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Materiais e suas Propriedades Aula 2 Estrutura Atômica Ligações químicas Centro de Engenharia Modelagem e Ciências Sociais Aplicadas Profa Dra Christiane Ribeiro Por onde começar O Átomo As ligações entre os átomos e como estes se unem Como as ligações atômicas interferem nas propriedades dos materiais Materiais e suas Propriedades A Teoria Atômica isto é de que a matéria é composta de partículas muito pequenas e indivisíveis e em constante movimento foi proposta pelos filósofos gregos Leucipo de Mileto 440 aC e Demócrito 460 aC 370 aC Materiais e suas Propriedades Aristóteles acreditava que todas as substâncias eram feitas a partir dos quatro elementos terra fogo ar e água e não por átomos Concepções como a de Aristóteles dominaram a Ciência por muitos anos até a Idade Média Materiais e suas Propriedades O interesse pela teoria atômica foi recuperado durante o século 18 a partir de trabalhos relacionados à natureza e comportamento dos gases Materiais e suas Propriedades ÁTOMO NÚCLEO ÉLETRONS PRÓTONS NÊUTRONS 1602 X 1019 C 167 X 1027 kg 911 X 1031 kg Materiais e suas Propriedades Número atômico Z Número de prótons do núcleo Para cada átomo eletricamente neutro o número atômico é igual ao número de elétrons Varia de 1 para o hidrogênio até 92 para o urânio Massa atômica A Massa dos prótons Z massa dos nêutrons N O número de prótons é sempre o mesmo para um dado elemento mas o número de nêutrons N pode variar ISÓTOPOS Cada elemento é caracterizado por Materiais e suas Propriedades Símbolos Um átomo específico é identificado pelo símbolo do elemento com número atômico Z como um índice inferior e o número de massa com um índice superior Assim Indica um átomo do elemento X com o número atômico Z e número de massa A Por exemplo Referese ao átomo de oxigênio com número atômico 8 e número de massa 16 A X Z 16O 8 Materiais e suas Propriedades Unidade de massa atômica uma por átomo 112 da massa atômica do isótopo mais comum do carbono Carbono 12 12C 112 do 12C 1 u m a Átomo do C12 Indica quantas vezes um elemento qualquer pesa mais que 112 do C 12 por exemplo a massa atômica do Hélio 4 u m a significa que o Hélio tem 4 vezes a massa de 112 do C 12 Materiais e suas Propriedades Massa por mol de material gmol Lembrando que em 1 mol de substância existem 6023 x 1023 número de Avogadro átomos ou moléculas 1 uma átomo 1 gmol Peso atômico Média ponderada das massas atômicas dos isótopos do átomo que ocorrem naturalmente Materiais e suas Propriedades Exemplo seja um elemento E composição isotópica 30E 40 32E 50 34E 10 Peso atômico de E 30x40 32x50 34x10 100 314 u Massa atômica Materiais e suas Propriedades Massa Molecular ou Peso Molecular é a soma das massas de todos os elementos que constituem uma espécie química Exemplo Massa Molecular da água H2O H 1 x 2 O 16 x1 H2O 1 x 2 16 x 1 18 u m a Materiais e suas Propriedades O modelo do átomo de Borh Estrutura atômica do Sódio número atômico 11 mostrando os elétrons nas camadas quânticas K L e M Materiais e suas Propriedades Posição de cada elétron em particular é mais ou menos bem definida em termos do seu orbital Energias dos elétrons são quantizadas mudança de orbital é possível com absorção maior energia ou emissão menor energia de energia Estados adjacentes são separados por energias finitas O modelo de Bohr apresenta limitações significativas não servindo para explicar vários fenômenos envolvendo os elétrons O modelo do átomo de Borh Materiais e suas Propriedades Modelo MecânicoOndulatório Mecânica quântica Conjunto de princípios e leis que regem os sistemas de entidades atômicas e subatômicas As energias dos elétrons são quantizadas ie os elétrons são separados por energias finitas A energia de um elétron pode mudar O elétron deve realizar um salto quântico SALTO QUÂNTICO PARA UM ESTADO DE ENERGIA PERMITIDO MAIS ELEVADO ABSORÇÃO DE ENERGIA SALTO QUÂNTICO PARA UM ESTADO DE ENERGIA PERMITIDO MAIS BAIXO LIBERAÇÃO DE ENERGIA Materiais