Comportamento Químico e Mecânico dos Materiais: Estruturas e Classificações

COMPORTAMENTO QUÍMICO E MECÂNICO DOS MATERIAIS Estruturas Interatômicas Química Primordial Átomos Estrutura e modelos Ligação química nos sólidos POR QUE ESTUDAR A CIENCIA E A ENGENHARIA DE MATERIAIS POR QUE ESTUDAR A CIENCIA E A ENGENHARIA DE MATERIAIS Engenheiros CLASSIFICAÇÃO DOS MATERIAIS metais cerâmicas polímeros Classificação baseada na composição química e na estrutura atômica CLASSIFICAÇÃO DOS MATERIAIS Materiais avançados usados em aplicações de alta tecnologia Introdução Olhe para os seus arredores Veja a infinidade de formas cores texturas e inúmeras outras propriedades de tudo o que lhe envolve Como podemos explicar isso Por exemplo o que difere uma safira de um rubi Por que a safira pode ser incolor azul púrpura ou rósea O que lhe confere a transparência ou a opacidade O que define a sua rigidez estrutural Quais são os materiais que lhe cercam As respostas para essas questões começam lá na estrutura mínima da qual tudo é formado O ÁTOMO Toda a matéria que existe no mundo é formada por pelo menos um dos 118 tipos de átomos sendo cada um deles um diferente elemento químico 6 QUÍMICA PRIMORDIAL Artefatos feitos em cobre encontrados nos sítios arqueológicos de Abusir Abydos e Giza localizados próximos à capital Cairo Egito Fonte Petr Kukal spokesperson Faculty of Arts Charles University 2018 Átomos Átomo Bola de Bilhar 1808 Dalton Átomos O Átomo Pudim de Passas 1897 Thomson Átomos O Átomo Planetário 1908 Rutherford Átomos Átomos Segundo Bohr Cada órbita contém um nível de energia definido e constante na qual estão os elétrons A quantidade de energia está em função da distância do núcleo O nível de energia é quantizado ou seja cada elétron em uma determinada órbita tem uma quantidade de energia não irradiada É possível fornecer energia para um elétron para que ele realize um salto quântico Quando isso acontece dizemos que o átomo está em seu estado excitado No entanto o elétron tende a voltar para o seu estado fundamental e devolve a mesma quantidade de energia absorvida Quando isso ocorre o átomo emite radiação eletromagnética com um determinado comprimento de onda que é característico da quantidade de energia que ele está emitindo 12 Átomos Átomos Você sabia que os fogos de artifícios nos encantam exatamente pelo princípio que falamos acima Na composição dos fogos de artifícios existe uma mistura de sais inorgânicos substâncias químicas compostas por diferentes átomos como Na Ba K Sr Cu entre outros Ao acendermos o pavio todos aqueles sais serão queimados ou seja estaremos fornecendo energia para os elétrons que compõem esses átomos Os elétrons saltam para uma órbita de maior nível energético e quando os fogos sobem esses elétrons retornam para seu estado fundamental de energia Isso ocorre quando vemos todo aquele colorido que nada mais é do que a emissão eletromagnética da energia que os elétrons haviam absorvido E as cores Bom essas dependem do tipo de átomo e do salto quântico do elétron Outro exemplo disso são os materiais fluorescentes e fosforescentes Agora imagine no seu dia a dia outras situações nas quais esse fenômeno pode ocorrer Átomos 15 1919 e 1932 Ernest Rutherford e James Chadwick Descoberta de prótons e nêutrons Estudos subsequentes levaram a uma melhor compreensão do núcleo do átomo Em 1919 Rutherford descobriu as partículas positivas prótons e em 1932 James Chadwick descobriu as partículas neutras nêutrons Elementos Químicos Átomos Nome Símbolo Natureza Ferro Fe Fe3O4 Cálcio Ca CaCO3 Prata Ag Argentum Ag Oxigênio O O2 ESTRUTURA DA MATÉRIA A matéria é formada por moléculas que por sua vez são formadas por estruturas ainda menores chamadas de átomos Átomos Moléculas H H H H H H H H Átomos O O Moléculas estrutura amorfa estrutura cristalina Variação na arrumação dos átomos Cgrafite Cdiamante Variação na atomicidade O2 Oxigênio O3 Ozônio Variedade Alotrópica Fenômeno Químico Combustão do álcool etílico H3C CH2 OH 3O2 2CO2 3H2O Reagentes Produtos O fenômeno químico transforma