TC030 Estrutura atômica da matéria e ligações - DCC
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Grupo de Materiais de Construção Departamento de Construção Civil Universidade Federal do Paraná Departamento de Construção Civil Disciplina: TC 030 MATERIAIS DE CONSTRUÇÃO I Definições ESTRUTURA ATÔMICA Prof. Marcelo Medeiros Universidade Federal do Paraná Química e propriedades da água Química: Estrutura atômica e molecular dos materiais PROF. JOSÉ FREITAS PROFa. NAYARA S. KLEIN ADAPTADO POR: PROF. RONALDO MEDEIROS-JUNIOR Ciência que estuda as substâncias, suas propriedades, suas composições e suas transformações. Matéria: É tudo que tem massa e ocupa espaço. Constituída por partículas muito pequenas chamadas moléculas, cuja ordem de grandeza é de 10-10 cm. 1 cm3 de água (H2O) contém 33 X 1021 moléculas 2 Departamento de Construção Civil ESTRUTURA ATÔMICA Prof. Marcelo Medeiros Substâncias e misturas Universidade Federal do Paraná Departamento de Construção Civil ESTRUTURA ATÔMICA Prof. Marcelo Medeiros Substâncias e misturas Universidade Federal do Paraná Misturas: Substâncias: Consiste em duas ou mais substâncias misturadas. Compostas apenas de um tipo de moléculas ou átomos. Algumas podem ser identificadas visualmente. Substância simples formada por um único tipo de constituinte. Exemplos: Metal ferro - Fe2 Gás oxigênio - O2. Exemplo: Substância composta formada por mais de um tipo de constituinte. Exemplos: Água pura - H2O Sal comum - NaCl 3 Departamento de Construção Civil ESTRUTURA ATÔMICA Prof. Marcelo Medeiros Substâncias e misturas Universidade Federal do Paraná Granito - grãos de quartzo branco, mica preta e feldspato rosa e outros minérios. Outras misturas requerem outros métodos de verificação. Departamento de Construção Civil 4 ESTRUTURA ATÔMICA Prof. Marcelo Medeiros Estados da matéria Universidade Federal do Paraná A matéria pode existir em três estados: • Sólido - Mantém volume e forma. Leite – a olho nu só se vê um líquido branco. Com microscópio observa-se partículas brancas e constata que é uma mistura. • Líquido - Mantém volume, adquire a forma do recipiente. Água salgada – Não se vê de forma alguma o sal (íons) dissolvido. É necessário evaporar a água para observar o sal. • Gás - Não mantém volume nem forma, varia com o recipiente. 5 6 Direitos Reservados UFPR 1 Grupo de Materiais de Construção Departamento de Construção Civil Universidade Federal do Paraná Departamento de Construção Civil ESTRUTURA ATÔMICA Prof. Marcelo Medeiros Estados da matéria Universidade Federal do Paraná Departamento de Construção Civil ESTRUTURA ATÔMICA Prof. Marcelo Medeiros Estados da matéria Universidade Federal do Paraná Sólidos – Gases e líquidos têm a capacidade de fluir, são chamados de fluídos. Sólidos – moléculas, muito próximas, mantém posição por atração e coesão. Estado cristalino -> Disposição geométrica regular das moléculas. Corpo cristalizado é anisotrópico, propriedades variam segundo a direção em que são medidas. Estado amorfo -> Disposição irregular das moléculas. Obs.: Líquido pode ser obtido a partir de um sólido, pela diminuição das forças de atração ou de coesão. Obs.: Gás é obtido pela supressão das forças atração ou de coesão. 7 Departamento de Construção Civil Misturas 8 ESTRUTURA ATÔMICA Prof. Marcelo Medeiros Departamento de Construção Civil Misturas Universidade Federal do Paraná ESTRUTURA ATÔMICA Prof. Marcelo Medeiros Universidade Federal do Paraná Misturas homogêneas e heterogêneas: Misturas homogêneas e heterogêneas: Mistura homogênea - apresenta apenas uma fase = SOLUÇÃO Exemplos: água salgada, gasolina, ar, etc. Distinção entre solução e substância pura: pela medida da temperatura nas mudanças de estado. Apresenta-se em qualquer dos três estados, sólida, líquida ou gasosa. Os componentes de uma solução podem ser separados por processos físicos, sem o uso de reações químicas. Substância pura = água = ferve a temperatura constante. Pto. de ebulição de solução varia c/ concentração dos componentes: Exemplo: água salgada, quanto maior for a % de sal dissolvido, maior será o ponto de ebulição. Mistura de líquidos apresenta diferentes temperaturas de ebulição, uma p/ cada líquido. Pode-se separa-los pela destilação. Exemplo: Petróleo. 