e suas Propriedades Modelo MecânicoOndulatório As deficiências do modelo de Bohr foram supridas pelo modelo atômico da Mecânica Quântica Nesse modelo o elétron apresenta características tanto de onda quanto de partícula O elétron não é mais tratado como uma partícula que se movimenta num orbital definido A posição do elétron passa a ser considerada como a probabilidade deste ser encontrado em uma região próxima do núcleo Materiais e suas Propriedades A posição dos elétrons Materiais e suas Propriedades Mecânica ondulatória Orbital Atômico região mais provável de se encontrar um elétron Modelo mecânicoondulatório partículaonda Materiais e suas Propriedades Conceito são funções de onda espaciais monoeletrônicas cuja energia pode ser obtida através de soluções utilizando a equação de Schrödinger 2p A energia e o momento angular dos elétrons são quantizados Os números quânticos usados para descrever o estado de energia de um elétron são a número quântico principal n b número quântico orbital l c número quântico magnético ml d Número quântico spin ms Números Quânticos Materiais e suas Propriedades Números Quânticos O número quântico principal é o n n determina a energia total de um elétron e identifica a camada eletrônica primária no átomo Este número quântico e somente esse está associado ao modelo de Bohr Para n 1 2 3 as camadas eletrônicas são designadas respectivamente como K L M O número quântico secundário ou de momento angular azimutal é l l determina o momento angular do elétron devido ao seu movimento orbital e indica a forma dos orbitais da camada eletrônica no átomo Esse número quântico l varia de 0 até n1 sendo as sub camadas respectivas designadas por s 0 p 1 d 2 f 3 ssharp pprincipal ddiffuse ffundamental Materiais e suas Propriedades O número quântico magnético é ml ml indica o efeito que o campo magnético pode exercer no nível de energia eletrônico de um átomo Fornece informações sobre a orientação de um orbital no espaço Os números quânticos magnéticos para cada l é 2l1 Os valores de ml são dados pelos números inteiros entre l e l Números Quânticos Materiais e suas Propriedades 0 1 1 0 2 0 1 1 2 3 1 2 0 1 2 3 Subnível s Subnível p Subnível d Subnível f Número quântico magnético m O número quântico spin é ms 12 ou 12 ms indica a direção do momento angular intrínseco do elétron momento magnético Números Quânticos Número quântico spin ms Para l 2 são 22 1 5 números quânticos magnéticos Materiais e suas Propriedades Números Quânticos Resumindo Materiais e suas Propriedades Princípio de exclusão de Pauli Este princípio estabelece que dois elétrons não podem ter o mesmo conjunto de números quânticos e não mais que dois elétrons possuem o mesmo nível de energia na ausência de campo magnético A configuração eletrônica dos diferentes níveis de energia é dada por uma notação que indica n l ml ms 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 3d10 4p6 5s2 4d10 EX Materiais e suas Propriedades Configurações eletrônicas e tendem a ocupar o estado de energia mais baixo disponível estágios de energia distintos Materiais e suas Propriedades Configurações eletrônicas A Maioria dos elementos apresenta uma configuração eletrônica não estável Por que Materiais e suas Propriedades EXEMPLO Configuração Eletrônica do Átomo de Sódio Materiais e suas Propriedades Exercício O índio que tem número atômico 49 não contém nenhum elétron em seu nível de energia 4f Baseado nessa informação qual deve ser a valência do índio Materiais e suas Propriedades Solução 1s22s22p63s23p64s23d104s25s4d105p6s4f0 ordenando 1s22s22p63s23p63d104s24p64d104f 05spx6sy 49226261026100 3 Portanto 5s25p1 a valência é 3 6s0 Materiais e suas Propriedades A Tabela Periódica Os elementos químicos são classificados de acordo com a sua configuração eletrônica Materiais e suas Propriedades Propriedades Periódicas Materiais e suas Propriedades Elétrons de Valência Configurações Estáveis Estado fundamental Os elétrons ocupam as menores energias possíveis Elétrons