1. Prefcio 1 i esta Quinta Edio, mantive os objetivos e as
tcnicas para o ensino da cincia e engenharia dos materiais apresen-
tados nas edies anteriores. 0 primeiro e principal objetivo
consiste em apresentar os fundamentos bsicos de acordo com um nvel
apropriado para alunos universitrios que tenham concludo seus
cursos de clculo, qumica e fsica do primei- ro ano. Com o objetivo
de atingir essa meta. empenhei-me no uso de uma terminologia
familiar ao aluno que estivesse se deparando pela primeira vez com
a disciplina da cincia e engenharia dos materiais, e tambm na
definio e explica- o de todos os termos que no fossem familiares. O
segundo objetivo consiste em apresentar a matria em uma ordem
lgica, desde os conceitos mais simples at os mais complexos. Os
doze primeiros captulos esto voltados prin- cipalmente para os
materiais metlicos e suas ligas, os quais. estruturalmente, so os
mais simples dos quatro tipos de materiais. Os cinco captulos
seguintes tratam dos materiais cermicos, polmeros, e compsitos,
nessa ordem. Alm dis- so, cada captulo est construdo sobre o
contedo de cap- tulos anteriores. Isso especialmente verdadeiro no
caso dos Caps. 2 a 11, que tratam de ligaes atmicas, estruturas
cris- talinas, imperfeies, difuso, propriedades mecnicas,
discordncias. falhas, diagramas de fases, transformaes de fases e
processamento trmico, nessa seqncia. 0 terceiro objetivo, ou
filosofia, que me esforo para man- ter ao longo de todo o texto
aquele de que. se um tpico ou conceito digno de ser tratado neste
livro, ento ele merece ser tratado com detalhes suficientes e com
uma profundida- de tal que os alunos tenham a oportunidade de
compreen- der por completo o assunto, sem que tenham que consultar
outras fontes de informaes: ainda, na maioria dos casos, fornecida
alguma aplicabilidade prtica. As discusses tm por objetivo serem
claras e concisas, alm de comear a par- tir de nveis apropriados de
compreenso. 0 quarto objetivo consiste em incluir no livro
caracters- ticas que iro acelerar o processo de aprendizado. Esses
re- cursos de aprendizado incluem numerosas ilustraes e fo-
tografias, que auxiliam na visualizao do que est sendo apresentado;
perguntas e problemas ao final dos captulos. assim como as
respostas para alguns problemas seleciona- dos, que ajudam na
auto-avaliao do aluno: um glossrio. uma lista de smbolos, e
referncias, para facilitarem a com- preenso da matria. O livro
enfatiza, ainda, a importncia do uso de recursos computacionais
interativos que facilitem a visualizao dos conceitos e forneam
elementos para re- solver problemas de projetos e de seleo de
materiais. Em relao s perguntas e problemas, a maioria dos pro-
blemas exige clculos que levam a solues numricas: em alguns casos,
pede-se ao aluno que tome uma deciso com base na soluo para o
problema. Alm do mais, muitos dos conceitos dentro da disciplina da
cincia e engenharia dos materiais so de natureza descritiva. Dessa
forma, foram includas perguntas que exigem respostas descritivas e
por escrito: o fato de ter que fornecer uma resposta por escrito
auxilia o aluno a obter melhor compreenso do conceito que est
associado. As perguntas so de dois tipos: em um dos tipos, o aluno
precisa dar somente, em suas prprias pala- vras, uma explicao para
alguma matria que foi apresen- tada no texto: outras perguntas
exigem que o aluno raciocine e/ou sintetize uma idia antes de
chegar a uma concluso ou uma soluo. CARACTERSTICAS QUE SO NOVAS
NESTA EDIO Em primeiro lugar, cada captulo comea agora com duas
novas sees: "Por que Estudar..." e "Objetivos do Captu- lo." Cada
seo "Por que Estudar...1 ' estabelece a relevncia dos tpicos
discutidos no captulo e, na maioria das situa- es, fornece pelo
menos um exemplo. A seo "Objetivos do Captulo" oferece uma lista
resumida dos objetivos gerais do aprendizado de um dado captulo
pertinentes ao princpios e conceitos essenciais que o aluno deve
compreender e. em muitas situaes, ser capaz de aplicar. Em segundo
lugar, com o objetivo de melhorar a com- preenso do processo de
seleo de materiais, fiz alteraes significativas nos apndices e
adicionei vrios exerccios de seleo de materiais. 0 Apndice B,
