Importante. Desligar os celulares ou colocar no modo silencioso

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1 Importante Desligar os celulares ou colocar no modo silencioso

2 ENG101 MATERIAIS ELÉTRICOS E MAGNÉTICOS Prof. Dr. Vitaly F. Rodríguez-Esquerre Eng. Eletrônico - Peru Mestre em Eng. Elétrica - Unicamp Doutor em Eng. Elétrica - Unicamp Pósdoutorado Hokkaido University Pósdoutorado Unicamp

3 Capítulo 01 Propriedades da Matéria Prof. Dr. Vitaly F. Rodríguez-Esquerre

4 Classificação Funcional dos Materiais Aerospacial Biomedica Materiais Eletrônicos Energia e Meioambiente Materiais Magnéticos Fotônicos ou Materiais Ópticos Materiais Inteligentes Materiais Estruturais

5 Estruturas Aços Ligas de alumínio, Concreto Fibras de vidro Plásticos madeiras Aerospacial Compostos de carbono, SiO2, silício amorfo, ligas de alumínio Zerodur Estruturas Aços Ligas de alumínio, Concreto Fibras de vidro Plásticos madeiras Materiais Inteligentes PZT Ligas de Ni-Ti Fluídos MR Gels polímeros Classificação Funcional dos Materiais Eletrônica Si, GaAs, Ge, PZT, Al, Cu, polymeros Ópticos SiO2, GaAs, Vidros, Al2O3, YAG, ITO Magnéticos Fe, Fe-Si, NiZn Ferritas, CoPtTaCr Energia e Ambiental Si:H amorfo, UO2, NiCd, ZrO2

6 Classificação dos Materiais Metais Elementos puros ou mistura de elementos metálicos (ligas) ligações metalicas Bons condutores de eletricidade Bons condutores de calor Structural feature Dimension (m) Apariência brilhante não transparentes atomic bonding < Duros Deformáveis crystals (ordered atoms) Algumas second phase vezesparticles magnéticos crystal texturing > 10-6

7 Classificação dos Materiais Cerámicos Compostos entre elementos metálicos e não metálicos - Ligações iônicas ou covalentes Duros Quebradiço Isolantes elétricos Condução térmica baixa Resistentes ao calor e corrosão Podem ser transparentes ou opácos

8 Classificação dos Materiais Polímeros Compostos orgânicos baseados em C, H e outros elementos não metálicos ligações covalente e secundárias Propriedades variadas Densidade baixa Não condutores Ponto de fusão baixo Podem ser muito flexíveis

9 Outras sub-classes de materiais Compósitos -Consistem em mais de um tipo de material Semicondutores -Tem propriedades elétricas intermediárias entre as dos condutores e isolantes Biomaterials - Materiais para implantação no interior do corpo humano

10 Exemplo de Aplicações Propriedades Metais e Ligas Aço Automóveis Castable, machinable, vibration damping Cerâmicos e vidros SiO 2 -Na 2 O-CaO Vidros Opticamente transparentes, isolantes térmicos Polímeros Polietileno Embalagem de comidas Finas espesuras, flexíveis

11 Exemplo de Aplicações Propriedades Semicondutores Silício Transistor e circuitos comportamento elétrico integrados único Compósitos Ferramentas de corte Duras e resistentes a Tungstênio carbide máquinas impactos -cobalt (WC-Co)

12 Estrutura Atômica Âtomos compostos de núcleo (prótons e nêutrons) circundado por elétrons. Q=1,6 x C Mp=Mn=1,67x10-27 kg Me=9,11x10-31 kg Elementos químicos caracterizados pelo número atômico Z. Z: Massa atômica A = soma da massa de nêutrons e prótons Peso atômico (média ponderada da massa dos isótopos) Unidades g/mol. 1 mol = 6,023 x Âtomos ou moléculas Fe 55,85 g/mol.

13 Estrutura Atômica Porque estudarmos a estrutura atômica? Algumas propriedades importantes dos materiais dependem dos arranjos geométricos dos átomos e também das interações que existem entre os átomos ou moléculas constituintes. Estrutura atômica Configurações Eletrônicas dos Átomos e Tabela Periódica Tipos de ligações interatômicas Energias de Ligação Distâncias e Energias de Equilíbrio

14 Tabela Periódica

15 Exemplo Calcular o número de âtomos em 100 g de prata. Peso atômico 107,868 g/mol

16 Exemplo Calcular o número de âtomos em 100 g de prata. SOLUÇÃO Número de âtomos = (100 g )( atoms mol ) ( g mol ) =

17 Exemplo Pesquisadores estão considerando o uso de nanopartículas de materiais magnéticos como um meio de armazenar gandes quantidades de dados. Estas partículas podem armazenar dados na ordem de um trilhão de bits por polegada quadrada. 10 a 100 vezes a mais do que qualquer outro dispositivo tais como discos rígidos Se os pesquisadores estão considerando o uso de partículas de Ferro (Fe) com diâmetro de 3nm. Quantos átomos existem em cada partícula? Densidade do Ferro = 7.8 g/cm3. Peso Atômico do Fe 55,85 g/mol.