de Valência São aqueles que ocupam a camada eletrônica mais externa Configurações Eletrônicas Estáveis As camadas eletrônicas mais externas estão completamente preenchidas gases nobres Elétron de valência do sódio Materiais e suas Propriedades Excitação luz flash Fluorescência e fosforescência absorção de luz ultravioleta e emissão da luz visível Estado fundamental Estado excitado Emissão estimulada Estado metaestável decaimento A absorção de energia excita o elétron No retorno ao estado fundamental ocorre liberação de energia Fluorescência transição de estado singleto para singleto tempo de emissão 107 a 109s Fosforescência transição de estado tripleto para singleto tempo de emissão 104 a 10 s Materiais e suas Propriedades Ligações primárias Ligação metálica Ligação iônica Ligação covalente Ligações secundárias van der Waals Ponte de hidrogênio Dipolo induzido Dipolo permanente Ligação química Materiais e suas Propriedades Princípios de ligação química desempenho propriedade Processamento síntese estrutura Tetraedro das interrelações Força que mantém diferentes átomos unidos para formar uma molécula ou um sólido Materiais e suas Propriedades A Ligação química Moléculas consistem de dois ou mais átomos unidos por uma força atrativa chamada Ligação Química A distribuição dos elétrons em um átomo é a principal responsável pelas ligações químicas Materiais e suas Propriedades Surface layer of material Surface layer of material As ligações estão presentes no interior dos materiais definindo uma série de propriedades intrínsecas As ligações também estão presentes na superfície dos materiais com uma contribuição diferente definindo o comportamento da interface No caso dos biomateriais podem definir Compatibilidade biológica Materiais e suas Propriedades Algumas propriedades dos elementos incluem Eletronegatividade é a tendência do átomo para ganhar um elétron Átomos de alta eletronegatividade tendem a estar no lado direito da tabela periódica e átomos com baixa eletronegatividade do lado esquerdo Qual é o elemento mais eletronegativo Eletropositividade é a tendência de um átomo para perder elétrons Átomos altamente eletronegativos tendem a reagir se ligar com átomos altamente eletropositivos formando moléculas iônicas ou materiais cerâmicos O compartilhamento dos elétrons provocam ligações atômicas muito fortes Materiais e suas Propriedades Valores maiores tendência a ganhar elétrons Maior facilidade em ceder elétrons CÁTIONS Maior facilidade em ganhar elétrons ÂNIONS Materiais e suas Propriedades Ligação metálica 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 Materiais e suas Propriedades Ligação metálica Quando uma ddp é aplicada a um metal os eletrons na nuvem eletrônica podem se mover facilmente e assim carregar a corrente elétrica Materiais e suas Propriedades Ligação Iônica Envolve a transferência de elétrons de um átomo para outro A ligação é nãodirecional Grande diferença de eletronegatividade entre os elementos Na 09 Cl 30 A ligação iônica resulta da atração eletrostática entre dois íons de cargas opostas Forças de atração Coulombianas variam com o quadrado do inverso da distância interatômica Materiais e suas Propriedades Quando uma ddp é aplicada em um material iônico íons inteiros devem se mover para que ocorra fluxo de corrente O movimento de íons é lento a condutividade elétrica é pobre Materiais e suas Propriedades Ligação Covalente 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 metano Representação esquemática da ligação covalente na sílica SiO2 C 25 H 21 DE 04 Forte caráter covalente O 35 Si 18 DE 17 Caráter iônico covalente Materiais e suas Propriedades Ponte de Hidrogênio 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 Ponte de hidrogênio na molécula da água Ponte de hidrogênio no HF Materiais e suas Propriedades Ligação de van der Waals PVC Ocorrem atrações entre dipolos gerados pela assimetria de cargas O mecanismo dessas ligações é similar ao das ligações iônicas porém não existem