Estudo dos materiais e comportamentos típicos
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Estudo dos materiais e ligações químicas
PCC5726
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Estrutura dos materiais
• Forma como os componentes internos dos materiais se arranjam.
•Várias formas/níveis de estudo da estrutura do material em função do que se pretende analisar ou manipular (“engenheirar”).
•Objetivos: entender e obter propriedades desejadas.
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Princípio básico
O comportamento do material depende da
microestrutura
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http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/3/3e/Materials_science_tetrahedron_-_pt-br.svg/220px-Materials_science_tetrahedron_-_pt-br.svg.png
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http://www.kochmann.caltech.edu/pics/scales0.gif
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http://www.kochmann.caltech.edu/pics/scales.gif
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Níveis de estudo dos materiais• Sub-atômico (Å)
• átomo• microscopia eletrônica de
tunelamento
• Atômico (nm - mm)• moléculas, cristais• Difração de raios X• Microscopia eletrônica de
varredura
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Níveis de estudo dos materiais• Microscópico (mm-mm)
• fases, partículas• microscópios ótico e de
varredura• ensaios físicos
• Macroscópico (>mm)• todo o material• ensaios mecânicos
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Propriedades analisadasx
nível do estudo• Sub-atômico
• condutividade elétrica
• propriedades térmicas
• Atômico• ligações interatômicas e estado de agregação da
matéria
• Microscópico• característica dos materiais em função do arranjo
• Macroscópico• medida de propriedades médias do material
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Classificação geral dos materiais da construção civil
•Cerâmicos• Cimento, cal, cerâmica vermelha e branca e vidros.
•Polímeros• Plásticos, borrachas, betumes, celulose, etc.
•Metais• Ferro, aço, alumínio, cobre, zinco e suas ligas
•Compósitos• Madeira, materiais reforçados com fibras, aglomerados.
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LIGAÇÕES ATÔMICAS
noções básicas
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Estrutura do átomo
Modelo
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Modelo do Átomo
http://www.ced.ufsc.br/men5185/trabalhos/58_Raios_Cosmicos/pagina_particulas.htm
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Estrutura do átomo
• Núcleo carga
• prótons +1
• neutrons 0
• Elétrons -1
10 000 100 000. . d
d
ne
nu
m
m
eletron
proton
1
1850
Massa de prótons e
neutrons = 1,67x10-27kg
Massa de elétrons =
9,11x10-31kg
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Estrutura do Átomo
▪Massa esta concentrada no núcleo.
▪Núcleo ocupa pequena parte do volume total do átomo!
▪Eletrosfera ocupa maior parte do volume.
▪Eletrosfera tem pouca massa.
▪Eletrosfera é deformável.
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Aspectos ligados às ligações químicas:
•Os elétrons de valência (do último nível) são os que efetivamente participam das ligações químicas.
•Os átomos buscam uma condição mais estável: configuração dos gases nobres (com 2 ou 8 elétrons no último nível)
•Apresentam diferentes níveis de energia de ligação.
•As ligações químicas têm total influência sobre as propriedades e características dos materiais
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Importante!
• Átomos que perdem elétrons ficam positivos e são chamados cátions.
• Átomos que ganham elétrons ficam negativos e são chamados ânions.
• Átomos que não ganham nem perdem elétrons não combinam com ninguém e são chamados de gases nobres.
• A formação de um material depende da formação de íons.
