Aula02-EstruturaAtomica_Elementos

Disc. Engenharia dos Materiais
Prof. Marcos Lopes
Aula02 – Estrutura Atômica e os Elementos
Objetivos:
•
Descrever a estrutura do átomo no modelo planetário;
•
Descrever de forma sucinta as ligações iônica, covalente, metálica e as
forças de Van der Waals;
•
Identificar quais os materiais exibem cada um desses tipos de ligação;
Estrutura Atômica e os Elementos:
Unidade básica estrutural: átomo
Um átomo tem um núcleo (carga +) e algum número suficiente de elétrons (carga -)
ao seu redor.
Um átomo em estado estável tem cargas balanceadas.
O núcleo é composto por prótons (carga +) e nêutrons (neutro).
Um elétron apresenta 1/1836 da massa de um nêutron.
A carga do elétron vale 1,609x10-19 C (Coulomb).
A carga do próton é numericamente igual, porém de sinal oposto.
A massa total do átomo é proporcional ao número de prótons e nêutrons (massa do
elétron é 1/1836 da massa do próton).
Massa do próton ou nêutron: 1,67x10-27 Kg.
Massa do elétron: 9,11x10-31 Kg.
A massa de um elemento é denominada de MASSA (PESO) ATÔMICA (A),
expressa em gramas por átomo-grama.
Um átomo-grama contém 6,023x1023 átomos (número de avogrado).
O número de prótons no núcleo caracteriza o NÚMERO ATÔMICO (Z).
A maioria das propriedades de interesse para a engenharia é influenciada pelos
elétrons, principalmente os mais externos.
Eles determinam as propriedades químicas, estabelecem a natureza da ligação
interatômica, controlam o tamanho dos átomos e afetam a condutividade elétrica.
Existem pouco mais de 100 elementos, eles formam todos os materiais.
Cada elemento pode existir como sólido, líquido ou gás, dependendo da pressão e
da temperatura.
Na pressão temperatura atmosféricas eles tem cada um uma fase natural.
Muitas das similaridades e diferenças dos elementos podem ser explicadas pelas
suas estruturas atômicas.
Vamos usar o modelo planetário (Bohr) para algumas explicações.
FIGURA 1.2
Existe um número máximo de elétrons que pode conter num dado orbital: 2n 2
n: identifica o orbital, n=1 o mais próximo do núcleo.
O número de elétrons na camada mais externa é que determina as afinidades
existentes entre os átomos.
Essa camada é chamada de camada de valência.
Por exemplo, o átomo de H tem um elétron na camada de valência e portanto
combina facilmente com outro elétron (e estabiliza essa camada).
O H2O também é outro exemplo da facilidade do H de reagir com outros elementos.
O He é bastante estável por ter 2 elétrons (máximo) na camada de valência.
O átomo de Sódio (Na) reage muito forte com o átomo de Flúor (F): Fluoreto de
sódio.
Quando os números atômicos aumentam, torna-se complicado a previsão de
elétrons na camada de valência.
Atrações Interatômicas:
Os estados sólidos, líquidos e gasosos dos materiais estão diretamente ligados às
atrações que mantém os átomos unidos.
As atrações interatômicas são conseqüência da estrutura eletrônica dos átomos.
Átomos de gases nobre (inertes quimicamente) tais como He, Ne, Ar, apresentam
uma pequena atração pelos outros átomos porque eles têm um arranjo muito
estável. São também eletricamente neutros com mesmo número de elétrons e
prótons.
A maior parte dos demais elementos deve adquirir estabilidade na camada mais
externa de uma das formas:
 Recebendo elétrons;
 Perdendo elétrons;
 Compartilhando elétrons;
Os dois primeiros processos produzem íons negativos e positivos.
Quando aplicados, os três processos citados produzem ligações fortes: aprox. 100
Kcal/mol (100.000 cal/6,023x1023 ligações) são requeridos para quebrar tais
ligações.
Existem outras ligações mais fracas, mas são relevantes quando não existem as
ligações fortes citadas.
Ligação iônica:
A ligação interatômica mais fácil de ser descrita é a ligação iônica.
Resulta de uma atração mútua entre íons positivos e negativos.
Átomos de Sódio e Cálcio, por exemplo, com 1 e 2 elétrons na camada de valência
perdem muito facilmente esse elétrons e se tornam íons positivos (cátions).