elétrons transferidos As ligações dipolares podem ser entre dipolos permanentes dipolos permanentes e induzidos dipolos induzidos flutuantes Materiais e suas Propriedades Dipolos Induzidos Flutuantes Dipolo Molecular Permanente Outras Ligações Secundárias Materiais e suas Propriedades Materiais Segundo o Tipo de Ligação Tetraedro que representa a contribuição relativa dos diferentes tipos de ligação para categorias de Materiais de Engenharia metais cerâmicas e polímeros Materiais e suas Propriedades A distância de ligação entre dois átomos é a distância correspondente ao ponto de mínima energia soma dos dois raios atômicos a Para metais puros todos os átomos têm o mesmo raio atômico b Para sólidos iônicos os raios atômicos são diferentes uma vez que íons adjacentes nunca são idênticos Materiais e suas Propriedades Espaçamento interatômico A distância de equilíbrio entre os átomos é causada pelo balanço entre as forças repulsivas e atrativas que atuam quando dois átomos se aproximam A separação de equilíbrio ocorre quando a energia total do sistema é mínima ou de outra forma quando a força resultante líquida é nula não havendo nem atração e nem repulsão entre os átomos O espaçamento atômico de equilíbrio é aproximadamente igual ao diâmetro atômico ou para materiais iônicos à soma dos dois diferentes raios iônicos Materiais e suas Propriedades Materiais e suas Propriedades Forças de atração e de repulsão em função da distância interatômica r para dois átomos isolados Energia Potencial em função da distância interatômica r para dois átomos isolados FA FR F0 estado de equilíbrio distância r0 Relação Entre Algumas Propriedades e as Curvas de Força e Energia de Ligação Propriedades Mecânicas Em escala atômica a DEFORMAÇÃO ELÁSTICA é manifestada como uma pequena alteração na distância interatômica e na energia da ligação A profundidade do poço de potencial é uma medida da energia de ligação quanto maior for sua profundidade maior será a energia de ligação e portanto também maior será a resistência à deformação elástica RIGIDEZ O MÓDULO DE ELASTICIDADE é uma medida da rigidez de um material Materiais e suas Propriedades Obs o módulo de elasticidade é uma propriedade mecânica que será estudada em detalhe mais à frente no curso O módulo de elasticidade pode ser associado à derivada da curva Fr no ponto r r0 quanto maior for o valor da derivada maior será o módulo de elasticidade O material a apresenta maior rigidez do que o material b r0 r0 Módulo de Elasticidade r0 ponto onde forças de atração e repulsão são iguais Relação Entre Algumas Propriedades e as Curvas de Força e Energia de Ligação Materiais e suas Propriedades Materiais e suas Propriedades Coeficiente de Expansão Térmica Um poço profundo profundo e estreito elevadas energias de ligação está relacionado a um baixo coeficiente de expansão térmica Relação Entre Algumas Propriedades e as Curvas de Força e Energia de Ligação Relação Entre Algumas Propriedades e as Curvas de Força e Energia de Ligação Materiais que apresentam grandes energias de ligação ou seja poços de potencial profundos também apresentam temperaturas de fusão e de ebulição elevadas Pontos de fusão e de ebulição Materiais e suas Propriedades 1 Os elementos químicos A B e C de números atômicos respectivamente 1 9 e 11 combinamse entre si formando os compostos AB CB e BB Indique o tipo de ligação existente em cada caso e justifique 2 Descreva 2 propriedades em função do tipo de ligação química 3 Explique os tipos de ligações predominantes nas diferentes classes de materiais Exemplifique 4 Por que os materiais ligados covalentemente possuem em geral densidade menor que os materiais ligados ionicamente ou por meio de ligações metálicas 5 Discuta uma das propriedades abordada em aula sob o ponto de vista da curva de energiaforça de ligação represente a curva QUESTÕES DE FIXAÇÃO OBRIGADA PELA ATENÇÃO Cap1 Callister Jr WD Ciência e Engenharia de Materiais Uma Introdução Rio de Janeiro LTC 2008 Sugestão de leitura