9 Departamento de Construção Civil Misturas ESTRUTURA ATÔMICA Prof. Marcelo Medeiros 10 Departamento de Construção Civil ESTRUTURA ATÔMICA Prof. Marcelo Medeiros Lembrando...Universidade Federal do Paraná Universidade Federal do Paraná Dos átomos a matéria: Soluções e misturas: Átomos Moléculas Substâncias Solução Mistura Matéria 11 Sólido Líquido Gás 12 Direitos Reservados UFPR 2 Grupo de Materiais de Construção Departamento de Construção Civil Universidade Federal do Paraná Departamento de Construção Civil ESTRUTURA ATÔMICA Prof. Marcelo Medeiros Transformações Departamento de Construção Civil ESTRUTURA ATÔMICA Prof. Marcelo Medeiros Transformações Universidade Federal do Paraná Universidade Federal do Paraná As transformações da matéria: Transformações químicas: São mais significativas do que as transformações físicas. Podem ser físicas ou químicas. Substâncias são destruídas e novas são formadas. Transformações físicas não alteram a identidade das substâncias. Exemplo de transformação ou reação química: Exemplos: Chumbo fundido (derretido) continua sendo chumbo. Água gelada, gelo, continua sendo água, agora no estado sólido. Ferro exposto à água: Um pedaço de ferro pode ser retorcido e continua sendo ferro. Ferro reage com o oxigênio e a água aparecendo a ferrugem. A ferrugem é uma substância nova = o óxido de ferro Reagentes = substâncias iniciais (ferro, oxigênio e água) 13 Departamento de Construção Civil ESTRUTURA ATÔMICA Prof. Marcelo Medeiros Transformações Universidade Federal do Paraná Produtos = novas substâncias formadas (óxido de ferro) Departamento de Construção Civil 14 ESTRUTURA ATÔMICA Prof. Marcelo Medeiros Transformações Universidade Federal do Paraná Leis das transformações químicas: Leis das transformações químicas: Primeira lei - A.L. Lavoisier, em 1774 Segunda: Lei da conservação da massa: Lei das proporções definidas: A soma das massas dos produtos é igual a soma das massas dos reagentes. A composição de um composto é fixa em massa. Não há destruição, nem criação de matéria, apenas transformação. Exemplo: Cloreto de sódio- 39,44% da massa total é sódio e 60,66% é cloro. Água- 11,19% de hidrogênio e 88,91% de oxigênio. Exemplo: Queima de papel - decompõe em gases e cinzas. A massa do papel é igual à massa das cinzas e dos gases produzidos na decomposição (queima). 15 Departamento de Construção Civil ESTRUTURA ATÔMICA Prof. Marcelo Medeiros Transformações Universidade Federal do Paraná 16 Departamento de Construção Civil ESTRUTURA ATÔMICA Prof. Marcelo Medeiros Transformações Universidade Federal do Paraná Energia Energia mecânica Termo bastante usado e de difícil definição. Energia é a habilidade (transformação). ou capacidade de produzir trabalho Formas: mecânica, elétrica, calor, nuclear, química e radiante. Trabalho mecânico é realizado quando um objeto é movimentado contra uma força de oposição. Exemplo: Ao levantarmos um objeto, realizamos trabalho sobre o objeto, porque o deslocamos contra a força de oposição da gravidade. 17 É a energia que um corpo possui devido a seu movimento ou posição. Energia cinética: (Ek) - É a energia de movimento. Depende da massa do corpo (m) e de sua velocidade (v). T = Ek = ½ mv2 Energia potencial: (Ep) Depende da posição do objeto, e não do seu movimento. Corpo ganha energia potencial quando é levantado contra a força da gravidade. V = Ep = W. h 18 Direitos Reservados UFPR 3 Grupo de Materiais de Construção Departamento de Construção Civil Universidade Federal do Paraná ESTRUTURA ATÔMICA Prof. Marcelo Medeiros Departamento de Construção Civil Transformações Departamento de Construção Civil ESTRUTURA ATÔMICA Prof. Marcelo Medeiros Transformações Universidade Federal do Paraná Universidade Federal do Paraná Energia mecânica Calor e temperatura: Energia pode ser transformada de uma forma para outra forma, não pode ser destruída e nem criada. Calor - energia transferida de um corpo mais quente para um mais frio. Temperatura - medida da energia cinética média das partículas de um corpo. Quando o calor é transferido para um corpo: a energia cinética média de suas partículas aumenta, estas movem-se mais rápido e a temperatura aumenta. 19 20 ESTRUTURA ATÔMICA Prof. Marcelo Medeiros Departamento de Construção Civil Transformações Universidade Federal do Paraná ESTRUTURA ATÔMICA Estrutura Atômica Calor e temperatura: A estrutura de um material pode ser dividida em 4 níveis: Calor - energia transferida de um corpo mais quente para um mais frio. Temperatura - medida da energia cinética média das partículas de um corpo. • • • • Estrutura atômica Arranjo atômico Microestrutura Macroestrutura Quando o calor é transferido p/ um corpo: a energia cinética média de suas partículas aumenta, estas movem-se mais rápido e a temperatura aumenta. No âmbito da engenharia, os estudos em níveis micro e macroestruturais (propriedades) são os mais importantes. Obs.: Algumas vezes a transferência de calor para um corpo não aumenta a sua temperatura. 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. Exemplo: Adição de calor ao gelo a 0ºC, não causa aumento de temperatura. O gelo forma água líquida a 0ºC. A energia na água líquida é maior do que a do gelo, a 0ºC. Estrutura eletrônica do átomo Natureza da ligação atômica Características micro e macroestruturais (Propriedades) 21 ESTRUTURA ATÔMICA Átomo Departamento de Construção Civil 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. ESTRUTURA ATÔMICA Prof. Marcelo Medeiros Universidade Federal do Paraná Átomo O núcleo é composto por: prótons positivos e nêutrons. Estas últimos equilibram as forças de repulsão dos prótons. TABELA PERIÓDICA Núcleo: prótons + nêutrons Modelo simplificado do átomo: modelo planetário, com núcleo no centro e elétrons orbitando a seu redor Os elétrons se mantêm ligados ao núcleo por atração eletrostática, já que estes têm cargas de sinais opostos. 