TC030 Estrutura atômica da matéria e ligações químicas

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Disciplina:
TC 030 MATERIAIS DE CONSTRUÇÃO I
Estrutura atômica e molecular dos materiais
NAYARA S. KLEIN
[email protected]
Curitiba – PR, 01 de agosto de 2016.
ESTRUTURA ATÔMICA
Introdução
A estrutura de um material pode ser dividida em 4 níveis:
•
•
•
•
Estrutura atômica
Arranjo atômico
Microestrutura
Macroestrutura
No âmbito da engenharia, os estudos em níveis micro e macroestruturais
(propriedades) são os mais importantes.
Porém, é importante retroceder à estrutura dos átomos e seus arranjos,
pois estas influenciam de maneira significativa as propriedades físicas e o
comportamento mecânico dos materiais.
Estrutura eletrônica
do átomo
ESTRUTURA ATÔMICA E MOLECULAR DOS MATERIAIS
Natureza da ligação
atômica
Características micro e
macroestruturais
(Propriedades)
Profa. Nayara S. Klein
ESTRUTURA ATÔMICA
Átomo
Átomos são partículas submicroscópicas de que toda a matéria é composta.
Elétrons: partículas carregadas
negativamente, com carga igual a
1,6x10-19 C.
Prótons: partículas carregadas
positivamente, com carga
numericamente igual à do elétron,
porém de sinal contrário.
Núcleo: prótons + nêutrons
Modelo simplificado do átomo: modelo
planetário, com núcleo no centro e
elétrons orbitando a seu redor
ESTRUTURA ATÔMICA E MOLECULAR DOS MATERIAIS
Os elétrons se mantêm ligados ao
núcleo por atração eletrostática, já
que estes têm cargas de sinais
opostos.
Profa. Nayara S. Klein
ESTRUTURA ATÔMICA
Átomo
Os elétrons se distribuem ao redor do núcleo em camadas (K, L, M, N, O, P, Q),
definindo níveis crescentes de energia.
Assim, elétrons que pertencem ao nível
quântico K pertencem ao primeiro nível
quântico (n =1), de menor energia em
relação aos demais níveis.
Posições energéticas dos elétrons dentro
de um nível: subníveis (s, p, d, f).
Número máximo de elétrons:
s: 2; p: 6; d:10; f: 14
Camadas ou níveis quânticos onde os
elétrons se distribuem
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Profa. Nayara S. Klein
ESTRUTURA ATÔMICA
Átomo
Distribuição dos elétrons nos níveis e subníveis quânticos:
Diagrama de Linus Pauling
ESTRUTURA ATÔMICA E MOLECULAR DOS MATERIAIS
Estrutura eletrônica do Na
Notação eletrônica: 1s2 2s2 2p6 3s1
Profa. Nayara S. Klein
ESTRUTURA ATÔMICA
Átomo
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Profa. Nayara S. Klein
ESTRUTURA ATÔMICA
Átomo
A valência do átomo está relacionada com a habilidade do átomo para entrar
em combinação química com outros elementos, sendo frequentemente
determinada pelo número de elétrons na camada mais externa, chamada de
camada de valência.
Determina o tipo de ligação química que o átomo desenvolverá
São os elétrons da camada de valência que influenciam a maioria das
propriedades dos materiais de interesse para a engenharia:
•
•
•
•
Estabelecem a natureza das ligações interatômicas;
Resistência;
Condutividade elétrica;
Propriedades óticas.
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ESTRUTURA ATÔMICA
Átomo
Núcleo: prótons + nêutrons
Massa atômica: majoritariamente concentrada no núcleo, já que a massa do
elétron é aproximadamente 1/1836 g, ou 0,0005 g, menor que a massa do
próton ou nêutron.
Unidade de massa atômica: u.m.a.
1 u.m.a. = 1/12 da massa do cabono 12, o mais comum dos isótopos de carbono
Isso significa que:
1g = 6,02x1023 u.m.a. (número de Avogrado)
Influência nas propriedades dos materiais:
• Densidade
• Calor específico
Número atômico: indica o número de prótons (ou elétrons) em cada átomo.