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Materiais e suas Propriedades Aula 2 Estrutura Atômica Ligações químicas Centro de Engenharia Modelagem e Ciências Sociais Aplicadas Profa Dra Christiane Ribeiro Por onde começar O Átomo As ligações entre os átomos e como estes se unem Como as ligações atômicas interferem nas propriedades dos materiais Materiais e suas Propriedades A Teoria Atômica isto é de que a matéria é composta de partículas muito pequenas e indivisíveis e em constante movimento foi proposta pelos filósofos gregos Leucipo de Mileto 440 aC e Demócrito 460 aC 370 aC Materiais e suas Propriedades Aristóteles acreditava que todas as substâncias eram feitas a partir dos quatro elementos terra fogo ar e água e não por átomos Concepções como a de Aristóteles dominaram a Ciência por muitos anos até a Idade Média Materiais e suas Propriedades O interesse pela teoria atômica foi recuperado durante o século 18 a partir de trabalhos relacionados à natureza e comportamento dos gases Materiais e suas Propriedades ÁTOMO NÚCLEO ÉLETRONS PRÓTONS NÊUTRONS 1602 X 1019 C 167 X 1027 kg 911 X 1031 kg Materiais e suas Propriedades Número atômico Z Número de prótons do núcleo Para cada átomo eletricamente neutro o número atômico é igual ao número de elétrons Varia de 1 para o hidrogênio até 92 para o urânio Massa atômica A Massa dos prótons Z massa dos nêutrons N O número de prótons é sempre o mesmo para um dado elemento mas o número de nêutrons N pode variar ISÓTOPOS Cada elemento é caracterizado por Materiais e suas Propriedades Símbolos Um átomo específico é identificado pelo símbolo do elemento com número atômico Z como um índice inferior e o número de massa com um índice superior Assim Indica um átomo do elemento X com o número atômico Z e número de massa A Por exemplo Referese ao átomo de oxigênio com número atômico 8 e número de massa 16 A X Z 16O 8 Materiais e suas Propriedades Unidade de massa atômica uma por átomo 112 da massa atômica do isótopo mais comum do carbono Carbono 12 12C 112 do 12C 1 u m a Átomo do C12 Indica quantas vezes um elemento qualquer pesa mais que 112 do C 12 por exemplo a massa atômica do Hélio 4 u m a significa que o Hélio tem 4 vezes a massa de 112 do C 12 Materiais e suas Propriedades Massa por mol de material gmol Lembrando que em 1 mol de substância existem 6023 x 1023 número de Avogadro átomos ou moléculas 1 uma átomo 1 gmol Peso atômico Média ponderada das massas atômicas dos isótopos do átomo que ocorrem naturalmente Materiais e suas Propriedades Exemplo seja um elemento E composição isotópica 30E 40 32E 50 34E 10 Peso atômico de E 30x40 32x50 34x10 100 314 u Massa atômica Materiais e suas Propriedades Massa Molecular ou Peso Molecular é a soma das massas de todos os elementos que constituem uma espécie química Exemplo Massa Molecular da água H2O H 1 x 2 O 16 x1 H2O 1 x 2 16 x 1 18 u m a Materiais e suas Propriedades O modelo do átomo de Borh Estrutura atômica do Sódio número atômico 11 mostrando os elétrons nas camadas quânticas K L e M Materiais e suas Propriedades Posição de cada elétron em particular é mais ou menos bem definida em termos do seu orbital Energias dos elétrons são quantizadas mudança de orbital é possível com absorção maior energia ou emissão menor energia de energia Estados adjacentes são separados por energias finitas O modelo de Bohr apresenta limitações significativas não servindo para explicar vários fenômenos envolvendo os elétrons O modelo do átomo de Borh Materiais e suas Propriedades Modelo MecânicoOndulatório Mecânica quântica Conjunto de princípios e leis que regem os sistemas de entidades atômicas e subatômicas As energias dos elétrons são quantizadas ie os elétrons são separados por energias finitas A energia de um elétron pode mudar O elétron deve realizar um salto quântico SALTO QUÂNTICO PARA UM ESTADO DE ENERGIA PERMITIDO MAIS ELEVADO ABSORÇÃO DE ENERGIA SALTO QUÂNTICO PARA UM ESTADO DE ENERGIA PERMITIDO MAIS BAIXO LIBERAÇÃO DE ENERGIA Materiais