24 Direitos Reservados UFPR 4 Grupo de Materiais de Construção Departamento de Construção Civil Universidade Federal do Paraná Departamento de Construção Civil Átomo ESTRUTURA ATÔMICA Prof. Marcelo Medeiros ESTRUTURA ATÔMICA Átomo Universidade Federal do Paraná 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. Constantes do núcleo: Número atômico: indica o número de prótons (ou elétrons) em cada átomo. Número de prótons Z Determina o número atômico, 1 (hidrogênio) a 92 (urânio), Indica igualmente a carga e o número de elétrons. Número atômico Z Massa atômica A Número de massa A Indica a soma de partículas prótons + nêutrons = massa atômica. Cada elemento tem um número atômico específico. 25 Núcleo de urânio composto de 238 partículas, das quais: 92 prótons e (238 - 92) = 146 nêutrons ESTRUTURA ATÔMICA Departamento de Construção Civil Átomo Átomo ESTRUTURA ATÔMICA Prof. Marcelo Medeiros Universidade Federal do Paraná Classificação Periódica dos Elementos 28 Departamento de Construção Civil Átomo ESTRUTURA ATÔMICA Prof. Marcelo Medeiros Departamento de Construção Civil Átomo Universidade Federal do Paraná 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 ESTRUTURA ATÔMICA Prof. Marcelo Medeiros Universidade Federal do Paraná O fato de os elétrons estarem em um mesmo nível quântico, a rigor não significa dizer que eles estão em um mesmo nível energético; trata-se de uma simplificação. Na verdade, há que se detalharem as posições energéticas dos elétrons dentro de um nível, o que é possível por meio de uma estrutura hierarquizada em termos de subníveis. 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 29 30 Direitos Reservados UFPR 5 Grupo de Materiais de Construção Departamento de Construção Civil Universidade Federal do Paraná ESTRUTURA ATÔMICA Prof. Marcelo Medeiros Departamento de Construção Civil Átomo Departamento de Construção Civil Átomo Universidade Federal do Paraná ESTRUTURA ATÔMICA Prof. Marcelo Medeiros Universidade Federal do Paraná Distribuição dos elétrons nos níveis e subníveis quânticos: Diagrama de Linus Pauling Estrutura eletrônica do Na Notação eletrônica: 1s2 2s2 2p6 3s1 31 Departamento de Construção Civil Moléculas ESTRUTURA ATÔMICA Prof. Marcelo Medeiros 32 Departamento de Construção Civil ESTRUTURA ATÔMICA Prof. Marcelo Medeiros Ligações atômicas Universidade Federal do Paraná Universidade Federal do Paraná Ligações atômicas • As propriedades químicas dos átomos são função da Em muitas substâncias, os átomos são agrupados em agregados de dois átomos ou mais. Tal agregado de átomos é chamado de molécula. última camada de elétrons. H2O NaCl Em uma molécula, os átomos componentes permanecem unidos por forças chamadas ligações químicas. • Átomos com a camada periférica completa: gases Molécula = composto de partículas de 2 ou mais átomos quimicamente ligados um ao outro. • São muito estáveis. Obs.: Gases, as moléculas estão afastadas. • Estabilidade permanente - átomo contenha 8 raros ou inertes elétrons na última camada (2 no caso do hélio). 33 Departamento de Construção Civil ESTRUTURA ATÔMICA Prof. Marcelo Medeiros Ligações atômicas 34 Departamento de Construção Civil ESTRUTURA ATÔMICA Prof. Marcelo Medeiros Ligações atômicas Universidade Federal do Paraná Universidade Federal do Paraná • Maioria das substâncias é composta por diversos elementos formando um composto químico estável. • Metais são elementos eletropositivos facilmente os elétrons da camada periférica. Liberam • Metalóides são eletronegativos Têm tendência a • O tipo de ligação química entre os elementos é determinado pelos elétrons do nível de valência, que definem a afinidade química dos elementos. completar a sua última camada periférica. • O número de elétrons cedido pelos metais = número absorvido pelos metalóides, define o número de ligações ou valências. • Mono, bi, tri, valentes = 1, 2, 3, ... valências. 35 36 Direitos Reservados UFPR 6 Grupo de Materiais de Construção Departamento de Construção Civil Universidade Federal do Paraná Departamento de Construção Civil ESTRUTURA ATÔMICA Prof. Marcelo Medeiros Departamento de Construção Civil Ligações atômicas Valência Universidade Federal do Paraná ESTRUTURA ATÔMICA Prof. Marcelo Medeiros Universidade Federal do Paraná VALÊNCIA DO 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) • Em geral, os átomos tendem a buscar um arranjo altamente estável (8 elétrons na camada de valência). • • • Átomos de baixa valência (=> 3) --> perde elétrons • As ligações entre os átomos, podem ocorrer por: Abandono de elétrons, de um átomo em benefício de outro (metal para metalóide). Utilização em comum de elétrons periféricos para completar a última camada (metalóide para metalóide); ligação por covalência, estável e frequente nos materiais plásticos. Átomos de valência 5 a 7 --> receber elétrons Átomos de valência 4 --> compartilham elétrons 37 38 ESTRUTURA ATÔMICA Departamento de Construção Civil Valência Valência ESTRUTURA ATÔMICA Prof. Marcelo Medeiros Universidade Federal do Paraná LIGAÇÃO ENTRE AS MOLÉCULAS VALÊNCIA DO ÁTOMO • Átomos ligam entre si por valência/covalência. Determina o tipo de ligação química que o átomo desenvolverá Ligação de valência: Ligação entre dois átomos é conseguida através da sobreposição de dois orbitrais atômicos semipreenchidos. Sobreposição refere-se a uma porção destas orbitais atômicas que ocupam o mesmo espaço. 