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
1ª
03.Mar
1 - 10
Estruturas e ligações atômicas.
2ª
10.Mar
11 – 18
Arranjos atômicos em sólidos: reticulados cristalinos, índices de Miller.
3ª
17.Mar
18 – 22
Arranjos atômicos em sólidos: metais puros e carbono.
4ª
31.Mar
22 – 32
Arranjos atômicos em sólidos: Cristais iônicos, vidros inorgânicos.
5ª
07.Abr
32 – 41
Arranjos atômicos em sólidos: estruturas poliméricas.
6ª
14.Abr
84 – 90
Defeitos em sólidos: pontuais e superficiais
7ª
28.Abr
91 – 97
Defeitos em sólidos: discordâncias
8ª
05.Mai
97 – 105
Densidade; propriedades térmicas.
9ª
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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