materiais e suas propriedades

BC1105 – MATERIAIS E SUAS PROPRIEDADES

CENTRO DE ENGENHARIA, MODELAGEM E CIÊNCIAS SOCIAIS APLICADASB

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BC 1105 – MATERIAIS E SUAS PROPRIEDADES

UNIVERSIDADE FEDERAL DO ABC

CENTRO DE ENGENHARIA, MODELAGEM E CIÊNCIAS SOCIAIS APLICADAS

Prof. Dr. Renata Ayres Rocha

Classificação dos materiais em função das ligações químicas



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PolímerosMetais

Cerâmicas

TIPOS DE MATERIAIS



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• Dúctil

• Alta densidade

• Elevada dureza

• Condutividade térmica e elétrica

• Temperatura de fusão relativamente elevada

Ligações metálicas

TIPOS DE MATERIAISMateriais metálicos



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• Baixa densidade

• Isolantes térmicos e elétricos

• Temperatura de fusão relativamente baixa

• Resistência mecânica relativamente baixa

Ligações covalentes(primárias e secundárias)

TIPOS DE MATERIAISMateriais poliméricos



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• Frágil

• Elevada dureza

• Boa refratariedade

• Isolantes térmicos e elétricos

TIPOS DE MATERIAISMateriais cerâmicos

Ligações iônicas e/ou covalentes



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Os elementos químicos são classificados de acordo com a sua configuração eletrônica

ELEMENTOS QUÍMICOS - TABELA PERIÓDICA



Cada elétron em um átomo é caracterizado por quatro parâmetros → os números quânticos.

Não existem dois elétrons com os mesmos números quânticos

NÚMEROS QUÂNTICOS E CONFIGURAÇÃO ELETRÔNICA



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▸ Número Quântico Principal (n)

Subníveis em cada camada (número quântico secundário)

Ocupação dos elétrons

K (n=1)

L (n=2)

M (n=3)

N (n=4)

O (n=5)

P (n =6)

Q (n=7)




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Representação esquemática das energias

relativas para várias camadas e subcamadas




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▸ Número Quântico Orbital ou Secundário ( l )

Orbital s (número quântico secundário = 0)

Orbital p (número quântico secundário = 1)

Orbital d (número quântico secundário = 2)




ELEMENTOS QUÍMICOS - TABELA PERIÓDICA



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0

-1 +10

-2 0-1 +1 +2

-1-2 0 +1 +2 +3

Subnível s

Subnível p

Subnível d

Subnível f-3

▸ Número Quântico Orbital magnético ( ml )




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+1/2 ou -1/2

▸ Número Quântico de Spin (ms)




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Configuração Eletrônica do Átomo de Sódio




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Elétrons de ValênciaSão aqueles que ocupam a

camada eletrônica mais externa.

Configurações Eletrônicas EstáveisAs camadas eletrônicas

mais externas estão completamente preenchidas.

Elétron de valência do sódio




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Os elementos se ligam para formar os sólidos para atingir uma configuração mais estável: oito elétrons na camada mais externa.

A ligação química é formada pela interação dos elétrons de valência através de um dos seguintes mecanismos:

- Ganho de elétrons - Perda de elétrons - Compartilhamento de elétrons

LIGAÇÕES QUÍMICAS EM MATERIAIS SÓLIDOS



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Quais as ligações químicas primárias (entre os átomos) ?

– Iônica: forte e não direcional (grande diferença de eletronegatividade). Os íons se comportam como esferas.

– Metálica: fraca e não direcional (nenhuma diferença de eletronegatividade e elétrons não localizados). Os átomos se comportam como esferas.

– Covalente: muito forte e direcional ( pequena ou nenhumadiferença de eletronegatividade e elétrons localizados). A direção de ligação é dada pela direção dos orbitais.

LIGAÇÕES QUÍMICAS EM MATERIAIS SÓLIDOS



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METAIS – LIGAÇÕES METÁLICASMetais na tabela periódica



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Átomos dos metais possuem de um a três elétrons de valência.

A ligação resultante é não-direcional.

Os elétrons de valência passam a se comportar como elétrons “livres” :

Apresentam a mesma probabilidade de se associar a um grande número de átomos vizinhos.

