Instituto de Ciência e Tecnologia de Sorocaba Materiais e Reciclagem 2 Classificação de Materiais e Atomística Aplicada à Materiais Professor Sandro Donnini Mancini Sorocaba, Fevereiro de 2016 CLASSIFICAÇÃO DOS MATERIAIS Várias classificações são possíveis. A mais comum, divide os materiais em: Metais 2 1
Metais http://heartjoia.com/2987-metais De modo geral, após o beneficiamento dos minérios (normalmente óxidos), são isolados os materiais metálicos. Exemplos: cobre, alumínio, ferro, aço... 3 Metais Sem-Condutores http://www.osamigosdaonca.com.br/2011/08/cimento-sobe-de-r- 18-para-r-24-no-rn.html Os materiais cerâmicos normalmente são os próprios óxidos, que possuem a propriedade de, com calor e/ou com a adição de determinados elementos, serem moldados e transformados em produtos úteis. Exemplos: cimento, vidro, tijolos... 4 2
Metais http://www.alunosonline.com.br/quimica/polimerosnaturais-e-artificiais-.html Os materiais poliméricos são normalmente longas moléculas de hidrocarbonetos com ou sem heteroátomos, cuja principal fonte é a nafta proveniente da destilação do petróleo. Exemplos: polietilenos, polipropileno, policloreto de vinila... 5 Metais www.cciviles.blogspot.com Os materiais compósitos são materiais multifásicos que exibem uma proporção significativa das propriedades de ambas as fases que o constituem, de tal modo que é obtida uma melhor combinação de propriedades. Caracterizados por matrizes reforçadas. Exemplos: concreto armado, epóxi com fibra de vidro... 6 3
Metais http://informatica.hsw.uol.com.br/semicondutores.htm Os materiais semi-condutores são materiais que possuem propriedades de condução elétrica intermediária entre os condutores (metais) e isolantes (cerâmicas e polímeros) e que podem ser controladas com precisão em áreas bem pequenas. Exemplos: silício, germânio, arseneto de gálio... 7 Classificação de Materiais Classificação dos Elementos 8 4
http://www.infoescola.com/quimica/ tabela-periodica/ Classificação da Tabela Periódica dos Elementos em Metais, Semi-metais ou Não Metais Metais perdem elétrons facilmente (eletropositivos) bons condutores Semi-metais B, Si, Ge, As, Sb, Te, Po não apresentam eletronegatividade ou eletropositividade elevadas Propriedades intermediárias Não metais eletronegativos, maus condutores 10 5
ESTRUTURA ATÔMICA Dalton Thompson Einstein Rutherford Bohr de Broglie Heinsenberg Schrodinger Pauli Hund Pauling 11 LIGAÇÃO COVALENTE - direcional Elétrons são partilhados entre dois átomos com pelo menos um dos orbitais semi-preenchidos. A partilha é baseada na superposição dos orbitais (a qual ocorre em determinados ângulos), o que confere caráter direcional à ligação. Fazem ligação covalente os não metais. Carbono 1s 2 2s 2 2p 2 só duas ligações hibridação (sp) 3 permite quatro ligações uma vez que estas constituem configuração de menor energia. 12 http://www.sixthsense.osfc.ac.uk 6
LIGAÇÃO IÔNICA não direcional Átomos suficientemente eletropositivos (metais) aproximam-se de átomos suficientemente eletronegativos (não metais) e os primeiros perdem elétrons para os últimos. Porém, ambos têm que permanecer próximos para manter a relação de troca, segundo uma distância ótima. O número de íons que se acomodam depende de fatores geométricos e neutralidade elétrica. http://www.colegioweb.com.br/quimica/acetona.html Moffat, W.G., Pearsall, G.W. e Wulff,J. Ciência dos Materiais. v. 1 (Estrutura). Trad. Juarez V. Távora. Ed. Livros Técnicos e Científicos. Rio de Janeiro, 1972.235p. LIGAÇÃO METÁLICA não direcional Pode ocorrer somente entre um grande agregado de átomos, essencialmente metais, e não mais entre poucos átomos como no caso da ligação covalente e iônica. Se um átomo apresenta poucos elétrons de valência, estes podem ser removidos com relativa facilidade, enquanto os outros são mais firmemente ligados ao núcleo ( caroço iônico + elétrons livres). A ligação metálica constitui-se no encontro de duas nuvens que, como são móveis, dão caráter não-direcional à ligação. http://www.qieducacao.com/2011/04/ligacao-metalica-ligacao-metalica.html 14 7
LIGAÇÕES SECUNDÁRIAS Em situações de estabilidade, nenhum tipo de ligação primária (covalente, iônica ou metálica) pode se efetivar pois requerem ajustamento nos elétrons de valência. Ocorrem então as ligações secundárias (envolvem energias de ligação menores que as primárias). Van der Walls (dipolo instantâneo e induzido) podem se originar dipolos elétricos pelo movimento dos elétrons e/ou por influência de dipolos permanentes. Por um dos motivos, há um pouco mais de elétrons de um lado do núcleo do que de outro, de modo que as resultantes positiva e negativa não coincidam, formando uma polarização fraca. Devido a essa atração, os gases nobres ou mesmo os inertes podem se condensar em baixas temperaturas. Ligação não-direcional. Dipolo permanente átomos próximos se atraem pela diferença de eletronegatividade. Ligação direcional. Exemplo: Nylon, PET, PVC... Ponte de Hidrogênio caso típico de dipolo permanente onde o pólo positivo é o hidrogênio e o negativo apresenta eletronegatividade relativamente alta. Ligação direcional. Exemplo: água. Energias de Ligação ( forças de ligação) Iônica 150-370 kcal/mol Covalente 125-300 kcal/mol Metálica 25-200 kcal/mol Secundárias - < 10 kcal/mol http://www.joinville.udesc.br/portal/professores/daniela/materiais/aula_2 ligacoes_quimicas.pdf 16 8
Metais Ligação Metálica Ligação Iônica / Covalente Ligação Covalente e van der Waals Depende da matriz e do reforço Ligação Iônica / Covalente 17 Sólidos são átomos arranjados de acordo com a força e direcionalidade (quando existente) das ligações interatômicas. 9
Cerâmicos e Semicondutores Sólidos Iônicos ou Covalentes? de eletronegatividade (ΔE) caráter iônico Fração Covalente = e -0,25ΔE Fração Iônica = 1 Fração Covalente www.feng.pucrs.br/.../materiais%20ceramicos/ Geralmente : Caráter covalente temperatura de fusão dureza 19 Materiais formados por só um elemento químico: Átomos com pequena valência (1, 2, 3) ligação metálica; Átomos com valência maior ligação covalente. 20 10