Pme-302_aula_01

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  • Pages: 27
Programa de Mestrado em Engenharia Mecânica Área de Concentração: Materiais e Processos

Ciência dos Materiais PME-302

Prof. Dr. Rodrigo Magnabosco [email protected]

Aula 1 – Estruturas e ligações atômicas

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Bibliografia Básica:

R.E SMALLMAN, R.J. Bishop, Modern Physical Metallurgy & Materials Engineering. Butterworth-Heinemann:USA, 1999, 6. Ed., 438 p. Complementares: A. L. Ruoff, Materials Science. Prentice-Hall:USA, 1973, 928 p. R. E. Hummel, Understanding Materials Science. Springer:USA, 1997, 407 p. Periódicos ( Materials Characterization, Materials Science and Engineering A, Metallurgical and Materials Transactions A)

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Programa Previsto aula

data

Páginas Smallman

Tópico



03.Mar

1 - 10

Estruturas e ligações atômicas.



10.Mar

11 – 18

Arranjos atômicos em sólidos: reticulados cristalinos, índices de Miller.



17.Mar

18 – 22

Arranjos atômicos em sólidos: metais puros e carbono.



31.Mar

22 – 32

Arranjos atômicos em sólidos: Cristais iônicos, vidros inorgânicos.



07.Abr

32 – 41

Arranjos atômicos em sólidos: estruturas poliméricas.



14.Abr

84 – 90

Defeitos em sólidos: pontuais e superficiais



28.Abr

91 – 97

Defeitos em sólidos: discordâncias



05.Mai

97 – 105

Densidade; propriedades térmicas.



12.Mai

169 – 177

Propriedades elétricas

10ª

19.Mai

181 – 193

Propriedades magnéticas

11ª

26.Mai

193 – 196

Propriedades dielétricas e ópticas

12ª

02.Jun

*.*.*

Avaliação (individual, consulta livre).

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Formas de avaliação Serão propostas 7 listas de exercícios, e os alunos devem, ao final da disciplina, ter as respostas de pelo menos 5 listas aceitas para aprovação. As listas poderão ser refeitas quantas vezes forem necessárias, utilizando os comentários e as discussões do professor. O prazo máximo para entrega das listas é a 12ª aula. As listas devem ser entregues preferencialmente por e-mail ([email protected]). A avaliação receberá nota entre 0 e 10. Média final:

, ).F MF = (avaliação F=0 se o número de listas de exercício aceitas for menor que cinco F=1 se o número de listas de exercício aceitas for cinco F=1,1 se o número de listas de exercício aceitas for seis F=1,2 se o número de listas de exercício aceitas for sete

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PROPRIEDADES

CIÊNCIA E ENGENHARIA DOS MATERIAIS

DESEMPENHO

PROCESSAMENTO Aula 1 – Estruturas e ligações atômicas

ESTRUTURA Ciência dos Materiais http://www.fei.edu.br/~rodrmagn © 2009 – Rodrigo Magnabosco –Slide 5

Classes de Materiais de Engenharia metais

ero lím po s

ce râ mi ca s

“vidros”

compósitos

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A evolução dos materiais de engenharia (Ashby, 1986) ouro

cobre bronze ferro

ferros fundidos

aços ARBL vidros metálicos aços inoxidáveis dúplex ligas Al-Li processamento otimizado

aços ligados

madeira peles fibras

colas borracha

tijolos papel vidro pedra louça

ligas leves superligas base Ni, Co ligas refratárias

polímeros de “alta” temperatura

matriz Epóxis baquelite matriz cerâmica cimento nylon metálica cimento PMMA PRFK PE portland PRFC PC PS refratários cerâmicas “tenazes” PRFV sílica fundida pirocerâmicas

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Henry Ford,

1893

1947

Solução de transporte?

