Constituição básica da matéria

CENFIM

Constituição Básica da Matéria Princípios Básicos dos Materiais Classificação dos Materiais

• Polímeros

• Cerâmicos

• Compósitos

IMP CON 018

Importância Histórica dos Materiais

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• Os materiais sempre tiveram um papel fundamental na vida da humanidade

• As eras antigas foram designadas de acordo com o domínio dos

materiais, Idade da Pedra, Idade do Ferro

• No início o homem só tinha acesso aos materiais naturais, tais como pedras,

madeira, ossos e peles

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Importância Histórica dos Materiais


• A noção inicial baseava-se na dureza; Tribos com lanças apenas de madeira

tinham mais dificuldade em abater uma caça do que tribos utilizando pontas

de pedra em suas lanças

• Após o domínio do fogo, tomou-se noção dos materiais inflamáveis e não-

inflamáveis bem como outras transformações decorrentes da temperatura

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Eras dos Materiais


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Classificação dos Materiais


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O UNIVERSO é constituído por MATÉRIA e ENERGIA


MATÉRIA

• Matéria é a designação geral para tudo

aquilo que tem massa

• Excluindo formas exóticas de matéria como

o caso dos buracos negros, ela ocupa

espaço e por isso tem volume

• Podemos citar como exemplos de matéria,

o ferro, a madeira, o ar, a água, um ser

humano, o sol, os planetas e as galáxias

• A ausência total de matéria é o vácuo

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Tecnologia Mecânica

Princípios Básicos dos Materiais

ENERGIA

• Não é fácil definir energia com rigor, pois trata-

se de um conceito primitivo

• Alguns autores dizem que é impossível definir

energia e afirmam que não tem uma definição

precisa nem sinónimos

• Cientificamente energia é uma abstração

matemática que não tem existência para além

da sua relação funcional com variáveis ou

coordenadas, que têm uma interpretação física

e podem ser medidas

• Num sentido mais comum, energia é a

capacidade de realizar trabalho, é tudo o que

pode modificar a matéria, por exemplo, na sua

posição, estado de agregação, natureza

química. É também tudo que pode provocar ou

anular movimentos e causar deformações.

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MATERIAL

• Os materiais são feitos de matéria

• Podem ser constituídos por uma ou varias substâncias, designando-se por

substâncias puras ou misturas respetivamente

• São exemplos de materiais: madeira, cobre, aço, ar, água, hidrogénio, vidro

e plástico

• Classificam-se de várias maneiras, por exemplo: naturais e manufaturados;

metálicos, cerâmicos e polímeros; sólidos líquidos e gasosos à temperatura

ambiente

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CORPO

• Um corpo é uma porção limitada de matéria

• Podem ser constituídos por um ou mais materiais

• São exemplos de corpos: uma árvore, uma pedra, um automóvel, um gato, um ser humano, um

litro de leite, a atmosfera que envolve a terra

• Objetos são corpos utilizados pelo homem, por exemplo: Um automóvel, uma cadeira, um lápis

• Exemplo: Uma garrafa de vidro não é um material, é um corpo e também um objeto. O material é

o vidro que a constitui

• Um automóvel é um corpo (e também um objeto) constituído por muitos materiais, tais como:

aço, cobre, ligas de alumínio, plástico, borracha, vidro …

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Exemplos de materiais que entram na

construção de um automóvel:

• Aço (vários aços)

• Água

• Vidro

• Plásticos (vários tipos)

• Tecidos

• Alumínio

• Latão

• Cobre

• Estanho

• Propano

• Ácido Sulfúrico

• Crómio

• Níquel

• Borracha

• Zinco

• Gasolina

• Gasóleo

• Chumbo

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Exemplos de materiais que entram na

construção de uma casa:

• Tijolos (argila)

• Areia

• Cimento

• Aço

• Madeira

• Água

• Vidro

• Plásticos

• Tecidos

• Alumínio

• Latão

• Cobre

• Estanho

• Pedra

• Propano

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Ciência dos Materiais

Ciência dos Materiais é o ramo da ciência

que estuda a relação existente entre a

estrutura e as propriedades dos materiais

Engenharia dos Materiais

Aplica os conhecimentos existentes sobre a

estrutura da matéria para produzir materiais

com um conjunto determinado de

características pretendidas

Ao projetar os engenheiros terão de estar

conscientes das propriedades dos materiais

e dos problemas que os materiais originam

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Princípios Básicos dos

Materiais

Toda a matéria é formada por partículas extremamente pequenas que se designam por átomos

A palavra átomos significa indivisível pois na antiguidade pensava-se que estas partículas eram indivisíveis

Dalton no século XIX retomou a ideia de que os átomos eram constituintes básicos de toda a matéria

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Presentemente sabe-se que os átomos são constituídos por partículas ainda mais pequenas conhecidas por partículas subatómicas: eletrões, protões, neutrões, quarks, neutrinos , positrões, bosões …

Foi apenas no fim do século XIX (1897) que o físico inglês Joseph Thompson descobriu que os átomos eram divisíveis

Um átomos é formado por um núcleo onde se encontram protões e neutrões, estes também são conhecidos nucleões. À volta do núcleo estão dispostos os eletrões em camadas energéticas que se designam por orbitais.