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ESTRUTURA ATÔMICA
Átomo
Simbolização utilizada, presente na tabela periódica:
Número atômico Z
Massa atômica A
Núcleo de urânio composto de 238 partículas, das quais:
92 prótons e (238 - 92) = 146 nêutrons.
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ESTRUTURA ATÔMICA
Átomo
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ESTRUTURA ATÔMICA
Ligações atômicas
As ligações atômicas podem ser:
Ligações primárias (fortes):
• Ligação iônica;
• Ligação covalente;
• Ligação metálica.
Ligações secundárias, forças de Van der Walls:
• Dipolo - Dipolo;
• Dipolos induzidos;
• Pontes de hidrogênio.
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ESTRUTURA ATÔMICA
Ligações atômicas
As ligações iônicas ocorrem pelo aparecimento de forças coulombianas
(recebendo e doando elétrons).
Em busca de alcançar o
arranjo estável de
8 elétrons na camada de
valência, os átomos podem
receber ou doar elétrons.
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ESTRUTURA ATÔMICA
Ligações atômicas
Formação dos compostos iônicos:
Formação do NaCl, cloreto de sódio ou
sal de cozinha
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ESTRUTURA ATÔMICA
Ligações atômicas
Eletronegatividade ou caráter ametálico: propriedade periódica que mede a
tendência de um átomo em ganhar elétrons.
Tipo de ligação atômica
comum entre metais e
não-metais.
Ao se retirar um elétron
de um átomo, este deixa
de ser neutro, pelo
desequilíbrio entre seu
número de prótons e de
elétrons: ÍONS.
Variação da eletronegatividade na tabela
periódica
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Cátion +
Ânion
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ESTRUTURA ATÔMICA
Ligações atômicas
Propriedades físicas dos compostos iônicos:
• A ligação iônica é não-direcional, e o requisito principal que um material
iônico sempre satisfaz é o da neutralidade elétrica: n° + = n° • Os materiais iônicos possuem, em geral, condutividade elétrica baixa: a
transferência de cargas elétricas é dada pelo movimento de íons inteiros,
os quais não se movem tão facilmente como os elétrons;
• Solubilidade em água (maioria);
• Condutividade elétrica quando fundidos ou dissolvidos em água;
• Quando submetidos a esforços mecânicos que ultrapassam sua
capacidade resistente, normalmente apresentam comportamento frágil.
Exemplo na engenharia:
Carbonato de cálcio: CaCO3
Carbonato de cálcio
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ESTRUTURA ATÔMICA
Ligações atômicas
As ligações covalentes ocorrem por aproximação intensa entre dois átomos
que vão se ligar por compartilhamento de elétrons.
Em busca de alcançar o
arranjo estável de
8 elétrons na camada de
valência, os átomos não
perdem nem ganham
elétrons, mas sim os
compartilham.
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ESTRUTURA ATÔMICA
Ligações atômicas
Formação dos compostos covalentes:
Os elementos não perdem nem ganham
elétrons, mas sim os compartilham.
Molécula de oxigênio, O2
Por isso, os compostos covalentes são
substância cujos componentes não
apresentam carga elétrica e interagem
entre si direcionalmente.
Molécula de metano, CH4
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ESTRUTURA ATÔMICA
Ligações atômicas
A força das ligações covalentes é evidenciada no diamante, constituído
inteiramente por carbono, o qual é um mineral de elevada dureza (10 na
escala Mohs) e elevada temperatura (3.300°C) para sua dissociação atômica.
O átomo de carbono tem 4 elétrons na camada de valência, que são
compartilhados com 4 átomos adjacentes, formando um reticulado
tridimensional todo ligado por pares covalentes.
Exoplaneta 55 Cancri-e: fina superfície de
grafite cobrindo uma grossa camada de
diamante puro
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ESTRUTURA ATÔMICA
Ligações atômicas
Propriedades físicas dos compostos covalentes:
• A ligação covalente é fortemente direcional;
• Embora as ligações covalentes sejam muito fortes, materiais ligados dessa
maneira são, em geral, pouco dúcteis;
• Apresentam, em geral, baixa condutividade elétrica.
