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Sal de cozinha, esferas verdes são os átomos de

cloro (Cl-) e as esferas cinzas os átomos de sódio (Na+)

Cristais de produtos de cimento Portland hidratado


ARRANJOS ATÔMICOS


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• Todos os cristais têm reticulado cristalino, que obedece a umadas 14 formas geométricas possíveis.

• Cada grupo espacial tem uma capacidade maior ou menor deadaptar-se às solicitações externas a que seja submetido.

• A visualização e a identificação do reticulado cristalino é possívelatravés de microscopia eletrônica.

MEV – Microscópio Eletrônico de Varredura

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ARRANJOS ATÔMICOS


ARRANJOS ATÔMICOS

Ca(OH)2



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ARRANJOS ATÔMICOS

Aço

Quartzo: areia


ARRANJOS ATÔMICOS

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


ARRANJOS ATÔMICOS

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)


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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 liga zinco-níquel (direita).


ARRANJOS ATÔMICOS


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Cristais de zinco oxidado são visíveis na superfície de

um poste de aço galvanizado. Variações nas tonalidades de cinza são decorrentes das diferentes orientações dos cristais.



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O arranjo cristalino é a forma de organização da matériade mínima energia.

Estado cristalino é o mais estável para o qual todoprocesso de transformação tende.


ARRANJOS ATÔMICOS



4


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Polimorfismo:

Alguns metais ou não-metais podem ter mais do que umaestrutura cristalina.

Exemplo: Carbono

• Grafita – condições ambientes• Diamante – em condições extremamente elevadas depressão e temperatura

Grafita Diamante



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Polimorfismo:

Exemplo: Carbono

• Grafita – condições ambientes• Diamante – em condições extremamente elevadas depressão e temperatura


ARRANJOS ATÔMICOS


ARRANJOS ATÔMICOS

Polimorfismo:

O processo Caleramimetiza as formações

geológicas de carbonato

de cálcio encontradas na

natureza, sendo aplicado

como cimento.

Informações:

http://www.calera.com/


ARRANJOS ATÔMICOS

Polimorfismo:

O CaCO3, carbonato de cálcio,

apresenta três polimorfos:

• Calcita

• Aragonita

• Vaterita

Calcita

Aragonita


ARRANJOS ATÔMICOS

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.


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Não apresentam ordem estrutural em um estado normal.

É possível alguns materiais poder mudar de estruturacristalina para amorfa e vice-versa?

Sólidos amorfos (ou vítrea):

Sólidos amorfo

ARRANJOS ATÔMICOS



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Estrutura amorfa

ARRANJOS ATÔMICOS

Erupções vulcânicas produzem

condições ideais para a formação de

cinzas com estrutura amorfa

Os sólidos com estrutura amorfa são obtidos pelo resfriamento rápido, não

dando tempo para que a ordenação dos cristais e a formação da estrutura

cristalina ocorra.

Nos materiais amorfos, reduz-se a capacidade de mobilidade das moléculas

durante a solidificação rápida, de modo que estas moléculas não têm

tempo de se arranjarem em estruturas cristalinas.

Adições minerais de origem vulcânica:

resultante das erupções


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Vidro comumPolicarbonato

Materiais amorfos podem existir em estados "borrachosos" e estados "vítreos".

Sólidos amorfo

ARRANJOS ATÔMICOS


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Basalto

Sílica ativa ou microssílica (adição p/ obter Concreto de

Alto Desempenho - CAD)

Sólidos amorfo

ARRANJOS ATÔMICOS

Estrutura amorfa

ARRANJOS ATÔMICOS

Estrutura cristalina Estrutura amorfa

A estrutura cristalina é a forma de organização da matéria de mínima

energia, sendo o arranjo molecular mais estável, para o qual todo processo

de transformação tende.

• Estrutura cristalina → material estável

• Estrutura amorfa → material rea=vo

Adições minerais para

concreto

Sílica ativa: elevada

reatividade

1, 2, 3 TESTANDO…

TC 030 MATERIAIS DE CONSTRUÇÃO I


1) Porque as partículas de cimento sofrem aglomeração?

2) Porque os metais são bons condutores de eletricidade?

3) Os primeiros concretos produzidos e aplicados em estruturas, segundo

registros históricos, utilizaram cinzas vulcânicas como material ligante.

Porque estas cinzas apresentam elevada reatividade, justificando seu uso

como materiais cimentantes?


OBRIGADA PELA ATENÇÃO!

TC 030 MATERIAIS DE CONSTRUÇÃO I


CASCUDO, O. Estrutura atômica e molecular dos materiais. Materiais de

construção e princípios de ciência e engenharia de materiais, capítulo 6, editado

por G. Isaia. São Paulo: IBRACON, 2010.


grupo de materiais de construção departamento de construção …§ões_química... ·...

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