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Michael Ashby, Hugh Shercliff and David Cebon. Materials Engineering, Science, Processing and Design. Butterworth-Heinemann, 2007, p. 494

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O átomo: Núcleo com carga positiva Elétrons orbitando o núcleo O núcleo atômico mede em torno de 10-15 m de diâmetro, enquanto que o átomo mede cerca de 10−10 m. Se o núcleo de um átomo fosse do tamanho de um limão com um raio de 3cm, os elétrons mais afastados estariam a cerca de 3 km de distância. Nesta disciplina, será fundamental compreender os estados eletrônicos, ou a distribuição eletrônica nos átomos.

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Legenda

bloco s

bloco d

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Tabela Periódica dos Elementos

bloco p

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São necessários 4 números quânticos para determinar a configuração eletrônica:

n, l, m, s Principal (n) Determina a energia de um dado elétron, numa dada camada.

Número inteiro (n=1, 2, 3, ...)

Quanto maior o valor de n, maior a energia associada àquele elétron, e menor a estabilidade deste.

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n

camada

1

K

2

L

3

M

4

N

5

O

6

P Ciência dos Materiais http://www.fei.edu.br/~rodrmagn © 2009 – Rodrigo Magnabosco –Slide 12

Azimutal ou orbital (l)

Associado ao momento angular do elétron, determina a forma da órbita ou da subcamada

l=

0 (sharp)

1 (principal)

2 (diffuse)

3 (fundamental) http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/4/4a/Single_electron_orbitals.jpg

0 ≤ l ≤ n-1 Aula 1 – Estruturas e ligações atômicas

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s

px

dxy

dyx

py

dyz

pz

dx²-y²

dz²

http://www.chemcomp.com/journal/molorbs/ao.gif

Por forma, leia-se “região de maior probabilidade de encontrar o elétron”!

http://www.physics.uiowa.edu/~umallik/adventure/quantumwave/orbitals.gif

Azimutal ou orbital (l) Aula 1 – Estruturas e ligações atômicas

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3° número quântico: (m) associado à orientação da órbita do elétron ao redor do núcleo

-l ≤ m ≤ l (inteiros, incluindo zero) 4° número quântico: (s) “spin”, associado à orientação de rotação do elétron

s

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-½ +½ Ciência dos Materiais http://www.fei.edu.br/~rodrmagn © 2009 – Rodrigo Magnabosco –Slide 15

Elétrons devem ser distribuídos nas camadas e sub-camadas segundo: Princípio da Exclusão de Pauli: 2 elétrons num mesmo átomo não podem ter o mesmo conjunto de números quânticos. Regra de Hund: cada orbital do subnível que está sendo preenchido recebe inicialmente apenas um elétron. No exemplo abaixo, 3 ou 4 elétrons (e) num orbital do tipo 2p:

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Sequência de níveis de energia (ordem crescente de energia)

K

1s2

L

2s2

2p6

M

3s2

3p6

3d10

N

4s2

4p6

4d10

4f14

O

5s2

5p6

5d10

5f14

P

6s2

6p6

6d10

Q

7s2

7p6

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Eletropositivos Legenda

n

camada

1

K

2

L

3

M

4

N

5

O

6

P

7

Q

Eletronegativos

bloco s

bloco d

Tabela Periódica dos Elementos

bloco p

Caracteriza os metais de transição... Aula 1 – Estruturas e ligações atômicas

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Oxigênio (Z=8)

Alumínio (Z=13) 1s2

1s2

2s2

2s2

2p6

2p4

3s2

A camada 2 (ou L) incompleta tem maior atração eletrostática do núcleo ∴há a possibilidade de ionização, o que formará o ânion O2-

3p1 A camada 3 (ou M) incompleta tem elétrons de maior energia, e com menor atração eletrostática do núcleo ∴há a possibilidade de ionização, o que formará o cátion Al3+

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Os elétrons mais externos são chamados de elétrons de valência Ciência dos Materiais http://www.fei.edu.br/~rodrmagn © 2009 – Rodrigo Magnabosco –Slide 19