a natureza íntima da matéria FENÔMENO FÍSICO SÓLIDO LÍQUIDO GASOSO O fenômeno físico não altera a natureza da matéria SUBLIMAÇÃO FUSÃO CONDENSAÇÃO VAPORIZAÇÃO SOLIDIFICAÇÃO Estados físicos da matéria Estados físicos da matéria httpswwwyoutubecomwatchvdHRLdx7v1pA Ligações Químicas Átomo a menor unidade da matéria indivisível Átomo a menor unidade da matéria indivisível Átomo de Hélio Camadas eletrônicas a Número Atômico número de elétrons b A energia dos elétrons pode variar Eles ocorrem em certos níveis de energia ou camadas eletrônicas c As camadas eletrônicas definem como um atómo irá se comportar ao encontrar outro átomo Elétrons estão colocados nas camadas seguindo as regras 1 A primeira camada leva até 2 elétrons e a segunda camada até 8 elétrons Regra do Octeto átomos tendem a ganhar perder ou compartilhar elétrons até chagar a 8 elétrons C precisa N precisa O precisa Ganhar 4 elétrons Ganhar 3 elétrons Ganhar 2 elétrons Estrutura Atômica Modelos Atômicos Comportamento Químico e Mecânico dos Materiais Configurações Eletrônicas Sabendo então que as subcamadas s p d e f podem acomodar cada uma um número total de 2 6 10 e 14 elétrons para determinar a posição de um elétron utilizamos o princípio da exclusão de Pauli Fonte httpswwwkuadrocombr Hidrogênio 1 elétron 1𝑠1 Hélio 2 elétrons 1𝑠2 Sódio 11 elétrons 1𝑠2 2𝑠2 2𝑝6 3𝑠1 Configurações Eletrônicas Configurações Eletrônicas Comportamento Químico e Mecânico dos Materiais Fonte Callister Jr W D Rethwisch D G Ciência e Engenharia de Materiais uma Introdução 9ª ed 2016 Tabela Periódica dos Elementos Símbolos dos átomos com pontos representando a camada de valência Símbolos dos átomos com pontos representando a camada de valência Ligações Químicas A união entre átomos é denominada ligação química interatômica Ela pode ser de três tipos iônica covalente e metálica Veremos neste capítulo que nas substâncias iônicas os átomos se unem por ligação iônica moleculares os átomos se unem por ligação covalente metálicas os átomos se unem por ligação metálica Até hoje não foi descoberta sequer uma substância natural na qual átomos de gases nobres estejam combinados entre si ou com átomos de outros elementos Apenas os gases nobres He Ne Ar Kr Xe Rn nas condições ambiente apresentam átomos estáveis isolados isto é não unidos a outros átomos Para entender como funcionam as ligações entre os átomos é importante analisar a eletrosfera dos gases nobres tabela 2 uma vez que eles parecem ser a chave para entender a questão TABELA 2 Distribuição eletrônica dos gases nobres Gás nobre K L M N O P Helio 2 Neonio 2 8 Argônio 2 8 Criptonio 2 8 18 8 Xenônio 2 8 18 18 Radônio 2 8 18 32 18 8 Um átomo estará estável quando sua última camada possuir 8 elétrons ou 2 caso se trate da camada K Os átomos não estáveis unemse uns aos outros a fim de adquirir essa configuração de estabilidade Um átomo estará estável quando sua última camada possuir 8 elétrons ou 2 caso se trate da camada K Os átomos não estáveis unemse uns aos outros a fim de adquirir essa configuração de estabilidade Os gases nobres formam substâncias em que átomos não estão unidos a outros O hélio presente nos balões é um exemplo de gás nobre No sal de cozinha há íons de sódio e de cloro combinados formando os cristais Na água há átomos de hidrogênio e oxigênio formando moléculas Na prata há muitos átomos de prata unidos formando o sólido As representações desta página estão fora de proporção Átomos e íons representados por esferas em cores fantasiosas À medida que percorremos um período da tabela periódica da esquerda para a direita aumenta a atração exercida pelo núcleo sobre os elétrons da camada de valência Os átomos dos elementos dos grupos 1 2 e 13 apresentam uma tendência acentuada a perder os elétrons da camada de valência Sem os elétrons de valência a última camada eletrônica passa a ser a anterior que satisfaz a regra do octeto Assim por exemplo átomos de Na sob determinadas condições podem perder o elétron de valência átomos de Mg podem perder os dois elétrons de valência e átomos de Al