e suas Propriedades Modelo MecânicoOndulatório As deficiências do modelo de Bohr foram supridas pelo modelo atômico da Mecânica Quântica Nesse modelo o elétron apresenta características tanto de onda quanto de partícula O elétron não é mais tratado como uma partícula que se movimenta num orbital definido A posição do elétron passa a ser considerada como a probabilidade deste ser encontrado em uma região próxima do núcleo Materiais e suas Propriedades A posição dos elétrons Materiais e suas Propriedades Mecânica ondulatória Orbital Atômico região mais provável de se encontrar um elétron Modelo mecânicoondulatório partículaonda Materiais e suas Propriedades Conceito são funções de onda espaciais monoeletrônicas cuja energia pode ser obtida através de soluções utilizando a equação de Schrödinger 2p A energia e o momento angular dos elétrons são quantizados Os números quânticos usados para descrever o estado de energia de um elétron são a número quântico principal n b número quântico orbital l c número quântico magnético ml d Número quântico spin ms Números Quânticos Materiais e suas Propriedades Números Quânticos O número quântico principal é o n n determina a energia total de um elétron e identifica a camada eletrônica primária no átomo Este número quântico e somente esse está associado ao modelo de Bohr Para n 1 2 3 as camadas eletrônicas são designadas respectivamente como K L M O número quântico secundário ou de momento angular azimutal é l l determina o momento angular do elétron devido ao seu movimento orbital e indica a forma dos orbitais da camada eletrônica no átomo Esse número quântico l varia de 0 até n1 sendo as sub camadas respectivas designadas por s 0 p 1 d 2 f 3 ssharp pprincipal ddiffuse ffundamental Materiais e suas Propriedades O número quântico magnético é ml ml indica o efeito que o campo magnético pode exercer no nível de energia eletrônico de um átomo Fornece informações sobre a orientação de um orbital no espaço Os números quânticos magnéticos para cada l é 2l1 Os valores de ml são dados pelos números inteiros entre l e l Números Quânticos Materiais e suas Propriedades 0 1 1 0 2 0 1 1 2 3 1 2 0 1 2 3 Subnível s Subnível p Subnível d Subnível f Número quântico magnético m O número quântico spin é ms 12 ou 12 ms indica a direção do momento angular intrínseco do elétron momento magnético Números Quânticos Número quântico spin ms Para l 2 são 22 1 5 números quânticos magnéticos Materiais e suas Propriedades Números Quânticos Resumindo Materiais e suas Propriedades Princípio de exclusão de Pauli Este princípio estabelece que dois elétrons não podem ter o mesmo conjunto de números quânticos e não mais que dois elétrons possuem o mesmo nível de energia na ausência de campo magnético A configuração eletrônica dos diferentes níveis de energia é dada por uma notação que indica n l ml ms 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 3d10 4p6 5s2 4d10 EX Materiais e suas Propriedades Configurações eletrônicas e tendem a ocupar o estado de energia mais baixo disponível estágios de energia distintos Materiais e suas Propriedades Configurações eletrônicas A Maioria dos elementos apresenta uma configuração eletrônica não estável Por que Materiais e suas Propriedades EXEMPLO Configuração Eletrônica do Átomo de Sódio Materiais e suas Propriedades Exercício O índio que tem número atômico 49 não contém nenhum elétron em seu nível de energia 4f Baseado nessa informação qual deve ser a valência do índio Materiais e suas Propriedades Solução 1s22s22p63s23p64s23d104s25s4d105p6s4f0 ordenando 1s22s22p63s23p63d104s24p64d104f 05spx6sy 49226261026100 3 Portanto 5s25p1 a valência é 3 6s0 Materiais e suas Propriedades A Tabela Periódica Os elementos químicos são classificados de acordo com a sua configuração eletrônica Materiais e suas Propriedades Propriedades Periódicas Materiais e suas Propriedades Elétrons de Valência Configurações Estáveis Estado fundamental Os elétrons ocupam as menores energias possíveis Elétrons