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. • São influenciadas pela temperatura, pressão, campos elétricos ou magnéticos, esforços mecânicos, etc. • O estado físico que os materiais se apresentam, é consequência das forças de atração entre os átomos e 40 as moléculas que o constituem. Departamento de Construção Civil ESTRUTURA ATÔMICA Prof. Marcelo Medeiros Ligações atômicas 41 Departamento de Construção Civil ESTRUTURA ATÔMICA Prof. Marcelo Medeiros Ligações atômicas Universidade Federal do Paraná Universidade Federal do Paraná LIGAÇÕES ATÔMICAS LIGAÇÕES ATÔMICAS Ligações primárias (fortes): Ligações primárias (fortes): • Ligação iônica; • Ligação iônica; • Ligação covalente; • Ligação covalente; • Ligação metálica. • Ligação metálica. Ligações secundárias – forças de van der Walls: Ligações secundárias – forças de van der Walls: • Moléculas polares; • Moléculas polares; • Dipolos induzidos; • Dipolos induzidos; • Pontes de hidrogênio. • Pontes de hidrogênio. 41 42 Direitos Reservados UFPR 7 Grupo de Materiais de Construção Departamento de Construção Civil Universidade Federal do Paraná Departamento de Construção Civil ESTRUTURA ATÔMICA Prof. Marcelo Medeiros Ligações atômicas Departamento de Construção Civil ESTRUTURA ATÔMICA Prof. Marcelo Medeiros Ligações atômicas Universidade Federal do Paraná Universidade Federal do Paraná 43 44 IÔNICA IÔNICA • É a mais simples. Se explica pelo aparecimento de forças coulombianas (recebendo e doando elétrons). • Ocorre uma atração entre íons de carga elétrica contrária (íons positivos- cátions e íons negativos-ânions), motivada pelas forças coulombianas. • A atração dá-se em todas as direções. Busca pelo arranjo estável (8 elétrons) 43 Departamento de Construção Civil 44 ESTRUTURA ATÔMICA Prof. Marcelo Medeiros Ligações atômicas Departamento de Construção Civil ESTRUTURA ATÔMICA Prof. Marcelo Medeiros Ligações atômicas Universidade Federal do Paraná Universidade Federal do Paraná 45 46 IÔNICA Quando um átomo forte (grande eletronegatividade) se liga a um átomo fraco (baixa eletronegatividade), há transferência definitiva de elétrons do + fraco para o + forte. 45 46 ESTRUTURA ATÔMICA Ligações atômicas ESTRUTURA ATÔMICA Ligações atômicas Eletronegatividade ou caráter ametálico: propriedade periódica que mede a tendência de um átomo em ganhar elétrons. 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° - Obs.: Ao se retirar um elétron de um átomo, este deixa de ser neutro, pelo desequilíbrio entre seu número de prótons e de elétrons: ÍONS. Exemplo: os íons de sódio ficam envolvidos por íons de cloro; estes, por sua vez, ficam envolvidos por íons de sódio, com atração igual em todas as direções. Cátion + • Ânion - 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. Variação da eletronegatividade na tabela periódica Direitos Reservados UFPR 8 Grupo de Materiais de Construção Departamento de Construção Civil Universidade Federal do Paraná ESTRUTURA ATÔMICA ESTRUTURA ATÔMICA Ligações atômicas Ligações atômicas Propriedades físicas dos compostos iônicos: Propriedades físicas dos compostos iônicos: • Solubilidade em água (maioria); Exemplo na engenharia: • Condutividade elétrica quando fundidos ou dissolvidos em água; Carbonato de cálcio: CaCO3 • Quando submetidos a esforços mecânicos que ultrapassam sua capacidade resistente, normalmente apresentam comportamento frágil, isto é, apresentam-se pouco dúcteis, com baixas deformações até a ruptura. Carbonato de cálcio Perturbação no balanço elétrico que mantém os átomos fortemente ligados Departamento de Construção Civil ESTRUTURA ATÔMICA Prof. Marcelo Medeiros Ligações atômicas Departamento de Construção Civil ESTRUTURA ATÔMICA Prof. Marcelo Medeiros Ligações atômicas Universidade Federal do Paraná Universidade Federal do Paraná 52 Ligações primárias (fortes): COVALENTE • Ligação iônica; • • Ligação covalente; • Ligação metálica. A ligação dá-se por meio de uma aproximação muito intensa entre dois elementos químicos que vão se ligar, de maneira que alguns elétrons da última camada de valência de um dos átomos circundam o núcleo do outro átomo e vice-versa. Ligações secundárias – forças de van der Walls: Os elementos não perdem nem ganham elétrons, mas sim os compartilham (“pertencem” a eletrosfera dos dois átomos ligados, ao mesmo tempo). • Moléculas polares; • Dipolos induzidos; • Pontes de hidrogênio. 