podem perder os três Os químicos também verificaram que Ligação Iônica Ligação formada por dois íons 43 Os átomos dos elementos dos grupos 15 16 e 17 apresentam de modo geral tendência a receber elétrons para ficar com oito elétrons na última camada Formação de íons de Metais Compostos iônicos resultam da ligação de metais com não metais Metais perdem elétrons para atingir o número de elétrons de valência de gás nobre Íons positivos se formam quando o número de elétrons é menor que o numero de prótons Metais do grupo 1 Metais do grupo 2 Metais do grupo 13 ion 1 ion 2 ion 3 45 Formação do íons sódio Átomo Sódio Na e Sódio íon Na 11 p 11 e 0 11 p 10 e 1 46 Formação do íon Magnésio Magnésio átomo Magnésio íon Mg 2e Mg2 12 p 12 e 0 12 p 10 e 2 Alguns cátions Grupo 1 Grupo 2 Grupo 13 H Mg2 Al3 Li Ca2 Na Sr2 K Ba2 Íons não metálicos Em compostos iônicos os não metais ganham elétrons dos metais Não metais adquirem elétrons até alcançar 8 elétrons Carga iônica dos não metais 3 2 ou 1 Íon Fluoreto octeto elétrons desemparelhado 1 e F F 9 p 9 e 0 9 p 10 e 1 carga iônica Sodium atom Sodium ion Na httpswwwyoutubecomwatchvdmplbiqgyW8 Nuvem de elétrons Ligação Covalente Formada pelo compartilhamento de elétrons 53 Ligação covalente Entre elementos não metálicos de eletronegatividade semelhante Formada pelo compartilhamento de elétrons Exemplos O2 CO2 C2H6 H2O SiC 55 httpswwwyoutubecomwatchvpQWRpMOKM Ligações covalente não polares Quando os elétrons compartilhados são iguais H2 O2 H2 N2 Cℓ2 P4 AtomoOxigênio AtomoOxigênio MoléculadeOxigênio O2 Ligações covalente não polares Quando os elétrons são compartilhados não uniformemente H2O Ligação covalente polar Quando os elétrons são compartilhados não uniformemente H2O 59 Ligações covalentes polares desiquilibradas mas dispostas a compartilhar httpsyoutubeThoDSAczw8t42 httpswwwstefanelliengbrmoleculaaguaanimacao 62 httpswwwyoutubecomwatchvnxzd8FhjdS0 Ligação metálica Ligação encontrada em metais Ligação metálica Formada entre átomos metálicos Nuvem de elétrons em torno dos átomos Bons condutores brilhosos altos pontos de fusão Exemplos Na Fe Al Au Co Ligações metálicas Cães maduros com abundância de ossos ao redor httpswwwyoutubecomwatchvZFnEdCpEU6E Metais não combinam com metais Eles formam ligas que é uma solução de um metal num metal Exemplos são o aço bronze ligas de alumínio latão estanho etc Ligas metálicas Exercícios Apesar da posição contrária de alguns ortodontistas está sendo lançada no mercado internacional a chupeta anticárie Ela contém flúor um já consagrado agente anticárie e xilitol um açúcar que não provoca cárie e estimula a sucção pelo bebê Considerando que o flúor utilizado para esse fim aparece na forma de fluoreto de sódio a ligação química existente entre o sódio e o flúor é denominada a iônica b metálica c dipolodipolo d covalente apolar e covalente polar 68 Exercícios Um material sólido tem as seguintes características Não apresenta brilho metálico É solúvel em água Não se funde quando aquecido a 500 C Não conduz corrente elétrica no estado sólido Conduz corrente elétrica em solução aquosa Com base nos modelos de ligação química podese concluir que provavelmente tratase de um sólido a iônico b covalente c molecular d metálico 69 Exercícios Nenhuma teoria convencional de ligação química é capaz de justificar as propriedades dos compostos metálicos Investigações indicam que os sólidos metálicos são compostos de um arranjo regular de íons positivos no qual os elétrons das ligações estão apenas parcialmente localizados Isto significa dizer que se tem um arranjo de íons metálicos distribuídos em um mar de elétrons móveis Com base nestas informações é correto afirmar que os metais geralmente a têm elevada condutividade elétrica e baixa condutividade térmica b são solúveis em solventes apolares e possuem baixas condutividades térmica e elétrica c são insolúveis em água e possuem baixa condutividade elétrica d conduzem com facilidade a corrente elétrica e são solúveis em água e possuem elevadas condutividades elétrica e térmica 70