Formam uma “nuvem eletrônica” .

METAIS – LIGAÇÕES METÁLICAS



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Ilustração esquemática da ligação metálica

METAIS – LIGAÇÕES METÁLICAS



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POLÍMEROS – LIGAÇÕES COVALENTESPolímeros na tabela periódica



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▸ Envolve o compartilhamento dos elétrons de valência de átomos adjacentes.

▸ A ligação resultante é altamente direcional.▸ Menor diferença de eletronegatividade entre os elementos do

que o observado em ligações iônicas.

O = 3,5Si = 1,8DE = 1,7

Caráter iônico-covalente

Representação esquemática da ligação covalente na sílica (SiO2 )

Ligações Primárias - Ligação Covalente

POLÍMEROS e CERÂMICAS – LIGAÇÕES COVALENTES



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Representação esquemática da ligação covalente na molécula

de metano ( CH4 )

C = 2,5H = 2,1DE = 0,4

Forte carátercovalente





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Modelo do Orbital Molecular → uma ligação é formada pela interpenetração de um orbital semi-cheio do átomo A com um orbital semi-cheio do átomo B.





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Ocorrem atrações entre dipolos gerados pela assimetria de cargas.

O mecanismo dessas ligações é similar ao das ligações iônicas, porém não existem elétrons transferidos.

Ligações Secundárias ou de Van der Waals

POLÍMEROS – LIGAÇÕES QUÍMICAS



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Ligações de Van der Waals no PVC(entre duas moléculas distintas)


As ligações dipolares podem ser entre:

dipolos permanentes.dipolos permanentes e induzidos.dipolos induzidos flutuantes.




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Dipolos Induzidos Flutuantes

Dipolo MolecularPermanente





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▸ É um caso especial de ligação entre moléculas polares.▸ É o tipo de ligação secundária mais forte.▸ Ocorre entre moléculas em que o H está ligado covalentemente

ao flúor (como no HF), ao oxigênio (como na água) ou ao nitrogênio (por exemplo, NH3).


Ligações do hidrogênio




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Ligação de hidrogênio na molécula da água

Ligação de hidrogênio no HF

Ligações Secundárias ou de Van der Waals Ligações do hidrogênioPOLÍMEROS – LIGAÇÕES QUÍMICAS



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(a) Dipolo permanente da molécula de água;

(b) Ligação de hidrogênio entre moléculas de água (atração entre dipolos permanentes).

Ligações do hidrogênioPOLÍMEROS – LIGAÇÕES QUÍMICAS



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CERÂMICAS – LIGAÇÕES COVALENTES E LIGAÇÕES IÔNICASCerâmicas na tabela periódica



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Envolve a transferência de elétrons de um átomo para outro.A ligação é não-direcional.Grande diferença de eletronegatividade entre os elementos:

Na = 0,9 ; Cl = 3,0A ligação iônica resulta da atração eletrostática entre dois íons de

cargas opostas.

CERÂMICAS – LIGAÇÕES IÔNICAS



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Exemplo: Cloreto de sódio → tanto o cátion Na+ quanto o ânion Cl - ficam

com seus orbitais externos completos.

Ligações Primárias - Ligação Iônica




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• Forças de atração Coulombianas (variam com o quadrado do inverso da distância interatômica).

Ligações Primárias - Ligação Iônica




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• Eletronegatividade → “poder que um átomo tem de atrair elétrons para si”

Maior “facilidade” emceder elétrons

= CÁTIONS

Maior facilidade emganhar elétrons

= ÂNIONS

Inertes – Gases Nobres

ELETRONEGATIVIDADE



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Escala de Eletronegatividade de Pauling

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ELETRONEGATIVIDADEPolaridade das ligações químicas

Relacionada com a diferença de eletronegatividade:

∆E > 1,7 – ligação iônica

∆E < 1,7 – ligação covalente polar

∆E = O – ligação covalente apolar

Fração de caráter iônico

% caráter iônico = (1 – e0,25(XA – XB)2) x 100%

XA e XB correspondem aos valores de eletronegatividade dos elementos envolvidos nas ligações

materiais e suas propriedades

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