51 Composto covalente: Substância composta cujos componentes não apresentam carga elétrica e interagem entre si direcionalmente. ESTRUTURA ATÔMICA Ligações atômicas 52 ESTRUTURA ATÔMICA Ligações atômicas COVALENTE Formação dos compostos covalentes: COVALENTE 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. 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 Direitos Reservados UFPR 9 Grupo de Materiais de Construção Departamento de Construção Civil Universidade Federal do Paraná Departamento de Construção Civil ESTRUTURA ATÔMICA Prof. Marcelo Medeiros Ligações atômicas Departamento de Construção Civil ESTRUTURA ATÔMICA Prof. Marcelo Medeiros Ligações atômicas Universidade Federal do Paraná Universidade Federal do Paraná COVALENTE 55 COVALENTE • • O carbono tem 4 elétrons na camada de valência, compartilhando-os com 4 átomos de carbono adjacentes, formando um reticulado tridimensional todo ligado por pares covalentes; • Desta forma, cada átomo de carbono está ligado covalentemente a outros quatro átomos de carbono, originando uma estrutura rígida a três dimensões. A força de ligação covalente é evidenciada no diamante, constituído inteiramente por carbono. 55 Departamento de Construção Civil 56 ESTRUTURA ATÔMICA ESTRUTURA ATÔMICA Prof. Marcelo Medeiros Ligações atômicas Ligações atômicas Universidade Federal do Paraná Propriedades físicas dos compostos covalentes: COVALENTE • • • O grafite, como o diamante, é constituído por estruturas cristalinas de átomos de carbono, apenas diferindo no formato de estrutura que se apresentam. No grafite os átomos de carbono ligam-se a outros três, formando camadas (daí a potencialidade deste material para deslizar). A ligação covalente é fortemente direcional; Embora as ligações covalentes sejam muito fortes (para romper ligações covalentes: altas temperatura e altas voltagens), materiais ligados dessa maneira são, em geral, pouco dúcteis; Isso ocorre porque não se consegue facilmente alterar a posição relativa entre os átomos (o que propicia ductilidade ao material). • Isso ocorre porque não se consegue promover o transporte de carga elétrica via movimento de elétrons sem a ruptura das ligações covalentes (o que propicia condutividade elétrica). 57 ESTRUTURA ATÔMICA Ligações atômicas COVALENTE Propriedades físicas dos compostos covalentes: Exemplo na engenharia: Vidros: se estilhaçam; Polímeros: não são bons condutores elétricos; Aditivos: cadeias lineares que aderem à superfície das partículas de cimento. Apresentam, em geral, baixa condutividade elétrica. Departamento de Construção Civil ESTRUTURA ATÔMICA Prof. Marcelo Medeiros Ligações atômicas Universidade Federal do Paraná 60 Ligações primárias (fortes): • Ligação iônica; • Ligação covalente; • Ligação metálica. Ligações secundárias – forças de van der Walls: • Moléculas polares; • Dipolos induzidos; • Pontes de hidrogênio. 60 Direitos Reservados UFPR 10 Grupo de Materiais de Construção Departamento de Construção Civil Universidade Federal do Paraná Departamento de Construção Civil ESTRUTURA ATÔMICA Prof. Marcelo Medeiros Ligações atômicas Departamento de Construção Civil ESTRUTURA ATÔMICA Prof. Marcelo Medeiros Ligações atômicas Universidade Federal do Paraná Universidade Federal do Paraná 61 62 METÁLICA METÁLICA • Átomos com poucos elétrons de valência podem perdê-los com facilidade formação de uma “nuvem” de elétrons ao redor dos átomos. • Os demais são firmemente ligados ao núcleo. • Com a perda dos elétrons da última camada de valência, os átomos metálicos remanescentes tornamse íons positivos. • Com a saída dos elétrons da última camada, há um desbalanceamento elétrico, tendo o núcleo uma maior quantidade de cargas positivas do que a eletrosfera de negativas. 61 Departamento de Construção Civil ESTRUTURA ATÔMICA Prof. Marcelo Medeiros Ligações atômicas Departamento de Construção Civil 62 ESTRUTURA ATÔMICA Prof. Marcelo Medeiros Ligações atômicas Universidade Federal do Paraná Universidade Federal do Paraná 63 64 METÁLICA METÁLICA Os elétrons de valência passam então a não estar mais associados com algum átomo em particular; ao contrário, move-se livremente dentro da nuvem eletrônica, estando associado com vários núcleos de átomos. Dessa forma, o núcleo dos átomos carregados positivamente permanecem juntos formando uma rede de átomos, pela atração mútua que existe entre esses núcleos (positivos) e a nuvem eletrônica (negativa). 63 Departamento de Construção Civil 64 ESTRUTURA ATÔMICA ESTRUTURA ATÔMICA Prof. Marcelo Medeiros Ligações atômicas Ligações atômicas Universidade Federal do Paraná 65 Propriedades físicas dos compostos metálicos: METÁLICA • • Estruturas formadas por íons positivos e elétrons “livres” que fazem o papel de íons negativos aparecendo forças elétricas coulombianas de atração. 