Isso ocorre porque não se consegue facilmente alterar a posição relativa
entre os átomos, nem promover o transporte de carga elétrica via movimento
de elétrons sem a ruptura das ligações covalentes.
Exemplo na engenharia:
Vidros: se estilhaçam;
Polímeros: não são bons condutores elétricos;
Aditivos: cadeias lineares que aderem à superfície das partículas de cimento.
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ESTRUTURA ATÔMICA
Ligações atômicas
Os metais são estruturas formadas por íons positivos e elétrons livres, que
fazem o papel de íons negativos, aparecendo forças elétricas coulombianas
de atração entre os átomos.
A ligação metálica pode ser considerada como uma atração entre íons
positivos e elétrons livres.
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ESTRUTURA ATÔMICA
Ligações atômicas
Os elétrons livres dão aos metais sua elevada condutibilidade elétrica e
térmica.
Metais: substâncias simples, formados por um único elemento.
Ligas metálicas: materiais com propriedades metálicas que contêm dois ou
mais elementos químicos sendo que pelo menos um deles é metal.
Exemplo na engenharia:
Aço para concreto armado.
O aço é uma liga metálica
formada essencialmente
por ferro e carbono, com
percentagens deste último
variando entre 0,008 e 2,11%.
Armadura de aço para concreto armado
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ESTRUTURA ATÔMICA
Ligações atômicas
Propriedades físicas dos compostos metálicos:
• A ligação metálica é não-direcional, pois os átomos “presos” na nuvem
eletrônica não são fixados em uma única posição;
• Em geral, apresentam boa ductilidade: sob tensão, quando os átomos são
forçados a mudar a relação que têm entre si, simplesmente a direção da
ligação é alterada (induzida), ao invés de haver quebra ou ruptura da
ligação;
• Bons condutores elétricos e térmicos.
Exemplo na engenharia:
Aço para concreto armado: estricção antes da ruptura
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ESTRUTURA ATÔMICA
Ligações atômicas
Forças de Van der Waals:
Ligação secundária fraca, mas que também contribui para a atração
interatômica (atrações eletrostáticas).
Em geral se originam de dipolos elétricos, que são consequência da
assimetria das moléculas.
+
-
+
-
São forças de atração que não envolvem cargas individuais ou transferência
de elétrons. Elas existem entre todos os íons e átomos de um sólido, mas
podem estar obscurecidas pelas ligações fortes presentes.
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ESTRUTURA ATÔMICA
Ligações atômicas
Forças de Van der Waals:
Ácido fluorídrico, HF
(a) Nas moléculas assimétricas ocorre um desbalanceamento elétrico
denominado polarização.
(b) Este desbalanceamento produz um dipolo elétrico com uma extremidade
positiva e outra negativa.
(c) Os dipolos resultantes originam forças de atração secundárias entre as
moléculas. A extremidade positiva de um dipolo é atraída pela negativa de
outro.
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ESTRUTURA ATÔMICA
Ligações atômicas
Forças de Van der Waals:
Pontes de hidrogênio:
É um caso particular de atração por moléculas polares, em que a carga positiva
do núcleo do átomo de hidrogênio de uma molécula é atraída pelos elétrons
de valência de átomos de moléculas adjacentes.
Exemplo: água.
É a mais forte dentre as ligações
secundárias.
Energia de ligação:
Pontes de hidrogênio ≈ 30 kJ/mol
Dipolos ≈ 5 kJ/mol
Influi no comportamento da água:
tensão superficial, viscosidade e
fenômenos de sorção, em geral.
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ESTRUTURA ATÔMICA
Ligações atômicas
Exemplo na engenharia:
Aditivos químicos plastificantes e superplastificantes.
