Engenharia dos Materiais Introdução

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3. Conceitos e Definições Fundamentais

3.1 - Ligações Químicas

Toda matéria é composta por átomos e estes raramente podem ser encontrados isoladamente, de forma que a maioria dos átomos forma ligações fortes com átomos da própria espécie e com outros tipos de átomos.

As ligações interatômicas podem ser classificadas quanto à suas intensidades em ligações primárias ou fortes e ligações secundárias ou fracas.

As ligações primárias são cerca de dez vezes mais fortes que as ligações secundárias. As suas energias de ligação são da ordem de 100 kcal/mol (lembre-se que 1 cal = 4,184 J). As ligações primárias podem ser de três tipos: iônica, covalente e metálica.

As ligações secundárias envolvem energias de ligação da ordem de apenas 10 kcal/mol. Embora existam alguns tipos de ligações fracas, elas são geralmente englobadas dentro da designação de ligações de Van der Waals.

3.2 - Ligação Iônica

Na ligação iônica um ou mais elétrons são transferidos de um átomo eletropositivo para outro mais eletronegativo. A ligação pode ser entendida como resultado da atração entre os íons negativo (ânion) e positivo (cátion).Em uma ligação iônica ideal ocorre uma transferência completa de carga eletrônica de um átomo para outro.

[pic 8]

3.3 - Ligação Covalente

Na ligação covalente, um ou mais elétrons são compartilhados entre dois átomos, gerando uma força de atração entre os átomos que participam da ligação. Este compartilhamento é muito comum na maioria das moléculas orgânicas.

[pic 9]

3.4 - Ligação Metálica

Os metais têm um, dois ou no máximo três elétrons de valência. Estes elétrons não estão ligados a um único átomo, mas estão mais ou menos livres para se movimentar por todo o metal. A figura 3.6 ilustra a ligação metálica entre átomos de sódio.

Os elétrons que não são de valência e o núcleo formam um “caroço” eletricamente positivo que é envolvido por uma “nuvem”, “mar” ou ainda “gás” de elétrons. Os elétrons da nuvem atuam como uma “cola” mantendo os caroços positivos unidos. A ligação metálica apresenta uma ampla faixa de energias de ligação que vão desde o mercúrio, com 68 kJ/mol e ponto de fusão –39°C, até o tungstênio, com 850 kJ/mol e ponto de fusão 3410°C.

[pic 10]

3.5 - Estrutura Cristalina

Vimos anteriormente as três principais formas dos átomos se ligarem entre si (Ligações iônicas, covalentes e metálicas).

Além da forma com que eles se ligam, é importante entender a maneira com que eles se estruturam, ou seja, como eles se posicionam quando arranjados uns em relação aos outros.

Para nossos estudos daqui em diante, os átomos (ou íons) serão considerados como esferas sólidas com diâmetros bem definidos. Isso é conhecido como modelo atômico da esfera rígida onde as esferas que representam os átomos vizinhos mais próximos se tocam uma nas outras.

Os materiais sólidos podem ser classificados de acordo com a regularidade segundo o qual os átomos ou íons estão arranjados uns em relação aos outros. Um material cristalino é aquele em que os átomos estão posicionados em um arranjo repetitivo ou periódico ao longo de grandes distâncias atômicas.

Alguma das propriedades dos sólidos cristalinos dependem da estrutura cristalina do material, ou seja, da maneira segundo a qual os átomos estão espacialmente arranjados.

Os gases e a grande maioria dos líquidos não apresentam periodicidade nos seus arranjos atômicos.

[pic 11][pic 12]

A ordenação dos átomos nos sólidos cristalinos indica que pequenos grupos de átomos formam um padrão repetitivo. Dessa forma, ao descrever as estruturas cristalinas, com frequência torna-se conveniente subdividir a estrutura em pequenas entidades que se repetem, chamadas de células unitárias.

Para a maioria das estruturas cristalinas as células unitárias tem o formato de um cubo. Uma célula unitária é escolhida para representar a simetria da estrutura cristalina.

Nesse sentido, a célula unitária é a unidade estrutural básica da estrutura cristalina em virtude de sua geometria e das posições dos átomos no seu interior.

Os átomos metálicos podem ser considerados esferas rígidas e disto decorre a grande propensão que eles têm à cristalização. A sua grande maioria se cristaliza com estruturas cristalinas muito simples, conforme ilustra a tabela abaixo:

[pic 13]

Vários elementos apresentam no estado sólido diferentes estruturas cristalinas. A denominação para isto é alotropia. Quando o sólido é uma substância composta, a denominação habitualmente usada é polimorfismo. Estas mudanças de estruturas geralmente ocorrem em função de variações de temperatura e pressão.

A figura abaixo apresenta as células unitárias cúbica de faces centradas (a) e cúbica de corpo centrado (b), supondo-se serem os átomos esferas rígidas.

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O ferro puro apresenta as seguintes transformações de fase:

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Observa-se que o ferro sólido, ao ser aquecido a partir da temperatura ambiente, muda a sua estrutura cristalina a medida que há o aumento da temperatura.

Mas para que é importante saber qual é a estrutura cristalina do material?

Até o momento, estamos assumindo que existe uma ordem perfeita nos materiais cristalinos. Contudo esse sólido ideal não existe.

Todos os materiais contêm inúmeros defeitos ou imperfeições na estrutura cristalina e na realidade, muitas das propriedades dos materiais são profundamente sensíveis a desvios da perfeição cristalina.

"Os metais mais familiares não são altamente puros, em vez disso, eles são ligas, onde átomos de impurezas foram adicionados intencionalmente para conferir características específicas ao material".

Ordinariamente, a formação de ligas