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, ao invés de haver quebra ou ruptura da ligação; Exemplo na engenharia: A ligação metálica pode ser considerada como uma atração entre íons positivos e elétrons livres. Exemplo : cobre 65 Aço para concreto armado: estricção antes da ruptura Direitos Reservados UFPR 11 Grupo de Materiais de Construção Departamento de Construção Civil Universidade Federal do Paraná ESTRUTURA ATÔMICA ESTRUTURA ATÔMICA Prof. Marcelo Medeiros Departamento de Construção Civil Ligações atômicas Ligações atômicas Universidade Federal do Paraná Os elétrons livres dão aos metais sua elevada condutibilidade elétrica e térmica. 68 Ligações primárias (fortes): Metais: substâncias simples, formados por um único elemento. • Ligação iônica; Ligas metálicas: materiais com propriedades metálicas que contêm dois ou mais elementos químicos sendo que pelo menos um deles é metal. • Ligação covalente; • Ligação metálica. Exemplo na engenharia: Aço para concreto armado. Ligações secundárias – forças de van der Walls: • Moléculas polares; O aço é uma liga metálica formada essencialmente por ferro e carbono, com percentagens deste último variando entre 0,008 e 2,11%. • Dipolos induzidos; • Pontes de hidrogênio. Armadura de aço para concreto armado 68 ESTRUTURA ATÔMICA Prof. Marcelo Medeiros Departamento de Construção Civil Ligações atômicas Universidade Federal do Paraná FORÇAS DE VAN DER WAALS 69 ESTRUTURA ATÔMICA Prof. Marcelo Medeiros Departamento de Construção Civil Ligações atômicas Universidade Federal do Paraná FORÇAS DE VAN DER WAALS 70 Moléculas polares: Moléculas polares: • É uma ligação secundária fraca, mas que também contribui para a atração interatômica. • São forças de atração que não envolvem cargas individuais ou transferência de elétrons. • O centro de carga positiva não coincide com o centro de carga negativa, originando o dipolo. • Dipolos elétricos: consequência da assimetria da molécula. • Existem entre todos os íons e átomos de um sólido, mas podem estar obscurecidas pelas ligações fortes presentes. + + - + - + - 69 Departamento de Construção Civil ESTRUTURA ATÔMICA Prof. Marcelo Medeiros Ligações atômicas Universidade Federal do Paraná 71 70 FORÇAS DE VAN DER WAALS Ácido fluorídrico Departamento de Construção Civil ESTRUTURA ATÔMICA Prof. Marcelo Medeiros Ligações atômicas Universidade Federal do Paraná 72 Ligações primárias (fortes): • Ligação iônica; • Ligação covalente; • Ligação metálica. Ligações secundárias – forças de van der Walls: (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. 71 • Moléculas polares; • Dipolos induzidos; • Pontes de hidrogênio. 72 Direitos Reservados UFPR 12 Grupo de Materiais de Construção Departamento de Construção Civil Universidade Federal do Paraná Departamento de Construção Civil ESTRUTURA ATÔMICA Prof. Marcelo Medeiros Ligações atômicas ESTRUTURA ATÔMICA Prof. Marcelo Medeiros Universidade Federal do Paraná FORÇAS DE VAN DER WAALS 73 Departamento de Construção Civil Ligações atômicas Universidade Federal do Paraná 74 Dipolos induzidos: Ligações primárias (fortes): -Moléculas inicialmente simétricas, que, por alguma razão, sofrem uma polarização momentânea; • Ligação iônica; • Ligação covalente; • Ligação metálica. Decorrente do movimento ao acaso dos elétrons e da vibração atômica (são os chamados: efeitos de dispersão). Ligações secundárias – forças de van der Walls: • Moléculas polares; • Dipolos induzidos; -Mesmo mecanismo descrito para moléculas polares; • Pontes de hidrogênio. 73 Departamento de Construção Civil ESTRUTURA ATÔMICA ESTRUTURA ATÔMICA Prof. Marcelo Medeiros Ligações atômicas Ligações atômicas Universidade Federal do Paraná FORÇAS DE VAN DER WAALS 75 74 Pontes de hidrogênio: 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. É a mais forte dentre as ligações secundárias. Tem efeito no comportamento da água: tensão superficial, viscosidade e fenômenos de sorção, em geral. Exemplo: água fenômenos decorrentes da interação de substâncias no interior ou na superfície de outras Atração entre o núcleo “exposto” de hidrogênio de uma molécula pelos elétrons não compartilhados do oxigênio da molécula adjacente. Departamento de Construção Civil 75 Ligações atômicas Universidade Federal do Paraná 77 ESTRUTURA ATÔMICA ESTRUTURA ATÔMICA Prof. Marcelo Medeiros Ligações atômicas FORÇAS DE VAN DER WAALS Exemplo na engenharia: Aditivos químicos plastificantes e superplastificantes. Antes Depois Exemplo na engenharia: Aglomeração e dispersão das partículas de cimento em argamassas e concretos Cadeias de aditivos envolvem as partículas de cimento, conferindo a estas cargas 77 Direitos Reservados UFPR 13 Grupo de Materiais de Construção Departamento de Construção Civil Universidade Federal do Paraná ESTRUTURA ATÔMICA Ligações atômicas ESTRUTURA ATÔMICA Ligações atômicas Exemplo na engenharia: Aditivos químicos plastificantes e superplastificantes. 