de Valência São aqueles que ocupam a camada eletrônica mais externa Configurações Eletrônicas Estáveis As camadas eletrônicas mais externas estão completamente preenchidas gases nobres Elétron de valência do sódio Materiais e suas Propriedades Excitação luz flash Fluorescência e fosforescência absorção de luz ultravioleta e emissão da luz visível Estado fundamental Estado excitado Emissão estimulada Estado metaestável decaimento A absorção de energia excita o elétron No retorno ao estado fundamental ocorre liberação de energia Fluorescência transição de estado singleto para singleto tempo de emissão 107 a 109s Fosforescência transição de estado tripleto para singleto tempo de emissão 104 a 10 s Materiais e suas Propriedades Ligações primárias Ligação metálica Ligação iônica Ligação covalente Ligações secundárias van der Waals Ponte de hidrogênio Dipolo induzido Dipolo permanente Ligação química Materiais e suas Propriedades Princípios de ligação química desempenho propriedade Processamento síntese estrutura Tetraedro das interrelações Força que mantém diferentes átomos unidos para formar uma molécula ou um sólido Materiais e suas Propriedades A Ligação química Moléculas consistem de dois ou mais átomos unidos por uma força atrativa chamada Ligação Química A distribuição dos elétrons em um átomo é a principal responsável pelas ligações químicas Materiais e suas Propriedades Surface layer of material Surface layer of material As ligações estão presentes no interior dos materiais definindo uma série de propriedades intrínsecas As ligações também estão presentes na superfície dos materiais com uma contribuição diferente definindo o comportamento da interface No caso dos biomateriais podem definir Compatibilidade biológica Materiais e suas Propriedades Algumas propriedades dos elementos incluem Eletronegatividade é a tendência do átomo para ganhar um elétron Átomos de alta eletronegatividade tendem a estar no lado direito da tabela periódica e átomos com baixa eletronegatividade do lado esquerdo Qual é o elemento mais eletronegativo Eletropositividade é a tendência de um átomo para perder elétrons Átomos altamente eletronegativos tendem a reagir se ligar com átomos altamente eletropositivos formando moléculas iônicas ou materiais cerâmicos O compartilhamento dos elétrons provocam ligações atômicas muito fortes Materiais e suas Propriedades Valores maiores tendência a ganhar elétrons Maior facilidade em ceder elétrons CÁTIONS Maior facilidade em ganhar elétrons ÂNIONS Materiais e suas Propriedades Ligação metálica 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 Materiais e suas Propriedades Ligação metálica Quando uma ddp é aplicada a um metal os eletrons na nuvem eletrônica podem se mover facilmente e assim carregar a corrente elétrica Materiais e suas Propriedades Ligação Iônica Envolve a transferência de elétrons de um átomo para outro A ligação é nãodirecional Grande diferença de eletronegatividade entre os elementos Na 09 Cl 30 A ligação iônica resulta da atração eletrostática entre dois íons de cargas opostas Forças de atração Coulombianas variam com o quadrado do inverso da distância interatômica Materiais e suas Propriedades Quando uma ddp é aplicada em um material iônico íons inteiros devem se mover para que ocorra fluxo de corrente O movimento de íons é lento a condutividade elétrica é pobre Materiais e suas Propriedades Ligação Covalente 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 metano Representação esquemática da ligação covalente na sílica SiO2 C 25 H 21 DE 04 Forte caráter covalente O 35 Si 18 DE 17 Caráter iônico covalente Materiais e suas Propriedades Ponte de Hidrogênio 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 Ponte de hidrogênio na molécula da água Ponte de hidrogênio no HF Materiais e suas Propriedades Ligação de van der Waals PVC Ocorrem atrações entre dipolos gerados pela assimetria de cargas O mecanismo dessas ligações é similar ao das ligações iônicas porém não existem