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Ligação iônica
• Para que ocorra ligação iônica é necessário que haja íons com alta e baixa eletronegatividade
• atração eletrostática
perda de elétrons +ganho de elétrons -
• exemplos:
CaCl2 - NaCl
2e e
Na Cl
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Tabela periódica
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Ligação iônica
• atração eletrostáticaperda de elétrons +ganho de elétrons -
• não direcional
• sólido
• solúveis (solventes polares)
• IsolantesNão permite deslocamentos relativos dentro dos planos cristalinos
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Ligação covalente
▪ A ligação covalente é um tipo de ligação química que ocorre com o compartilhamento de pares de elétrons entre átomos que podem ser o hidrogênio, não-metais ou semi-metais
c HH
H
H
metano
o HH
água
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Tabela periódica
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Ligação covalente
▪ Elétrons compartilhados em orbitais específicos
▪No de ligações depende do No de valência
▪ Isolantes• direcional• exemplo: polímeros
c HH
H
H
metano
o HH
água
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Ligação Covalente - Apolar
http://www.alunosonline.com.br/quimica/polaridade-das-ligacoes.html
Molécula O2
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Ligação Covalente - Polar
http://www.alunosonline.com.br/quimica/polaridade-das-ligacoes.html
Molécula HCl
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Ligação Iônica x Covalente
http://www.accessexcellence.org/RC/VL/GG/ecb/covalent_ionic_bonds.php
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Ligação Iônica x Covalente
http://stoichiometricbasics.blogspot.com.br/
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Forças de Van der Waals
• Aglutinam “moléculas”
• Forças secundárias ocorrem em praticamente todos átomos e moléculas (gases inertes)
• Surgem forças de atração entre átomos ou moléculas:✓Entre dipolos induzidos
✓Entre dipolos induzidos e moléculas polares
✓Entre moléculas polares
ClH
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Forças de Van der Waals
• Dipolo induzido
• Moléculas polares
• Moléculas polarizadas por indução ou permanentes:
• Exemplo: Pontes de H
• (moléculas compostas por H – polo positivo)
ClH ClH
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Moléculas polares: água
• As moléculas acabam por serem atraídas umas às outras pelo efeito de dipolo.
www.alunosonline.com.br/fisica/tensao-superficial.html
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Ligações predominantes & Famílias de materiais
Ligação covalente
Semicondutores
Polímeros
Ligação metálica
Ligação iônica
Forças secundárias
Cerâmicas e vidrosMetais
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Materiais Cerâmicos
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Definição e classes de materiais cerâmicosGrego: “KERAMOS” - COISA QUEIMADA
Materiais inorgânicos, excluindo os metais e suas ligas, utilizáveis após tratamento em altas temperaturas. (American CeramicSociety)
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Comportamento básico das Cerâmicas
•Material frágil
•Durável
•Resistência depende fundamentalmente de:•Porosidade•Qualidade do esqueleto
cerâmico (composição e queima)
http://drizancanaro.blogspot.com/2011/03/o-vaso-de-ceramica-mensagem-do-dia-para.html
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Constituintes principais das argilas
Argilo-minerais – silicatos hidratados de Al, Fe, Mg e K, entre outros, associados a óxidos
35geologia.byethost7.com pubs.usgs.gov
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Calcinação das argilas
The TGA–DTA curves of kaolin doi:10.1007/s10934-008-9258-z
T < 200 oC – eliminação umidade residual da moldagem
200oC < T < 400 oC – queima de matéria orgânica
573 oC – inversão quartzo a para b, expansão volumétrica
450oC < T < 600 oC – Desidroxilação caulinita, retração volumétrica
950 oC – formação espinélio e mulita a partir caulinita
1100 oC – início da fusão de feldspato e mica em fase vítrea
1200 oC – vitrificação completa, retração volumétrica máxima
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Materiais poliméricos
http://cobec.com.br/principais-tipos-de-plasticos-usados-nos-produtos-e-sistemas-construtivos/
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38
Molécula de polietileno
Monômero, Mero e Polímero
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Ligação covalente é direcional: influencia comportamento dos polímeros
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40
Copolímeros
• Homopolímero: polímero derivado de apenas uma espécie de monômero.
• Copolímero: polímero derivado de duas ou mais espécies de monômero.
Tipos de distribuição dos diferentes monômeros nas moléculas dos co-
polímeros: (a) aleatória, (b) alternada, (c) em bloco e (d) ramificada
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Características Moleculares
Extraído de Jedyn - UFPR
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42
Polímeros termoplásticos e termofixos
Termoplásticos• Lineares ou ramificados.
• Podem ser conformados
mecanicamente repetidas
vezes, desde que
reaquecidos (são
facilmente recicláveis).
• Parcialmente cristalinos ou
totalmente amorfos.
Termofixos• Possuem uma estrutura
tridimensional em rede com ligações
cruzadas.
• Podem ser conformados
plasticamente apenas em um estágio
intermediário de sua fabricação.
• O produto final é duro e não amolece
com o aumento da temperatura.
• Eles são insolúveis e infusíveis.
• Mais resistentes ao calor do que os
termoplásticos.
• Completamente amorfos.