Antes Depois
Aglomeração e dispersão das partículas de
cimento em argamassas e concretos
Cadeias de aditivos envolvem as partículas
de cimento, conferindo a estas cargas ESTRUTURA ATÔMICA E MOLECULAR DOS MATERIAIS
Profa. Nayara S. Klein
ESTRUTURA ATÔMICA
Ligações atômicas
Exemplo na engenharia:
Aditivos químicos plastificantes e superplastificantes.
Slump test: concreto convencional e concreto auto-adensável, CAA-
O uso de aditivo superplastificante faz com que os aglomerados de partículas
de cimento sejam separados, liberando a água presente em seu interior. Esta
água livre, fica então disponível para fluidificar o concreto fresco.
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ESTRUTURA ATÔMICA
Ligações atômicas
Exemplo na engenharia:
Aditivos químicos plastificantes e superplastificantes.
Aplicação de CAA: elimina a etapa
de vibração/adensamento
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Facilita o lançamento em elementos
densamente armados
Profa. Nayara S. Klein
ESTRUTURA ATÔMICA
Ligações atômicas
Exemplo na engenharia:
Aditivos químicos plastificantes e superplastificantes.
Liberdade em formas complexas com o CAA
Sagrada Família, Barcelona-Espanha: vista interior
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Profa. Nayara S. Klein
ESTRUTURA ATÔMICA
Ligações atômicas
Exemplo na engenharia:
Aditivos químicos plastificantes e superplastificantes.
Liberdade em formas complexas com o CAA
Fira, Barcelona-Espanha: vista interior
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Profa. Nayara S. Klein
ESTRUTURA ATÔMICA
Ligações atômicas
Resumindo...
Ligação
Energia de ligação (kJ/mol)
Iônica
625 – 1550
Covalente
520 – 1250
Metálica
100 – 800
Forças de Van der Waals
< 40
Fonte: ASKELAND, 1990
Energia de ligação: energia mínima requerida para criar ou quebrar a ligação.
A força que une um ou mais átomos, ou moléculas, depende do tipo de
ligação e dos elementos envolvidos, estando relacionada com o espaço
interatômico.
Ex. de propriedade dos materiais afetada: módulo de elasticidade.
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Profa. Nayara S. Klein
ESTRUTURA ATÔMICA
Ligações atômicas
Características dos principais materiais:
Materiais
Tipo de ligação
predominante
Informações gerais
Metais
Metálica
Metais apresentam elevada ductilidade e
condutividade elétrica e térmica: os elétrons livres
transferem com facilidade carga elétrica e energia
térmica.
Cerâmicos e
vidros
Iônica, mas às vezes
aparecem em
conjunto com
ligações covalentes
Cerâmicas em geral são duras e frágeis, com baixa
ductilidade e baixas condutividades elétrica e
térmica: não existem elétrons livres, e ligações
iônicas e covalentes têm alta energia de ligação.
Polímeros
Covalente, mas às
vezes existem
ligações secundárias
entre cadeias
Polímeros podem ser pouco dúcteis e, em geral, são
pobres condutores elétricos. Se existirem ligações
secundárias, podem ter sua ductilidade bastante
aumentada, com quedas de resistência e do ponto
de fusão.
Fonte: SHACKELFORD, 2010
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Profa. Nayara S. Klein
ARRANJOS ATÔMICOS
Introdução
Estrutura molecular:
As moléculas se atraem por forças de coesão polares, devidas à distribuição
desigual das cargas positivas e negativas na molécula (dipolos elétricos).
As forças de coesão determinam as propriedades físicas e químicas dos
materiais, sendo influenciadas pela temperatura, pressão, campos elétricos
ou magnéticos, esforços mecânicos, etc.
Logo, o estado físico que os materiais se apresentam é consequência das
forças de atração entre os átomos e as moléculas que o constituem.
Gases e líquidos têm a capacidade de fluir, são chamados de fluídos.
Sólidos: moléculas muito próximas, mantém posição por atração e coesão.
Nos materiais sólidos, os arranjos atômicos irão definir comportamentos
importantes, podendo ser: estrutura cristalina ou amorfa.
