Nome: Elton Torres Zanoni

Disciplina: Ciência dos Materiais

Professor: Elídio Angioletto

1-No congelamento a maioria das substâncias experimentam um aumento na densidade (ou, correspondentemente, uma diminuição no volume). Uma exceção é a água, que exibe comportamento anômalo e a expansão de até aproximadamente 9 por cento em volume. Como você explica esse comportamento com base do que vimos neste capítulo?

A água é formada por dois átomos de hidrogênio ligado a um átomo de oxigênio. A elevada eletronegatividade do oxigênio, quando comparado ao do hidrogênio, faz com que a molécula fique polarizada. Durante o congelamento, as moléculas de água se organizam-se devido às forças imposta pelas ligações de hidrogênio, formando uma estrutura piramidal (figura 1), que é aberta, ou seja, possuindo um volume maior. Essa organização entre as moléculas de água é que explica o seu comportamento anômalo e do por que a densidade do gelo é menor, fazendo-o flutuar na superfície de água (CALLISTER, 2014).

Figura - Arranjo molecular da molécula de água no estado sólido

Fonte: CALLISTER, 2014

2-Analise de forma detalhada a interação atômica que acontece entre dois átomos posicionados a uma distância “d” infinita, até muito próximos (na ordem de Â). Analise tendo por base a estabilidade molecular.

Os átomos possuem interações interatômica que pode agir de forma atrativa ou repulsiva. Se tomarmos como exemplo dois átomos separados por uma distância “d” tendendo ao infinito, a energia potencial será tão baixa que as forças de repulsão ou de atração praticamente não existem, ou seja, tendem a zero. Ao se aproximar, como observado na figura 2, a energia potencial de atração aumenta até que a proximidade implica em uma força repulsiva causada pelas cargas de mesma natureza. Ao diminuir a distância tendendo a zero, a energia de repulsão tenderá ao infinito. A distância ótima ou o espaço de equilíbrio é a distância em que as forças de atração e de repulsão são iguais, representado na figura em forma de “poço”. Esse espaço é a distância de ligação entre os átomos (CALLISTER, 2014).

Figura - Distância interatômica (a) espaço de equilíbrio o - a' é a distância em que as forças atrativas são iguais as de repulsiva. (b) energia potencial em relação a distância interatômica.

Fonte: CALLISTER, 2014

3- Descreva as principais características das ligações primárias, e explique como podem ajudar a diferenciar as classes dos materiais;

As ligações químicas fortes ou primárias entre átomos podem ser do tipo iônica, covalente ou metálica.

As ligações do tipo iônica, encontrado em átomos metálicos com não metálicos, se caracterizam por uma doação de elétron em decorrência da eletronegatividade entre esses átomos. Neste caso do cloreto de sódio, como por exemplo, o átomo de sódio (Na) cede um elétron para o átomo de cloro (Cl), se tornando assim o Na um íon catiônico Na+ e o Cl um íon aniônico Cl-. A atração coulombiana entre as cargas positivas e negativas faz com que gere interação mutua em todas as direções, caracterizando a ligação iônica do tipo não direcional. Esse tipo de ligação é muito estável, implicando em pontos de fusão elevada a materiais formados por essa ligação química. A distância da ligação química do iônica é em geralmente muito curta, causando o rompimento das ligações com esforços mecânicos elevados, porém com pouca deformação, resultando em fraturas trágicas, sem aviso prévio. São em características duras, porem frágeis (CALLISTER, 2014; VANV LACK, 1984),.

Figura -Representação esquemática da ligação iônica entre átomos de Na e Cl

Fonte: CALLISTER, 2014

Ligações covalentes são quando átomos compartilham elétrons entre si, como representado na figura 4. Isso ocorre quando a não há muita diferença da eletronegatividade entre os átomos. No exemplo da figura, o hidrogênio possui apenas um elétron posicionado no subnível s, e quando compartilha com outro átomo de hidrogênio, ambos possuem o subnível s completo, satisfazendo o equilíbrio energético, sendo assim estável (CALLISTER, 2014).

Esse tipo de ligação química é dito direcional, pois o elétron está ligado entre átomos específicos e em direção única. Não pode haver um mesmo compartilhamento com dois átomos diferentes. Algumas moléculas não metálicas, como metano (CH4), ácido fluorídrico (HF), água (H2O) e ácido nítrico (HNO3) possuem ligação covalente. A força de ligação para este tipo varia de alta até fraca, dependendo do carácter da molécula. Se observarmos o diamante que é formado por carbono tetravalente fazendo ligações covalentes entre si, possui um ponto de fusão elevado, em torno de 3500ºC, devido a intensa força de ligação ocasionado pelo conjunto das quatro ligações (CALLISTER, 2014).