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43
Microestrutura
Microestrutura de um polímero semi-
cristalino apresentando regiões
cristalinas e amorfas.
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Termoplásticos x temperatura
•Temperatura de transição vítrea (Tg)
Abaixo da Tg:
tornam-se frágeis
< deformação térmica
< deformação elasto-plástica
Sólido cristalino
Vidro
Líquido super-resfriado
Cristalização
Líquido
Tg Tf
Temperatura
Vo
lum
e e
spe
cífi
co
Sólido semicristalino
http://ospolimeros.blogspot.com/2010_06_01_archive.html
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Resposta
• Não sofre corrosão • água ou ar
• Estanqueidade
• Solubilidade reduzida• Ácidos e bases
• Isolamento• Térmico, elétrico
• Leve• Densidade entre 0,9 e 1,4 kg/dm³
• Flexíveis (com variações)
Quais características dos polímeros que contribuem para o
seu uso?
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Pontos importantes
•Polímeros constituem uma família de materiais com grande amplitude comportamental
•Diferentes estruturas moleculares levam a famílias de comportamentos distintos
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Kantoviscki (2011)
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Elastômeros
• Cadeias amorfas em conformação espiralada
• >>> deformação elástica inicial (endireitamento das espiras)
• >>> deformação viscosa
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• O processo de vulcanização consiste de reações químicas entre cadeias do
elastômero e o enxôfre (ou outro agente), adicionado na proporção de 1 a 5 %,
gerando ligações cruzadas entre cadeias conforme esquematizado abaixo:
• Borracha não-vulcanizada: mais macia, pegajosa e com baixa resistência à
abrasão.
• Borracha vulcanizada: valores maiores de módulo de elasticidade, resistência à
tração e resistência à degradação oxidativa.
Elastômeros
49
sss
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50
Tensão x Deformação
Termorígido (T < Tg)
Termoplástico (T < Tg)
Termoplástico (T > Tg)
Elastômero (T> Tg)
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Metais
http://static.wixstatic.com/media/43cc43_607b9ceb24ac4f4e83400d45715ef1fd.jpg
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Ligações predominantes & Famílias de materiais
Ligação covalente
Semicondutores
Polímeros
Ligação metálica
Ligação iônica
Forças secundárias
Cerâmicas e vidrosMetais
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Ligação metálica
1- Uma rede de cátions metálicos num “mar” de elétrons de valência;
2- Elétrons confinados ao metal por atração eletrostática aos cátions;
3- Elétrons fluem livremente através do metal, pois nenhum elétron é localizado entre dois átomos de metal;
4- Há facilidade de condução de energia;
5- Não possui ligações definidas e mostra facilidade de deformação (maleabilidade e ductilidade).
6- Por não ser direcional, facilita arranjo cristalino.
http://www.hsctut.materials.unsw.edu.au/Bonding/bonding2e.htm
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Propriedades dos metais
✓ Alta condutividade elétrica e térmica
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Propriedades dos metais
✓Maleáveis
✓Dúcteis
55
http://carroceria.blogspot.com/2009/10/estampagem.html
![Page 56: Estudo dos materiais e comportamentos típicos](https://reader035.fdocumentos.com/reader035/viewer/2022072615/62df10173229e535b00c2782/html5/thumbnails/56.jpg)
Pergunta:Por que é mais difícil encontrar
materiais cristalinos com ligação covalente do que metálica ou iônica?
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Pergunta:Como você definiria distância interatômica?