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. Aplicação de CAA: elimina a etapa de vibração/adensamento Facilita o lançamento em elementos densamente armados ESTRUTURA ATÔMICA Ligações atômicas ESTRUTURA ATÔMICA Ligações atômicas Exemplo na engenharia: Aditivos químicos plastificantes e superplastificantes. Exemplo na engenharia: Aditivos químicos plastificantes e superplastificantes. Liberdade em formas complexas com o CAA Sagrada Família, Barcelona-Espanha: vista interior Liberdade em formas complexas com o CAA Fira, Barcelona-Espanha: vista interior ESTRUTURA ATÔMICA Ligações atômicas ESTRUTURA ATÔMICA Ligações atômicas Características dos principais materiais: Ligação Energia de ligação (kJ/mol) Iônica 625 – 1550 Covalente 520 – 1250 Metálica 100 – 800 Forças de Van der Waals Materiais Tipo de ligação predominante Metais Metálica Cerâmicos e vidros Iônica, ou 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. < 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 (capacidade de deformação, no regime elástico). Informações gerais Metais apresentam elevada ductilidade e condutividade elétrica e térmica: os elétrons livres transferem com facilidade carga elétrica e energia térmica. Fonte: SHACKELFORD, 2010 Direitos Reservados UFPR 14 Grupo de Materiais de Construção Departamento de Construção Civil Universidade Federal do Paraná Departamento de Construção Civil Disciplina: TC 030 MATERIAIS DE CONSTRUÇÃO I Introdução ARRANJOS ATÔMICOS Prof. Marcelo Medeiros Universidade Federal do Paraná MICROESTRUTURA DA MATÉRIA - ARRANJOS ATÔMICOS: 2 Química e propriedades da água • Os arranjos das estruturas moleculares, que formam a microestrutura da matéria, são diferentes a cada fase ou estado. • Sólidos = as moléculas estão muito próximas, mantêm-se no lugar pelas forças de atração e coesão. • Pode-se obter um líquido a partir de um sólido, pela diminuição das forças de atração ou de coesão. • Um gás é obtido pela supressão da quase totalidade das forças de atração ou de coesão. Estrutura atômica e molecular dos materiais PROF. JOSÉ FREITAS PROFa. NAYARA S. KLEIN ADAPTADO POR: PROF. RONALDO MEDEIROS-JUNIOR 2 ARRANJOS ATÔMICOS Departamento de Construção Civil Introdução 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). ARRANJOS ATÔMICOS Prof. Marcelo Medeiros Universidade Federal do Paraná 4 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. Nos materiais sólidos, os arranjos atômicos irão definir comportamentos importantes, podendo ser: estrutura cristalina ou amorfa. 4 Departamento de Construção Civil Microestrutura ARRANJOS ATÔMICOS Prof. Marcelo Medeiros Departamento de Construção Civil Microestrutura Universidade Federal do Paraná ARRANJOS ATÔMICOS Prof. Marcelo Medeiros Universidade Federal do Paraná Cristalinos: Arranjo dos átomos se repete ou que é periódico ao longo de grandes distâncias. Cristalino Ex: metais; materiais cerâmicos Material Não cristalino ou Amorfo: Disposição irregular das moléculas, sem forma simétrica. Não-cristalino ou amorfo Ex: Vidro; materiais cerâmicos; cinza de casca de arroz; sílica ativa; escória de alto forno 5 6 Direitos Reservados UFPR 1 Grupo de Materiais de Construção Departamento de Construção Civil Universidade Federal do Paraná ARRANJOS ATÔMICOS ARRANJOS ATÔMICOS Microestrutura Estrutura cristalina Sólidos com estrutura cristalina apresentam disposição geométrica regular dos átomos. Ex.: metais, materiais cerâmicos. Arranjo atômico dos sólidos: Corpo cristalizado é anisotrópico. Anisotropia: variação de propriedades físicas de um cristal segundo a direção em que se determina. Em determinadas direções formam-se faces, noutras arestas e noutras vértices. Estrutura cristalina Estrutura amorfa ARRANJOS ATÔMICOS ARRANJOS ATÔMICOS Prof. Marcelo Medeiros Departamento de Construção Civil Estrutura cristalina Estrutura cristalina Universidade Federal do Paraná Exemplo: um cristal de mica ou gesso pode separar-se em porções paralelas entre si e segundo um só plano. Esta propriedade que se designa clivagem revela que as forças de coesão do plano que se separam são muito fortes, enquanto as perpendiculares às mesmas são fracas. A clivagem é característica da estrutura cristalina e pode ser utilizada para a identificação de um mineral. Quando o valor de propriedade física é igual em todas as direções, o cristal é isotrópico para essa propriedade. Sal de cozinha, esferas verdes são os átomos de cloro (Cl-) e as esferas cinzas os átomos de sódio (Na+) Mica: planos de clivagem Calcita: planos de clivagem Cristais de produtos de cimento Portland hidratado Halita: planos de clivagem 10 ARRANJOS ATÔMICOS ARRANJOS ATÔMICOS Prof. Marcelo Medeiros Departamento de Construção Civil Estrutura cristalina Estrutura cristalina Universidade Federal do Paraná 11 • Todos os cristais têm reticulado cristalino, que obedece a uma das 14 formas geométricas possíveis. • Cada