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ARRANJOS ATÔMICOS
Introdução
Arranjo atômico dos sólidos:
Estrutura cristalina
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Estrutura amorfa
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ARRANJOS ATÔMICOS
Estrutura cristalina
Sólidos com estrutura cristalina apresentam disposição geométrica regular
dos átomos. Ex.: metais, materiais cerâmicos.
Corpo cristalizado é anisotrópico.
Anisotropia: variação de propriedades físicas de um cristal
segundo a direção em que se determina.
Mica: planos de clivagem
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Calcita: planos de
clivagem
Halita: planos de clivagem
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ARRANJOS ATÔMICOS
Estrutura cristalina
Ca(OH)2
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ARRANJOS ATÔMICOS
Estrutura cristalina
Quartzo: areia
Aço
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ARRANJOS ATÔMICOS
Estrutura cristalina
Estrutura cristalina do hidróxido de cálcio, ou cal hidratada
Micrografia de MEV mostrando as estruturas
hexagonais dos cristais de Ca(OH)2, hidróxido de cálcio
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ARRANJOS ATÔMICOS
Estrutura cristalina
Estrutura cristalina dos produtos
de hidratação do cimento Portland
Micrografia MEV do cimento Portland
hidratado, mostrando os cristais de
etringita (agulhas) e monossulfato
hidratado (placas)
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ARRANJOS ATÔMICOS
Estrutura cristalina
Estrutura cristalina de metais: os metais são compostos por aglomerados
de cristais, formando uma estrutura granular perfeitamente visível.
Metalografias mostrando os grãos de cristais de um aço manganês (esquerda) e
de uma liga zinco-níquel (direita)
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ARRANJOS ATÔMICOS
Estrutura cristalina
Todos os cristais apresentam reticulado cristalino, que obedece a uma das
14 formas geométricas possíveis (reticulados ou redes de Bravais).
A visualização e a identificação do reticulado cristalino é possível através de
microscopia eletrônica de varredura, MEV.
MEV: Microscopia eletrônica de varredura
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ARRANJOS ATÔMICOS
Estrutura cristalina
Polimorfismo:
Alguns metais ou não-metais podem ter mais do que uma estrutura
cristalina.
Ex.: Carbono
Grafita: condições ambientes;
Diamante: condições extremamente elevadas de pressão e temperatura.
Grafita
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Diamante
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ARRANJOS ATÔMICOS
Estrutura cristalina
Polimorfismo:
O processo Calera
mimetiza as formações
geológicas de carbonato
de cálcio encontradas na
natureza, sendo aplicado
como cimento.
Informações:
http://www.calera.com/
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Profa. Nayara S. Klein
ARRANJOS ATÔMICOS
Estrutura cristalina
Polimorfismo:
O CaCO3, carbonato de cálcio,
apresenta três polimorfos:
• Calcita
• Aragonita
• Vaterita
Calcita
Aragonita
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ARRANJOS ATÔMICOS
Estrutura cristalina
Processo Calera:
Consiste em produzir a vaterita, estável na ausência de água.
Quando água e aditivos são adicionados, a vaterita se dissolve e se
recristaliza como aragonita, sendo este material de alta resistência.
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Profa. Nayara S. Klein
ARRANJOS ATÔMICOS
Estrutura amorfa
Sólidos com estrutura amorfa ou vítrea não apresentam periodicidade ou
ordem estrutural em um estado normal. Ex.: vidro.
Estrutura cristalina
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Estrutura amorfa
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ARRANJOS ATÔMICOS
Estrutura amorfa
Os sólidos com estrutura amorfa são obtidos pelo resfriamento rápido, não
dando tempo para que a ordenação dos cristais e a formação da estrutura
cristalina ocorra.
Nos materiais amorfos, reduz-se a capacidade de mobilidade das moléculas
durante a solidificação rápida, de modo que estas moléculas não têm
tempo de se arranjarem em estruturas cristalinas.