Ferro (Z=26) 1s2 2s2

Energeticamente, os níveis 4s e 3d são “próximos”, o que leva a duas possibilidades:

2p6

A perda de um dos elétrons do orbital 4s e um dos elétrons do orbital 3d (eliminado a paridade observada)

3s2

A perda de mais um dos elétrons do orbital 4s

∴há a possibilidade de ionização, o

3p6

que formará os cátions Fe2+ ou Fe3+

4s2 O ferro, deste modo, tem duas valências, +2 e +3

3d6

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Ligações entre átomos A natureza das forças de ligação entre átomos determinará o tipo de sólido formado e influenciará as propriedades físicas deste material.

tipo de ligação

energia associada (kJ.mol-1)

metálica

100 - 800

iônica

600-1600

covalente

500 – 1250

van der Waals

< 40

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Ligação metálica Alumínio (Z=13)

cátions Al3+ 1s2 Nuvem de elétrons de valência “livres”

2s2 2p6 3s2 3p1

Há atração eletrostática entre as cargas positivas dos cátions e a nuvem eletrônica negativa, que sustenta a ligação entre as espécies metálicas

A presença da nuvem eletrônica garante a não-direcionalidade da ligação metálica.

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Ligação iônica

Sódio (Z=11)

A aproximação de átomos eletronegativos (não metais) de 1s2 eletropositivos (metais) gera transferência de elétrons de valência do eletropositivo para o 2s2 eletronegativo.

1s2 2s2 2p6 3s1

Cloro (Z=17)

2p6

Na+ Na+

3s2 3p5

Cl-

Cl-

A ligação iônica resultante é omnidirecional, e de caráter puramente eletrostático, e necessita no sólido do balanço das cargas positivas e negativas tridimensionalmente. Aula 1 – Estruturas e ligações atômicas

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Cl-

do

Energia potencial

Na+

distância entre átomos

0 A distância de equilíbrio entre núcleos é resultado da minimização de energia potencial associada à ligação

do

Na+

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Cl-

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Ligação covalente 1s2 2s1

Perder ou ganhar 4 elétrons para completar a camada L?

CO M PA RT IL HA R!

Carbono (Z=6)

2p3

http://www.gcsescience.com/Methane-Molecule.gif

Ligações covalentes são altamente direcionais (o C, por exemplo, forma ligações a 109,28°). Isto dá a estruturas deste tipo semelhança geométrica ao tetraedro. http://www.globalwarmingart.com/wiki/Image:Metha ne_Molecule_Formula_svg

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http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/5/58/M ethane-3D-balls.png/595px-Methane-3D-balls.png

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Ligação de van der Waals (ou ligação fraca, ou secundária)

É a atração mútua de dipolos elétricos

+

H

H

C

C

H

H

H H H H H | | | | | ··· – C – C – C – C – C – ··· | | | | | H H H H H

+

No exemplo, os átomos de carbono do polietileno exercem maior poder atrativo, distorcendo o orbital 1s do átomo de hidrogênio. Estabelece-se assim uma fraca atração entre as longas cadeias de ligação covalente.

-

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Atividade 1 (entrega pelo e-mail [email protected]): 1)

Descreva a distribuição eletrônica dos seguintes átomos: Césio (Cs, valência +1) Cromo (Cr , valências +6, +3 ou +2) Cloro (Cl, valência -1) Silício (Si , valência +4)

2)

A partir da distribuição eletrônica, justificar as possíveis valências dos átomos descritos no item 1.

3)

Determine, justificando, o tipo de ligação química entre: Cs e Cl Al e O Cr e Cr Si e Si

4)

Discuta sobre qual a provável forma da camada K dos átomos de hidrogênio presentes no polietileno, e utilize tal discussão para explicar o surgimento de ligações do tipo van der Waals neste polímero. Aula 1 – Estruturas e ligações atômicas

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