grupo espacial tem uma capacidade maior ou menor de adaptar-se às solicitações externas a que seja submetido. • A visualização e a identificação do reticulado cristalino é possível através de microscopia eletrônica. Ca(OH)2 MEV – Microscópio Eletrônico de Varredura 11 Direitos Reservados UFPR 2 Grupo de Materiais de Construção Departamento de Construção Civil Universidade Federal do Paraná ARRANJOS ATÔMICOS ARRANJOS ATÔMICOS Estrutura cristalina Estrutura cristalina Estrutura cristalina do hidróxido de cálcio, ou cal hidratada Quartzo: areia Micrografia de MEV mostrando as estruturas hexagonais dos cristais de Ca(OH)2, hidróxido de cálcio Aço ARRANJOS ATÔMICOS Departamento de Construção Civil Estrutura cristalina Universidade Federal do Paraná Estrutura cristalina dos produtos de hidratação do cimento Portland Os metais são compostos por aglomerados de cristais, formando uma estrutura granular perfeitamente visível. Micrografia MEV do cimento Portland hidratado, mostrando os cristais de etringita (agulhas) e monossulfato hidratado (placas) Departamento de Construção Civil ARRANJOS ATÔMICOS Prof. Marcelo Medeiros Estrutura cristalina Metalografias mostrando os grãos de cristais de um aço manganês (esquerda) e liga zinco-níquel (direita). 16 ARRANJOS ATÔMICOS Prof. Marcelo Medeiros Estrutura cristalina Departamento de Construção Civil ARRANJOS ATÔMICOS Prof. Marcelo Medeiros Estrutura cristalina Universidade Federal do Paraná Universidade Federal do Paraná O arranjo cristalino é a forma de organização da matéria de mínima energia. Cristais de zinco oxidado são visíveis na superfície de um poste de aço galvanizado. Variações nas tonalidades de cinza são decorrentes das diferentes orientações dos cristais. Estado cristalino é o mais estável para o qual todo processo de transformação tende. 17 18 Direitos Reservados UFPR 3 Grupo de Materiais de Construção Departamento de Construção Civil Universidade Federal do Paraná Departamento de Construção Civil ARRANJOS ATÔMICOS Prof. Marcelo Medeiros Estrutura cristalina Departamento de Construção Civil ARRANJOS ATÔMICOS Prof. Marcelo Medeiros Estrutura cristalina Universidade Federal do Paraná Universidade Federal do Paraná Polimorfismo: Polimorfismo: Alguns metais ou não-metais podem ter mais do que uma estrutura cristalina. Exemplo: Carbono • Grafita – condições ambientes • Diamante – em condições extremamente elevadas de pressão e temperatura Grafita Diamante Exemplo: Carbono • Grafita – condições ambientes • Diamante – em condições extremamente elevadas de pressão e temperatura 19 20 ARRANJOS ATÔMICOS Estrutura cristalina ARRANJOS ATÔMICOS Estrutura cristalina Polimorfismo: Polimorfismo: O processo Calera mimetiza as formações geológicas de carbonato de cálcio encontradas na natureza, sendo aplicado como cimento. O CaCO3, carbonato de cálcio, apresenta três polimorfos: • Calcita • Aragonita • Vaterita Informações: http://www.calera.com/ Calcita Aragonita 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. Departamento de Construção Civil Sólidos amorfo ARRANJOS ATÔMICOS Prof. Marcelo Medeiros Universidade Federal do Paraná Sólidos amorfos (ou vítrea): Não apresentam ordem estrutural em um estado normal. É possível alguns materiais poder mudar de estrutura cristalina para amorfa e vice-versa? 24 Direitos Reservados UFPR 4 Grupo de Materiais de Construção Departamento de Construção Civil Universidade Federal do Paraná ARRANJOS ATÔMICOS ARRANJOS ATÔMICOS Prof. Marcelo Medeiros Departamento de Construção Civil Estrutura amorfa Sólidos amorfo Universidade Federal do Paraná 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. Vidro comum Erupções vulcânicas produzem condições ideais para a formação de cinzas com estrutura amorfa Adições minerais de origem vulcânica: resultante das erupções Departamento de Construção Civil Sólidos amorfo Policarbonato Materiais amorfos podem existir em estados "borrachosos" e 26 estados "vítreos". ARRANJOS ATÔMICOS ARRANJOS ATÔMICOS Prof. Marcelo Medeiros Estrutura amorfa Universidade Federal do Paraná 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 reaƟvo Adições minerais para concreto Basalto Sílica ativa ou microssílica (adição p/ obter Concreto de Alto Desempenho - CAD) 27 1, 2, 3 TESTANDO… Estrutura atômica e molecular dos materiais PROF. JOSÉ FREITAS PROFa. NAYARA S. KLEIN ADAPTADO POR: PROF. RONALDO MEDEIROS-JUNIOR 1) Porque as partículas de cimento sofrem aglomeração? 2) Porque os metais são bons condutores de eletricidade? Estrutura cristalina Estrutura amorfa Sílica ativa: elevada reatividade OBRIGADA PELA ATENÇÃO! Estrutura atômica e molecular dos materiais PROF. JOSÉ FREITAS PROFa. NAYARA S. KLEIN ADAPTADO POR: PROF. RONALDO MEDEIROS-JUNIOR 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. 3) 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? TC 030 MATERIAIS DE CONSTRUÇÃO I TC 030 MATERIAIS DE CONSTRUÇÃO I Direitos Reservados UFPR 5