Erupções vulcânicas produzem
condições ideais para a formação de
cinzas com estrutura amorfa
ESTRUTURA ATÔMICA E MOLECULAR DOS MATERIAIS
Adições minerais de origem vulcânica:
resultante das erupções
Profa. Nayara S. Klein
ARRANJOS ATÔMICOS
Estrutura amorfa
A estrutura cristalina é a forma de organização da matéria de mínima
energia, sendo o arranjo molecular mais estável, para o qual todo processo
de transformação tende.
• Estrutura cristalina → material estável
• Estrutura amorfa → material reativo
Adições minerais para
concreto
Estrutura cristalina
ESTRUTURA ATÔMICA E MOLECULAR DOS MATERIAIS
Estrutura amorfa
Sílica ativa: elevada
reatividade
Profa. Nayara S. Klein
SUBSTÂNCIAS E MISTURAS
Definições
Substâncias são compostas apenas de um tipo de moléculas ou átomos.
Substância simples são constituídas por um único tipo de átomo.
Exemplos:
Metal ferro - Fe2
Gás oxigênio - O2.
Substância composta constituída por mais de um tipo de átomo.
Exemplos:
Água pura - H2O
Sal comum - NaCl
Misturas consistem em duas ou mais substâncias misturadas.
Podendo ser:
Homogêneas
Heterogêneas.
ESTRUTURA ATÔMICA E MOLECULAR DOS MATERIAIS
Profa. Nayara S. Klein
SUBSTÂNCIAS E MISTURAS
Definições
Misturas homogêneas e heterogêneas
ESTRUTURA ATÔMICA E MOLECULAR DOS MATERIAIS
Profa. Nayara S. Klein
SUBSTÂNCIAS E MISTURAS
Definições
Misturas homogêneas e heterogêneas
Qual a diferença entre uma solução homogênea e uma substância pura?
A água (substância pura) ferve a temperatura constante. Porém, se a água
for salgada (água + sal), quanto maior a % de sal dissolvido, maior será o
ponto de ebulição.
Pto. de ebulição de soluções varia com a concentração dos componentes.
Uma mistura de diferentes substâncias líquidas apresenta diferentes
temperaturas de ebulição, uma para cada líquido. Pode-se separá-los pela
destilação.
Exemplo: Destilação do petróleo.
ESTRUTURA ATÔMICA E MOLECULAR DOS MATERIAIS
Profa. Nayara S. Klein
SUBSTÂNCIAS E MISTURAS
Definições
Misturas homogêneas e heterogêneas
As substâncias e misturas apresentam-se em qualquer dos três estados:
sólido, líquido ou gasoso.
Misturas líquidas homogênea
(solução) e heterogênea
ESTRUTURA ATÔMICA E MOLECULAR DOS MATERIAIS
Mistura heterogênea em estado
sólido: Granito, grãos de quartzo
(branco), mica (preta) e feldspato
(rosa) e outros minérios
Profa. Nayara S. Klein
SUBSTÂNCIAS E MISTURAS
Definições
Estudo dos materiais de construção
ESTRUTURA ATÔMICA E MOLECULAR DOS MATERIAIS
Profa. Nayara S. Klein
OBRIGADA PELA ATENÇÃO!
Estrutura atômica e molecular dos materiais
NAYARA S. KLEIN
[email protected]
CASCUDO, O. Estrutura atômica e molecular dos materiais. Materiais de
construção e princípios de ciência e engenharia de materiais, capítulo 6, editado
por G. Isaia. São Paulo: IBRACON, 2010.
TC 030 MATERIAIS DE CONSTRUÇÃO I
1, 2, 3 TESTANDO…
Estrutura atômica e molecular dos materiais
NAYARA S. KLEIN
[email protected]
1) Porque as partículas de cimento sofrem aglomeração?
2) Porque os metais são bons condutores de eletricidade?
3) Porque o ambiente marinho é prejudicial para a durabilidade das estruturas
de concreto?
4) Os primeiros concretos produzidos e aplicados em estruturas, segundo
registros históricos, utilizaram cinzas vulcânicas como material ligante.
Porque estas cinzas apresentam elevada reatividade, justificando seu uso
como materiais cimentantes?
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