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Átomos e Partículas Subatómicas

O átomo mais simples que existe é o de Hidrogénio, que apenas tem um protão no seu

núcleo e um único eletrão em órbita. Seguidamente, por ordem de complexidade vem o

átomo de Hélio que tem dois protões e dois eletrões.

Como se pode verificar um átomo é eletricamente neutro, ou seja, tem tantos protões

como eletrões.

Protões – carga elétrica positiva

Neutrões – não têm carga elétrica

Eletrões – carga elétrica negativa

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Outros exemplos de átomos são o Carbono e o

Alumínio, com 6 e 13 protões respetivamente

O número atómico de um átomo é igual ao seu número de protões

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Tabela Periódica ou Tabela dos Elementos

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Iões

• Catiões (iões positivos): são

partículas que têm carga elétrica

positiva; os mais simples formam-se a

partir de átomos por perda de um ou

mais eletrões

• Aniões (iões negativos): são

partículas que têm carga elétrica

negativa; os mais simples formam-se a

partir de átomos por ganho de um ou

mais eletrões

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Moléculas

• Os átomos raramente se encontram sozinho na

natureza

• Eles tendem a juntar-se formando toda a

complexidade que conhecemos no mundo

• Apenas um punhado de elementos é estável sozinho,

são os gases nobres ou raros

• Quando os átomos se juntam formam ligações ente si

que se designam por ligações químicas

• Para romper uma ligação química, em geral é preciso

uma quantidade de energia considerável, por isso os

átomos permanecem juntos formando moléculas

• Todas as ligações químicas envolvem apenas os

eletrões das camadas mais exteriores do átomo e

nunca o núcleo atómico

• Existem casos de moléculas que são formadas por

uma grande quantidade de átomos, estas são as

chamadas macromoléculas.

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Ligações Químicas Fortes ou Principais

(Intramoleculares)

• Ligação Iônica - Um dos átomos da ligação cede

um ou mais eletrões ao outro átomo, mantendo-se

unidos por forças electroestáticas.

• Ligação Covalente - Existe partilha de eletrões

do último nível de cada átomo envolvido na

ligação.

• Ligação Metálica - Consiste numa rede enorme

de átomos ligados em que os eletrões dos últimos

níveis estão livres, podendo circular livremente por

toda a rede.

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Ligações Químicas Fracas ou Secundarias

(Intermoleculares)

• Ponte de Hidrogénio

• Dipolo Permanente

• Dipolo Induzido

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Substância Pura ou simplesmente Substância:

• É cada uma das espécies de matéria que constitui o universo

• Pode ser simples ou composta

• A sua composição é sempre fixa e definida, por exemplo, para se formar água é

necessário a combinação de dois átomos de hidrogênio e um átomo de oxigênio,

como consequência a água é formada na proporção de 2 gramas de hidrogênio para

16 gramas de oxigênio

Substâncias puras elementares:

• São formadas pela combinação de átomos de um único elemento químico

• O gás hidrogênio é formado por dois átomos de hidrogênio ligados entre si

• O ozone que é formado por três átomos de oxigênio.

• Em geral, as substâncias elementares que o homem utiliza são produzidas em

laboratório, por processos de separação de misturas ou métodos de purificação.

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Substâncias puras Compostas:

• São formadas pela combinação de átomos de dois ou mais elementos

químicos diferentes

• A água é uma substância composta porque é formada por dois átomos de

hidrogênio e um átomo de oxigênio

• Ácido clorídrico é uma substância composta porque é formado por um átomo

de hidrogénio e um átomo de cloro

• O Metano é constituído por um átomo de carbono e quatro de hidrogénio

Mistura:

• Material formada por duas ou mais substâncias puras

• É difícil encontrar substâncias puras livres na natureza

• As misturas, não possuem composição fixa e definida, por exemplo, para obter

uma mistura de água e sal pode-se colocar qualquer quantidade de água e

qualquer quantidade de sal

• Algumas misturas são tão importantes que têm nome próprio. São exemplos:

gasolina, mistura de hidrocarbonetos, que são substâncias formadas por

hidrogênio e carbono; ar atmosférico, mistura de 78% de nitrogênio, 21% de

oxigênio, 1% de outros gases, como o dióxido de carbono; álcool etílico comercial,

mistura de 96% de álcool etílico com 4% de água.