18 Solução O rádio de uma partícula é 1.5 nm. Volume de cada nanopartícula magnética de Ferro = (4/3)π( cm) 3 = cm 3 Densidade do Ferro = 7.8 g/cm 3. Peso Atômico do Fe 55,85 g/mol. Peso de cada nanopartícula de Fe = 7.8 g/cm cm 3 = g. Um mol de 55,85 g de Fe contem átomos, então, o número de átomos em uma nanopartícula de Ferro será 1188.

19 Estrutura Atômica Modelo atômico de Bohr

20 Três primeiros níveis Comparação dos modelos

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22 Energias relativas dos elétrons

23 Estrutura Eletrônica dos Elementos

24 Estrutura Eletrônica dos Elementos

25 Âtomo de sódio

26 Eletronegatividades Eletronegatividade pequena Eletronegatividade grande

27 Eletronegatividades

28 Forças e Energias de Ligação E = Fdr E L = E A + E R E L =energia liquida E A =energia de atração E R =energia de repulsão

29 Ligações Iônicas: Metal + não metal configurações estáveis doa aceita elétrons acontece entre + and - íons. precisa de transferência de elétrons diferência entre as eletronegatividades deve ser grande Exemplo: NaCl Neônio Argônio Atração de Coulomb Ligação iônica no cloreto de sódio NaCl

30 Ligações Iônicas: A E L = E A + E R = + r B n r 1 ( Z e)( Z e) A = 1 2 4πε 0 z1, z 2 Valências dos dois tipos de íons.

31 Exemplo Calcule a força de atração entre um ion Ca +2 e O -2 cujos centros encontram-se sepadaros uma distância de 1,25 nm.

32 Exemplo = ( Z e)( Z e) 1 A 1 2 4πε 0 Calcule a força de atração entre um ion Ca +2 e O -2 cujos centros encontram-se sepadaros uma distância de 1,25 nm.

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34 Ligação Covalente Compartilhamento dos elétrons entre átomos adjacentes São fortes. Eletronegatividade similar Example: CH 4 C: tem 4 e - de valência e precisa de mais 4 H: tem 1 e -,de valência e precisa de mais 1 Electronegatividades são similares

35 Ligação Covalente Compartilhamento dos elétrons entre átomos adjacentes Ligação covalente molécula de metano CH 4

36 Ligação Covalente Compartilhamento dos elétrons entre átomos adjacentes Ligação covalente no silício

37 Exemplo Asumindo que a sílica (SiO 2 ) tem 100% de ligações covalentes descreva como o sílicio e o oxigênio formam a sílica (SiO 2 )

38 Exemplo Asumindo que a sílica (SiO 2 ) tem 100% de ligações covalentes descreva como o sílicio e o oxigênio formam a sílica (SiO 2 ) Solução Sílicio tem 4 elétrons de valência e compartilha elétrons com 4 átomos de oxigênio, resultando em 8 elétrons para cada átomo de silício. Porém, o oxigênio tem valência 6 e ompartilha elétrons com 2 átomos de silício resultando em 8 elétrons para cada átomo de oxigênio. Na figura a seguir é ilustrada uma estrutura possível

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40 % caráter iônico = 1 e (X A X B ) 4 2 x (100%) % caráter covalente = e ( X A X 4 B ) 2 x (100%) Ex: MgO X Mg = 1.3 X O = 3.5 (3.5 4 % carater ionico = 1 e 1.3) 2 x (100%) = 70.2% ionico

41 Em um exemplo anterior foi considerado que a sílica (SiO 2 ) tem ligação covalente. Porém ela tem ligações iônica e covalente. Determine a porcentagem dessas ligações.

42 Em um exemplo anterior foi considerado que a sílica (SiO 2 ) tem ligação covalente. Porém ela tem ligações iônica e covalente. Determine a porcentagem dessas ligações. Solução Da tabela periódica obtem-se que a eletronegatividade do silício é 1,8 e a do oxigênio é 3,5. % covalent = exp[-0.25( ) 2 ] x 100% = exp(-0.72) x 100% = 48,6% % iônica = (1- exp[-0.25( ) 2 ]) x 100 % = (1 - exp(-0.72)) x 100%= 51,4 %

43 Ligações Metálicas Metais e suas ligas Elétrons de valência não estão ligados aos átomos Formam um mar de elétrons

44 Calcular o número de elétrons capazes de conduzir cargas elétricas em 10 cm 3 de prata. Densidade da prata é g/cm3 O peso atômico da prata é g/mol

45 Calcular o número de elétrons capazes de conduzir cargas elétricas em 10 cm 3 de prata. Solução A valência da prata Ag é 1, e apenas os elétrons de valência conduzem cargas elétricas. Densidade da prata é g/cm 3 O peso atômico da prata é g/mol. Peso de 10 cm 3 = (10 cm 3 )(10.49 g/cm 3 ) = g 23 àtomos = (104.9 g )( atoms / mol ) = g / mol elétrons = ( atoms)(1 elétron valência/atom) = elétrons de valência em 10 cm 3 23

46 Ligações secundárias Entre dipolos atômicos ou moleculares Ligações fracas.

47 Ligações secundárias Entre dipolos atômicos ou moleculares Ligações fracas. Molécula de água

48 Propriedades Elétricas

49 Condução em sólidos condutores, mercúrio e metais em fusão

50 Condução nos líquidos

51 Condução nos gases

52 Condução nos gases