FCM 208 Física (Arquitetura)

Transcrição

1 Universidade de São Paulo Instituto de Física de São Carlos - IFSC FCM 208 Física (Arquitetura) Estruturas e constituintes da Materia Prof. Dr. José Pedro Donoso

2 Classificação dos Materiais Metais : São resistentes e boms condutores de eletricidade. Muitas de suas propriedades são atribuidas ao grande número de eletrons não localizados. Polímeros : materiais sintéticos, compreendem os plásticos e borrachas. São compostos orgánicos e possuem longas moléculas todas emaranhadas Cerâmicos : óxidos, nitretos ou carbetos, são compostos com elementos metálicos e não metálicos. Inclui também os minerais argilosos, cimento e vidros. São duros, porém muito quebradizos. Compósitos : materiais reforçados com fibras ou partículas. A matrix pode ser polímérica, metálica ou cerâmica. Biomateriais : empregados para implantes no corpo humano. Não devem produzir substâncias tóxicas e devem ser bio - compatíveis

3 Características dos materiais Sistemas cristalinos : possuem estrutura regular, periodicidade e ordem de longo alcance. Os átomos se ordenam em estruturas de diferentes simetrias: cúbicas, tetragonal, ortorrômbica, etc Sistemas Poliméricos : (plásticos) estrutura na forma de cadeias. Fases cristalinas e amorfas Sistemas amorfos : (vidros) São sistemas desordenados. Estruturas sem regularidade (não periódicas). Possuem ordem de curto alcance Argilas e cerâmicas : materiais inorgánicos, não moleculares e não metálicos Compósitos : materiais reforçados com fibras ou partículas. Matrix de polímero, metálica ou cerâmica.

4 Os materiais e suas densidades Callister, Ciência e Engenharia de Materiais. Uma introdução (Editora LTC)

5 Propriedades dos materiais - mecânicas (resistência, dureza, elasticidade) - elétricas (condutividade, resistividade elétrica, comportamento dielétrico) - térmicas (capacidade calorífica, expansão térmica, condutividade térmica) - óticas (absorção, transmissão, refrigência e trasparência) - acústicas (absorção acústica) - magnéticas (diamagnetismo, paramagnetismo, ferromagnetismo) - nucleares (emissão radioativa) Leituras recomendadas: W.D. Callister: Ciência e Engenharia de Materiais (Editora LTC) W.F. Smith: Princípios de Ciência e Engenharia dos Materiais (McGraw Hill) D.A. Askeland, P. Phulí, The Science and Engineering of Materials (Thomson)

6 Propriedades mecânicas dos materiais : dureza Dureza é uma medida da resistência de um material a uma deformação plástica localizada (uma pequena impressão ou um risco). Em 1822, o mineralogista Friedrich Mohs propôs uma escala de dureza para os minerais naturais: 1 Talco 2 Gesso 3 Calcita 4 Fluorita 5 Apatita 6 Ortoclásio 7 Quartzo 8 Topázio 9 Safira ou corundum 10 Diamante Ao longo dos anos foram desenvolvidas técnicas quantitativas, como os ensaio de dureza de Rockwell e de Brinell, e os ensaios de microdureza de Knoop e Vickers Callister, Ciência e Engenharia de Materiais (Editora LTC) Coleção Conhecer Atual: Ciências (Editora Nova Cultura)

7 Sólidos cristalinos Estes sólidos possuem ordem de longo alcance, pois conservam a regularidade da estrutura que se repete indefinidamente em todas as direções. A menor unidade de um cristal é a célula unitária que, ao ser colocadas uma ao lado da outra num arranjo periódico, reproduzem todo o cristal. Os arranjos que os átomos formam no cristal são chamados de rede cristalina. Também pode-se formar um sólido policristalino constituído por muito pequenos monocristais dispostos de forma desordenada dentro do material. O parâmetro de rede mede a dimensão da célula unitária. Nos cristais iônicos, por exemplo, este parâmetro varia entre 4 Å no LIF até 7.4 Å no RbI Unidade: angstrom, 1 Å = 10-8 cm = m = 10 nm (nanometro)

8 Cristal de cloreto de sódio, NaCl Tem uma estrutura chamada de cúbica de faces centradas, na qual cada íon tem 6 vizinhos mais próximos com a carga oposta. A maioria dos cristais iônicos, como LiF, KCl e AgCl, possui esta estrutura. Coleção Conhecer Atual: Ciências (Editora Nova Cultura, 1988) Alguns elementos, como prata, o alumínio, o ouro, o cálcio, o cobre, o níquel e o chumbo, também cristalizam com esta estrutura. O parâmetro de rede (ou seja, a dimensão da célula) deste cristal é de 5.6 Å (56 nanometros).

9 Estruturas de sólidos cristalinos Shriver & Atkins, Química Inorganica (Bookman, 2008)

10 Estrutras cristalinas Perovskita Wurtzita Esfalerita NiAs Shriver & Atkins, Química Inorganica (Bookman, 2008)

11 O cristal de cloreto de sódio, NaCl tem uma estrutura cúbica de faces centradas Outros sistemas cristalinos como CsCl, CuZn e o CaS, e elementos como o bário, o césio, o ferro, o potássio, o lítio, e o sódio, cristalizam com a estrutura cúbica de corpo centrado na qual cada íon tem 8 vizinhos mais próximos com a carga oposta. D.A. McQuarrie, P.A. Rock, General Chemistry (3rd edition. Freeman 1991)

12 Estrutras cristalinas do cobre, do tugstênio, do latão e do ouro

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14 Estrutura do grafite Em alguns sólidos covalentes, a estrutura cristalina é determinada pela natureza direcional das ligações. A figura mostra a estrutura cristalina que adota o carbono no grafite, com camadas planares separadas por 3.35 Å Como consequência das fracas ligações interplanares, a clivagem interplanar é fácil, o que dá origem às excelentes propriedades lubrificantes da grafita Ela é usada frequêntemente como elemento de aquecimento em fornos elétricos

15 Estrutura do diamante Cristal muito compacto onde cada átomo de carbono une-se a outros quatro iguais situados nos vértices de um tetraedro regular. O diamante é conhecido como o elemento de maior dureza e os de uso industrial são sintetizados a 2000 o C e pressões de 70 kbar usando catalisadores metálicos. O diamante é isolante elétrico, sem cor e muito refrigente (que desvia os raios luminosos) propriedade que lhe confere grande brilho. O maior diamante natural encontrado até agora tem um tamanho de 3160 carat (1 carat equivale a g). Coleção Conhecer Atual: Ciências (Editora Nova Cultura)

16 Referências bibliográficas W.D. Callister, Ciência e Engenharia de Materiais. Uma introdução (Editora LTC) D.F. Shriver, P.W. Atkins, Química Inorganica (Bookman, 2008) W.F. Smith: Princípios de Ciência e Engenharia dos Materiais (McGraw Hill) L.H. Van Vlack, Princípios de Ciência dos Materiais (Editora E. Blucher, 1970) D.A. Askeland, P. Phulí, The Science and Engineering of Materials (Thomson) J.W. Hill & D.K. Kolb, Chemistry for changing times, 7th edition (Prentice Hall 1995)