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Mistura Homogênea:

• É formada por apenas uma fase.

• Não se consegue diferenciar as substâncias misturadas.

• Exemplos: água com sal; água com álcool etílico; água com acetona; água com

açúcar; água com sais minerais

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Mistura Heterogênea

• É formada por duas ou mais fases

• As substâncias podem ser diferenciadas a olho nu ou pelo microscópio

• Exemplos: água com óleo; granito; água com enxofre; água, areia e óleo.

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Misturas coloidais

• Os componentes da mistura não podem

distinguir-se a olho nu, contudo se usarmos um

instrumento de ampliação, como um

microscópio, conseguir-se-ia distinguir os

diferentes componentes da mistura

• Se deixarmos maionese fora do frigorífico

durante algum tempo conseguimos visualizar

pequenas partículas de gordura

• Se observarmos uma gota de sangue a olho

nu não conseguimos identificar os seus

componentes, mas se observarmos essa gota

ao microscópio, distinguimos os glóbulos

brancos, os glóbulos vermelhos, as plaquetas,

etc.

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Métodos de separação de misturas

Decantação: permite a separação de líquidos imiscíveis (que não se misturam) ou

um sólido precipitado num líquido. Exemplos: água e areia, água e óleo vegetal

Filtração: este é um método de separação muito presente no laboratório químico e

também no cotidiano. É usado para separar um sólido de um líquido ou sólido de um

gás, mesmo que o sólido se apresente em suspensão. A mistura atravessa um filtro

poroso, onde o material particulado fica retido.

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Centrifugação

• Para separar líquidos imiscíveis (que não se misturam) ou um líquido de um sólido insolúvel

em suspensão

• Para fazer uma centrifugação é preciso uma centrifugadora. Esta máquina faz rodar a

mistura (na qual uma das partes tem que ser líquida) a alta velocidade, provocando a

separação pela ação da força centrifuga que é aplicada (do centro para fora)

• A separação dá-se devido às diferenças de densidades dos materiais

• Normalmente uma centrifugação é seguida de uma decantação

• Exemplos: separar glóbulos vermelhos do plasma sanguíneo; separar a nata do leite.

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Cristalização: separa um sólido cristalino de uma solução. Na cristalização há

uma evaporação do solvente de uma solução provocando o aparecimento de

cristais do soluto. Exemplo: o aparecimento do sal nas salinas

Destilação

• Separa líquido(s) de sólido(s) dissolvidos

ou líquido(s) de líquido(s)

• Na destilação acontecem duas

mudanças de estado consecutivas: uma

ebulição (vaporização) seguida de uma

condensação

• Na ebulição é retirado da mistura o

componente com o ponto de ebulição

mais baixo, e na condensação esse

componente volta à sua forma líquida

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Destilação Fracionada

• É um método de separação de líquidos que se encontram

em mistura homogênea ou heterogênea

• Quanto mais distantes forem os pontos de ebulição destes

líquidos, mais eficiente será o processo de destilação

• Eleva-se a temperatura até que se alcance o ponto de

ebulição do líquido que apresente valor mais baixo para esta

característica e aguarda-se, controlando a temperatura, a

completa destilação deste. Posteriormente, permite-se que a

temperatura se eleve até o ponto de ebulição do segundo

líquido. Quanto mais próximos forem os pontos de ebulição

dos líquidos, menor o grau de pureza das frações destiladas

• A destilação fracionada é usada na obtenção das diversas

frações do petróleo. Nos alambiques, este tipo de destilação é

usado na obtenção de bebidas como a aguardente.

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Cromatografia: para separar substâncias com

diferentes solubilidades num determinado soluto.

Na cromatografia uma mistura é arrastada (por

um solvente apropriado) num meio poroso e

absorvente. Como diferentes substâncias têm

diferentes velocidades de arrastamento num

determinado solvente, ao fim de algum tempo há

uma separação dos constituintes da mistura. Este

processo é normalmente usado para pequenas

quantidades de amostra. Exemplo: separação

dos componentes de uma tinta.

Separação Magnética: consegue separar

componentes que tenham propriedades

magnéticas dos que não as possuem.

Aproveitam-se as propriedades magnéticas de

um dos componentes da mistura para o separar

dos outros. Exemplo: areia e limalha de ferro;

enxofre e limalha de ferro.