![Page 58: Estudo dos materiais e comportamentos típicos](https://reader035.fdocumentos.com/reader035/viewer/2022072615/62df10173229e535b00c2782/html5/thumbnails/58.jpg)
Vinculação de força e energia
força
energia
repulsão
atração
repulsão
atração
Distância interatômica
Distância interatômica
r0
E0
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Átomo x Esforços Mecânicos
• Eletrosfera deformável• Compressão → aproxima os núcleos
• Tração → afasta os núcleos
• Elasticidade
• Esforço >> força de ligação• Ruptura das ligações
• Ruptura do material
força
repulsão
atração
Distância interatômicar0
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Vinculação de força e energia
força
repulsão
atração
Distância interatômica
dF dr( ) r0
dF dr( ) r0
E
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Influência da estrutura
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Módulo de elasticidade
Definição de E
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Módulo de elasticidade
0
50
100
150
200
250
300
350
400
450
0 1000 2000 3000 4000
Temperatura de fusão [°C]
Mó
du
lo d
e E
lasti
cid
ad
e,
E [
GP
a]
l igas SbPb
Aço (Fe)
l igas N i
fer ro fund ido
ligas Ti
l igas Mg
ligas Al
Mo
W
![Page 64: Estudo dos materiais e comportamentos típicos](https://reader035.fdocumentos.com/reader035/viewer/2022072615/62df10173229e535b00c2782/html5/thumbnails/64.jpg)
Vinculação de distância interatômica e coeficiente de dilatação térmica
energia
repulsão
atração
Distância interatômica
E0
r0
r1
r2
![Page 65: Estudo dos materiais e comportamentos típicos](https://reader035.fdocumentos.com/reader035/viewer/2022072615/62df10173229e535b00c2782/html5/thumbnails/65.jpg)
Vinculação de distância interatômicae coeficiente de dilatação térmica
Ener
gia
de
ligaç
ão
Ener
gia
de
ligaç
ão
Distância interatômicamédia
T4
T3
T2
T1
T0=0KT3
T2
T1
T0=0K
T4
![Page 66: Estudo dos materiais e comportamentos típicos](https://reader035.fdocumentos.com/reader035/viewer/2022072615/62df10173229e535b00c2782/html5/thumbnails/66.jpg)
Correlação entre E e α
Metal E αAço 210 1,2Ferro 140 1,2Bronze 110 1,8Alumínio 72 2,4Titânio 160 0,7Magnésio 4,6 2,6Estanho 5,1 2,6Chumbo 2,2 2,9Cobre 124 1,4Níquel 207 1,3Latão 4 2 0
0,5
1
1,5
2
2,5
3
3,5
0 50 100 150 200 250
Co
efic
ien
te d
e d
ilata
ção
té
rmic
a
Módulo de elasticidade (GPa)
![Page 67: Estudo dos materiais e comportamentos típicos](https://reader035.fdocumentos.com/reader035/viewer/2022072615/62df10173229e535b00c2782/html5/thumbnails/67.jpg)
Diagramas de Propriedades
Materials Selection in Mechanical DesignThird Edition
Michael F. Ashby
![Page 68: Estudo dos materiais e comportamentos típicos](https://reader035.fdocumentos.com/reader035/viewer/2022072615/62df10173229e535b00c2782/html5/thumbnails/68.jpg)
Energia de ligação e ponto de fusão
Ligação Substância EL (kJ/mol) Tfusão (ºC)
Iônica NaCl 640 801
MgO 1000 2800
Covalente Si 450 1410
C(diamante) 713 >3550
Metálica Fe 406 1538
W 849 3410
van der Waals
Cl2 31 -101
NH3 35 -78
Hidrogênio H2O 51 0
![Page 69: Estudo dos materiais e comportamentos típicos](https://reader035.fdocumentos.com/reader035/viewer/2022072615/62df10173229e535b00c2782/html5/thumbnails/69.jpg)
Pergunta:
A energia de ligação C-C, típica dos materiais poliméricos como é o caso do polietileno de alta densidade é de 345 kJ mol-1. Já a ligação
Al-Al é um pouco menor: 324 kJ mol-1. Por que então o ponto de fusão do alumínio é de 660oC
e o do PEAD é de 137oC?
![Page 70: Estudo dos materiais e comportamentos típicos](https://reader035.fdocumentos.com/reader035/viewer/2022072615/62df10173229e535b00c2782/html5/thumbnails/70.jpg)
Por que concreto armado?
![Page 71: Estudo dos materiais e comportamentos típicos](https://reader035.fdocumentos.com/reader035/viewer/2022072615/62df10173229e535b00c2782/html5/thumbnails/71.jpg)
Concreto e o AçoConcreto Aço
Forma de Ruptura Frágil Dútil
Tração Baixa Alta
Resistência fc<100MPa (compressão)
fy>250MPa (tração)
Módulo de elasticidade
<30GPa 210GPa
Durabilidade Resiste à ação da água
Sofre corrosão eletrolítica
Manutenção Baixa Pintura contra corrosão
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Outras possibilidades?
•Compósitos