Por outro lado átomos de Cloro e Oxigênio facilmente recebem esses elétrons e se
tornam íons negativos (ânions).
Figura 1.4
Exemplo de ligação desse tipo é o Na+Cl-
É de se imaginar que os íons positivos de Na se juntem aos pares aos íons
negativos do Cl.
Isso realmente não ocorre dessa forma porque senão eles se ligariam aos pares.
O que ocorre é uma atração mútua como demonstra a Figura 1.5.
Ligação covalente:
Muitas vezes um átomo pode adquirir oito elétrons na camada de valência
compartilhando elétrons com um átomo adjacente.
O exemplo mais simples é o da molécula de H2. Figura 1.6 e Figura 1.7.
Por conseqüência a ligação covalente pode ser considerada como uma ligação de
elétrons carregados negativamente entre núcleos positivos.
Ligações covalentes implicam em intensas forças de atração entre os átomos.
Isto pode ser evidenciado pelo diamante que é inteiramente composto por átomos
de carbono.
Cada átomo de carbono tem quatro elétrons na camada de valência que são
compartilhados com quatro átomos adjacentes formando um retículo tridimensional
como na Figura 1.8.
O diamante é o material mais duro encontrado na natureza e pode ser aquecido até
cerca de 3300 oC antes de se destruir.
Ligação metálica:
A ligação metálica é o terceiro tipo de ligação forte.
Não existe um modelo tão compreensível como o da ligação iônica e o da ligação
covalente.
Numa visão simplificada, átomos livres (quando são poucos na camada de valência)
originam uma nuvem de elétrons livres juntamente com íons positivos.
Os íons positivos e a nuvem eletrônica negativa originam forças de atração que
ligam os átomos do metal entre si.
Figura 1.9
Essa explicação é simples, mas permite explicar várias propriedades dos metais:
 O arranjo cristalino dos átomos de um metal sólido determina várias
propriedades mecânicas;
 A nuvem de elétrons livres dá elevada condutividade elétrica, pois se
movimentam facilmente sob um campo elétrico;
 De forma similar temos alta condutividade térmica dada pela nuvem de
elétrons livres;
Ligações secundárias:
São agrupadas sob o nome genérico de forças de Van der Waals (físico holandês
Johannes Diderik Van der Waals, 1873).
São forças fracas em relação as 3 forças citadas anteriormente.
Às vezes são as únicas forças atuantes.
A atuação das ligações secundárias pode ser verificada quando um gás nobre como
o Hélio, Neônio ou o Argônio é submetido à temperaturas muito baixas e se
condensam.
A condensação é resultado da atuação de ligações secundárias, pois esses gases
não apresentam elétrons livres na camada de valência e, portanto não se aplica a
ligação iônica, nem a ligação covalente e nem a ligação metálica.
Tabela 1.1
Polarização molecular:
A maior parte das forças de Van der Waals se origina de dipolos elétricos que pode
ser ilustrado com a molécula de Fluoreto de Hidrogênio.
Numa ligação covalente o átomo do Flúor compartilha um elétron com o átomo do
Hidrogênio.
No entanto o F (Z = 9) é maior do que o Hidrogênio (Z = 1) e a ligação ocorre de
forma assimétrica (Figura 1.10).
O par compartilhado circunda com mais eficiência o núcleo do F. É como se o H
tivesse cedido o elétron para o F numa ligação iônica.
O centro de carga positiva não coincide com o centro de carga negativa e gera um
dipolo elétrico.
Um dipolo elétrico é formado em toda molécula assimétrica.
Figura 1.10
Efeitos de dispersão:
Em moléculas simétricas e nos átomos de todos os gases nobres, uma polarização
momentânea ocorre como resultado do movimento casual dos elétrons.
Evidenciado no fato de moléculas simétricas e gases monoatômicos se
condensarem em temperaturas baixas.
Figura 1.11
Ponte de Hidrogênio:
Caso especial da polarização molecular.
A existência dessa ligação provoca a atração entre moléculas de H2O.
Responsável pelo alto ponto de ebulição e elevado calor de vaporização da água.
Conseqüência da atração dos núcleos “expostos” de Hidrogênio.
Figura 1.12
Algumas propriedades dos materiais:
As propriedades podem ser divididas em: físicas (mecânicas, térmicas e elétricas) e
químicas.
O grupo de propriedades físicas determina o comportamento do material em todas
as circunstâncias do processo de fabricação e de utilização.