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Peneiração

• Este método é usado na separação de

sistemas sólido-sólido, onde um dos dois

componentes apresente granulometria que

permita que o mesmo fique preso nas malhas

de uma peneira

Ventilação

• Método de separação para sistemas sólido-

sólido, onde um dos componentes pode ser

arrastado por uma corrente de ar. Um bom

exemplo é a separação da casca e do caroço

do amendoim torrado

Sedimentação

• Consiste em deixar a mistura em repouso

até o sólido se depositar no fundo do

recipiente

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Estados Físicos da Matéria ou Estados de Agregação da Matéria

condensação

evaporação

ebulição

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Fase gasosa

• Nesta fase as partículas da substância estão

com maior energia cinética

• Elas ficam muito distantes umas das outras

• Movem-se com alta velocidade e colidem entre si

• Um gás qualquer colocado dentro de uma

garrafa de 1 litro adquire a forma da garrafa

• Podemos dizer que uma substância na fase

gasosa possui forma e volume variáveis

• Como tal, os gases são compressíveis, ao

contrário dos líquidos e sólidos não têm volume

fixo.

• Se aumentarmos a pressão podemos comprimi-

los, ou reduzir o seu volume.

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Fase Líquida

• Na fase líquida as partículas estão um pouco mais unidas

em relação à fase gasosa

• Não há nenhum arranjo definido

• A energia cinética é intermediária entre a fase gasosa e a

fase sólida

• As partículas nos líquidos “deslizam” umas sobre as outras

movendo-se. Isto é o que proporciona a fluidez no líquido

• Todos os líquidos podem fluir, uns mais que os outros

dependendo da sua viscosidade

• Dizemos que a água tem baixa viscosidade e que o mel

tem alta viscosidade

• Os líquidos com baixa viscosidade oferecem menor

resistência para fluir

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Fase Sólida

• Na fase sólida, as partículas que formam a substância possuem menor energia

cinética

• Estão unidas por forças de atração mais fortes

• Estão dispostas, em geral, de acordo com um arranjo geométrico definido

• Ao contrário da grande maioria dos materiais, o arranjo das moléculas de água, na

fase sólida, é responsável pelo aumento do volume. A água ao congelar expande-

se, formando gelo que é menos denso que a água na fase líquida

• Podemos dizer que os materiais na fase sólida mantêm a forma e o volume.

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Alotropia

• Alotropia é a propriedade que alguns elementos químicos têm de formar uma ou

mais substâncias simples diferentes

• São alótropos: carbono, oxigênio, fósforo e enxofre

• O carbono possui dois alótropos: o diamante e a grafite. A sua principal diferença

está no arranjo cristalino dos átomos de carbono. Na grafite formam-se hexágonos.

Cada átomo de carbono está ligado a apenas três outros átomos de carbono, em

lâminas planas, fracamente atraídas umas pelas outras

•No diamante, cada átomo de carbono está

ligado a quatro outros átomos também de

carbono



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Materiais

– Materiais Metálicos

– Materiais não Metálicos


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• Materiais Metálicos

o Metais Ferrosos

• Aços

• Ferros Fundidos

o Metais não Ferrosos

• Metais Puros

• Ligas Metálicas não Ferrosas (Latões, Bronzes, Ligas de Alumínio, …)

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• Materiais não Metálicos

o Polímeros

o Cerâmicos

o Compósitos

o Materiais Magnéticos e Supercondutores

o Materiais Eletrónicos, Fotónicos e Óticos

o Biomateriais

oMateriais Porosos e Celulares


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Classificação Clássica dos

Materiais

• Metálicos

• Cerâmicos

• Polímeros

• Compósitos

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Materiais

Metais

• Metais são materiais formados pela combinação de elementos químicos que

ocupam a posição central na Tabela Periódica. (eletropositividade = caráter

metálico = tendência para perder eletrões = opõe-se à eletronegatividade

• Esses elementos possuem como principal característica a sua ductilidade,

altas condutividades térmica e elétrica

• São mecanicamente resistentes, porém podem ser deformados.

• Em geral, possuem um aspeto brilhante e lustroso quando polidos

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Materiais

Cerâmicos

• Cerâmicas são compostos com características entre os metais e

os elementos não-metálicos e incluem compostos químicos, tais

como: óxidos, nitretos e carbonetos

• Tipicamente isolantes elétricos e térmicos e resistentes a altas

temperaturas e ambientes quimicamente agressivos.

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Polímeros

• Os polímeros vulgarmente conhecidos como plásticos, geralmente são compostos

orgânicos baseados principalmente em átomos de carbono e hidrogênio

• Possuem elevada massa molecular e usualmente possuem baixa densidade

• Apresentam baixa estabilidade química e estrutural em altas temperaturas

• Por causa dessas características, as suas principais aplicações são o fabrico de

produtos com baixo ciclo de vida (geralmente descartáveis)

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Materiais

Compósitos

• Os compósitos consistem em dois ou mais tipos de materiais com diferentes

estruturas e propriedades

• A "fibra de vidro" é uma combinação de vidro e polímero

• O concreto e a madeira prensada são outros exemplos de materiais compósitos

familiares

• Diversos compósitos são combinações de fibras cerâmica inseridas em uma

matriz metálica ou polimerica

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