Fonte: CALLISTER, 2014

Figura -Representaçao esquemática de ligação covalente entre átomos de hidrogênio

Em polímero notamos esse tipo de ligação entre os átomos ao longo da cadeia polimérica. Materiais que possuem ligação covalente são péssimos condutores devido ao aprisionamento dos elétrons (CALLISTER, 2014).

Por último se tem as ligações do tipo metálica. Átomos, em geral metais de transição, possuem elétrons de alta energia em sua camada de valência, sendo fracamente ligado ao núcleo atômico. Quando esses átomos se aproximam, formam uma ligação química com esses elétrons que “saltam” de sua posição energética do átomo de origem e migram para os átomos vizinhos. Diz-se que há uma nuvem eletrônica entre os átomos. Isso ocorre por que as camadas de valência se sobrepõem uma nas outras possibilitando o elétron vagar pelo material. Para que o elétron possa sair da banda de valência e entrar na banda de condução (CALLISTER, 2014).

Materiais metálicos, como o ferro, cobre, prata e ouro possuem este tipo de ligação. Em geral a ligação metálica caracteriza ductilidade, tenacidade e condutividade elétrica e térmica (CALLISTER, 2014; VAN VLACK, 1984).

Figura - Representação esquemática de ligação metálica

Fonte: CALLISTER, 2014

4- Como acontecem as ligações secundárias? Explique de forma detalhada.

Ligações secundárias ou forças de Van der Waals ocorrem por atração de Coulomb, quando uma molécula possui dipolo elétrico. Nesse dipolo elétrico a molécula têm as cargas distribuídas de forma assimétrica, tendo uma parte polarizada positivamente e a outra negativamente. As forças que podem ocorrer são: dipolo-dipolo, dipolo induzido e pontes de hidrogênio (VAN VLACK, 1984).

Quando uma molécula é polar e uma outra não, a polarização da molécula polar induzirá uma carga disforme na molécula apolar, causando uma atração momentânea. Quando duas moléculas são polar, ambas interagem e atraem mutuamente uma com a outra (CALLISTER, 2014).

Pontes de hidrogênio ocorrem quando o hidrogênio está ligado a um átomo eletronegativo, polarizando a molécula. A água, por exemplo, é polar devido a eletronegatividade do oxigênio, polarizando o oxigênio com carga mais negativa e o hidrogênio com carga mais positiva (VAN VLACK, 1984; CALLISTER, 2014).

5- A energia de ligação entre os átomos é um dos fatores determinantes das propriedades dos materiais. Explique qual a influência da energia de ligação sobre a temperatura de fusão e a solubilidade dos materiais em solventes em geral.

A fusão de um material é a destruição da estrutura sólida pela temperatura, que é o grau de vibração atômica ou molecular. Para que haja a destruição da estrutura atômica, é necessário romper as ligações que os átomos do material formam. Assim, dependendo da energia de ligação, necessitará mais ou menos energia no grau de agitação (temperatura) (CALLISTER, 2014).

A solubilização é a destruição da estrutura química pela dissociação química ocasionada pelo solvente, que por afinidade consegue quebrar as ligações químicas do soluto. Quanto mais forte a ligação entre os átomos do soluto, menor é a eficiência do solvente, sendo muitas vezes nem capaz de agir. Se diz assim que o material é inerte a determinado solvente. Isso ocorre, por exemplo, quando o material possui carácter polar e o solvente é apolar. Neste caso não há afinidade química (RUSSEL, 1981),.

6. Por que o diamante tem alto ponto de fusão enquanto o ponto de fusão do polietileno é muito mais baixo? (Os dois materiais apresentam ligações covalentes fortes!). Em adição: Por que o diamante é duro e o polietileno é mole? E Por que o diamante é frágil e o polietileno é maleável?

De fato ambos os materiais possuem ligação covalente, porém a diferença está na presença de ligações secundárias que há no polietileno. A interação intermolecular entre as cadeias poliméricas do polietileno faz com que haja o deslocamento das cadeias umas sobre as outras favorecendo um baixo ponto de fusão e características mecânicas diferentes quando comparado ao diamante. As ligações secundárias entre as cadeias poliméricas no polietileno são muito mais marcantes do que as primárias (CANEVAROLO, 2006).

REFERÊNCIA BIBLIOGRÁFICA

CALLISTER, W. D. Materials Science and Engineering an introduction. 9o ed. Wiley, 2014.

CANEVAROLO, S. V. Ciência dos polimeros. 2o ed. Artliber Editora, 2006.

VAN VLACK. Princípios de ciência e tecnologia dos materiais. 4º ed. Campus, 1984.

RUSSEL, John. B. Química Geral. 2º ed. Makron Books. 1981

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