elétrons transferidos As ligações dipolares podem ser entre dipolos permanentes dipolos permanentes e induzidos dipolos induzidos flutuantes Materiais e suas Propriedades Dipolos Induzidos Flutuantes Dipolo Molecular Permanente Outras Ligações Secundárias Materiais e suas Propriedades Materiais Segundo o Tipo de Ligação Tetraedro que representa a contribuição relativa dos diferentes tipos de ligação para categorias de Materiais de Engenharia metais cerâmicas e polímeros Materiais e suas Propriedades A distância de ligação entre dois átomos é a distância correspondente ao ponto de mínima energia soma dos dois raios atômicos a Para metais puros todos os átomos têm o mesmo raio atômico b Para sólidos iônicos os raios atômicos são diferentes uma vez que íons adjacentes nunca são idênticos Materiais e suas Propriedades Espaçamento interatômico A distância de equilíbrio entre os átomos é causada pelo balanço entre as forças repulsivas e atrativas que atuam quando dois átomos se aproximam A separação de equilíbrio ocorre quando a energia total do sistema é mínima ou de outra forma quando a força resultante líquida é nula não havendo nem atração e nem repulsão entre os átomos O espaçamento atômico de equilíbrio é aproximadamente igual ao diâmetro atômico ou para materiais iônicos à soma dos dois diferentes raios iônicos Materiais e suas Propriedades Materiais e suas Propriedades Forças de atração e de repulsão em função da distância interatômica r para dois átomos isolados Energia Potencial em função da distância interatômica r para dois átomos isolados FA FR F0 estado de equilíbrio distância r0 Relação Entre Algumas Propriedades e as Curvas de Força e Energia de Ligação Propriedades Mecânicas Em escala atômica a DEFORMAÇÃO ELÁSTICA é manifestada como uma pequena alteração na distância interatômica e na energia da ligação A profundidade do poço de potencial é uma medida da energia de ligação quanto maior for sua profundidade maior será a energia de ligação e portanto também maior será a resistência à deformação elástica RIGIDEZ O MÓDULO DE ELASTICIDADE é uma medida da rigidez de um material Materiais e suas Propriedades Obs o módulo de elasticidade é uma propriedade mecânica que será estudada em detalhe mais à frente no curso O módulo de elasticidade pode ser associado à derivada da curva Fr no ponto r r0 quanto maior for o valor da derivada maior será o módulo de elasticidade O material a apresenta maior rigidez do que o material b r0 r0 Módulo de Elasticidade r0 ponto onde forças de atração e repulsão são iguais Relação Entre Algumas Propriedades e as Curvas de Força e Energia de Ligação Materiais e suas Propriedades Materiais e suas Propriedades Coeficiente de Expansão Térmica Um poço profundo profundo e estreito elevadas energias de ligação está relacionado a um baixo coeficiente de expansão térmica Relação Entre Algumas Propriedades e as Curvas de Força e Energia de Ligação Relação Entre Algumas Propriedades e as Curvas de Força e Energia de Ligação Materiais que apresentam grandes energias de ligação ou seja poços de potencial profundos também apresentam temperaturas de fusão e de ebulição elevadas Pontos de fusão e de ebulição Materiais e suas Propriedades 1 Os elementos químicos A B e C de números atômicos respectivamente 1 9 e 11 combinamse entre si formando os compostos AB CB e BB Indique o tipo de ligação existente em cada caso e justifique 2 Descreva 2 propriedades em função do tipo de ligação química 3 Explique os tipos de ligações predominantes nas diferentes classes de materiais Exemplifique 4 Por que os materiais ligados covalentemente possuem em geral densidade menor que os materiais ligados ionicamente ou por meio de ligações metálicas 5 Discuta uma das propriedades abordada em aula sob o ponto de vista da curva de energiaforça de ligação represente a curva QUESTÕES DE FIXAÇÃO OBRIGADA PELA ATENÇÃO Cap1 Callister Jr WD Ciência e Engenharia de Materiais Uma Introdução Rio de Janeiro LTC 2008 Sugestão de leitura