Propriedades mecânicas:
Aparecem quando o material está sujeito a esforços de natureza mecânica.
Determinam a maior ou menor capacidade que o material tem para transmitir ou
resistir a esforços que lhe são aplicados.
Essa capacidade é necessária durante o processo de fabricação e durante a
utilização do material.
É o conjunto de propriedades mais importantes, para escolha de matéria prima, do
ponto de vista da indústria mecânica.
A mais importante das propriedades desse grupo é a resistência mecânica.
Essa propriedade permite que o material seja capaz de resistir à ação de forças de
tração e compressão.
Está ligada às forças internas de atração existentes entre as partículas que
compõem o material.
Ex.: resistência a tração é importante para materiais de cabos de um guindaste.
Ex.: a elasticidade deve estar presente na fabricação de molas de veículos.
Elasticidade é a capacidade do material de se deformar submetido à força, e de
voltar à forma original quando o esforço termina (borracha, por ex.).
Plasticidade (ou flexibilidade) é a capacidade do material se deformar e manter a
forma quando o esforço termina (bom para processos de conformação mecânica).
Prensagem para fabricação de carroceria de veículos, laminação para fabricação de
chapas, extrusão para fabricação de tubos, etc.
Fragilidade é também uma propriedade no qual o material apresenta baixa
resistência aos choques: vidro, cerâmicas comuns, etc.
Ductibilidade e a maleabilidade são propriedades que relacionam com a capacidade
do material de sofrer tensão cisalhante e não fraturar. Importante para os materiais
moldados por deformação.
A maleabilidade se refere à conformação do material em lâminas e a ductibilidade à
conformação do material em fios.
Outra propriedade importante é a densidade do material que é devida basicamente à
massa atômica e raio atômico.
Propriedades térmicas:
Determinam o comportamento do material quando submetido a variações de
temperatura.
No processamento a na utilização. Por exemplo, na fabricação de ferramentas de
corte.
O ponto de fusão (temperatura que o material passa de sólido para líquido) é uma
propriedade muito importante na utilização de materiais.
O ponto de ebulição (temperatura que o material passa de líquido para gás) é outra
importante propriedade.
A dilatação térmica define o quanto um material aumenta de tamanho quando a
temperatura sobe (vãos de pontes e estruturas metálicas).
Condutividade térmica é a capacidade do material de conduzir calor. Depende muito
dos elétrons livres.
Propriedades elétricas:
A condutividade elétrica é uma das principais propriedades e os metais são bons
condutores (cobre, por exemplo).
Dependente das ligações atômicas.
Materiais iônicos e covalentes são condutores fracos.
Os metais são bons devido a nuvem de elétrons livres.
A resistividade por sua vez é a resistência que o material oferece à passagem da
corrente elétrica.
Presentes nos materiais maus condutores de eletricidade (plástico, por exemplo).
Nos semicondutores, a condutividade também é devida à liberação do movimento
dos elétrons.
Propriedades químicas:
Manifestam-se quando um material entra em contato com outros materiais ou com o
ambiente.
Presença ou ausência de resistência à corrosão aos ácidos e às soluções salinas.
O alumínio resiste bem à corrosão do ambiente, já o ferro oxida.
O número de elétrons de valência é uma das principais características dos
elementos que influenciam nas propriedades químicas do material.
Todas as reações químicas envolvem formação ou ruptura de ligações.
Para a engenharia a corrosão é a principal propriedade química.
Na corrosão a separação de um íon metálico de um metal envolve a remoção dos
elétrons de valência do átomo.
Resumo sobre Materiais:
Pode-se classificar a maioria dos materiais em 3 tipos:
Metais, poliméricos e cerâmicos.
Os metais são compostos por elementos cujos átomos perdem elétrons facilmente
(ligação metálica).
Elementos não metálicos que compartilham elétrons (ligação covalente) formam os
materiais orgânicos como os polímeros (plásticos).
Materiais cerâmicos contêm elementos metálicos e não-metálicos: MgO, SiO2,
vidros (ligações iônicas e covalentes).
As 3 categorias citadas, às vezes, não são nitidamente delineadas.
Temos materiais intermediários entre os cerâmicos e os plásticos (silicones, por
exemplo).
Os semicondutores podem ser considerados como metais ou como materiais
cerâmicos dependendo da composição.
O grafite também é outro material que não se encaixa em nenhuma das
classificações básicas.