"Propriedades de Ma- teriais de Engenharia Selecionados"', contm
agora os va- lores de onze propriedades (por exemplo, densidade,
resis- tncia, condutividade eltrica, etc.) para um conjunto de
aproximadamente uma centena de materiais. Uma parte desse banco de
dados estava includa na Quarta Edio (como Apndice C): no entanto,
os dados para as proprie- dades no eram sempre para os mesmos
materiais. Ainda, um novo Apndice C foi includo, contendo os preos
para todos os materiais listados no Apndice B: os critrios de seleo
de materiais envolvem, quase sempre, consideraes relacionadas a
custos. Em terceiro lugar, tentei limitar o acrscimo de matri- as
novas nessa reviso. A comunidade universitria da rea
2. de engenharia est justificadamente preocupada com a maior
extenso (e o aumento do custo a isto associado) de cada nova edio
de um livro didtico. Compartilho essa preocu- pao, e por isso me
empenhei em minimizar a incluso de novas matrias que tornassem esta
edio mais longa. Con- tudo, foi necessria alguma atualizao, com o
objetivo de manter o livro em dia com estado-da-arte. 1* oram
adiciona- dos vrios novos problemas para trabalho de casa, a maio-
ria dos quais problemas de projeto, e muitos dos outros pro- blemas
foram modificados. Dado o consenso entre os pro- fessores de
engenharia de que os livros atuais de introdu- o cincia e
engenharia dos materiais devem, entre outras coisas, ser atuais e
incluir uma quantidade significa- tiva de material referente a
projeto, no considerei apropri- ado eliminar sees do livro cuja
perda iria comprometer seu contedo cientfico, com o nico objetivo
de tornar menor esta edio. Destaques: Ao longo de todo o livro,
sempre que houver algum texto ou problema que possa ser
suplementado computacionalmente. um pequeno cone representando o
aspecto em destaque estar includo em unia das margens. Esses cones
so os seguinte?: Cristalografia e Clulas Unitrias Ensaios de Trao
Estruturas Cermicas Problema de Difuso e Projeto Estruturas de
Polmeros Aumento da Resistncia por Soluo Slida Discordncias
Diagramas de Fases SUPORTE NA INTERNET 0 site que d suporte a este
livro pode ser encontrado em www.wiley.com/college/callister. Ele
oferece uma lista ampliada dos objetivos do aprendizado,
atualizaes, recur- sos adicionais para o ensino e o aprendizado,
links para ou- tros sites afins, e outros recursos. Visite-nos com
freqn- cia para obter os novos recursos que tornaremos dispon- veis
para auxiliar o ensino da cincia e engenharia dos materiais pelos
professores e o aprendizado dessa discipli- na pelos alunos.
AGRADECIMENTOS Expresso meu agradecimento a todos aqueles que deram
suas contribuies a esta edio. Estou especialmente em dbil o com as
seguintes pessoas: Carl Wood da tah State University. Rishikesh K.
Bharadwaj da Systran Federal Corporation. Manin bearcy da 1
levvleit-Packard Coinpany. James Moore e Venda Schadler do
Rensselaer Polvtechnic Institute. e Ronald G. Kander da Virga is ;
vtechnic Institute and State L niver- sity. Alm deles. idia>
zestes teis foram dadas por Emily L. Allen >an Jos State
University William D. Armstroi" niversity of Washington Michel W.
Barsoum Drexel University Audrey Butler University of lowa Manred
Cantow San Jos State University Paul R. Chalker The University of
Liverpool J. R. Chelikowsky University of Minnesota George A.
Cooper University* of Califrnia (Berkeley) Ari Daiz San Jos State
University James H. Edgar Kansas State Lniversity Stuart Feldman
University of Michigan Brian Flinn University of Washington K. S.
Sree Harsha San Jos State University H. . Hashemi Northeastern
University Robert Heidersbach Cal Poly San Uuis Obispo John Hndon
Ren-^elaer Polvtechnic Instituir Alan Karplus Western New England
Collegi1 Sandra kwiatek U.S. Naval Academy Jennifer A. Lewis
University of Illinois Norman Munroe Florida International
University Patrick P. Pizzo San Jos State University Mark R.
Plichta Michigan Technological University W. M. Reichert Duke
University Murray Roblin Cal Poly Pomona J. W. Rogers, Jr.
University of Washington David Srolovitz University* of Michigan
Thomas G. Stoebe University of Washington Robert G. Stang
University of Washington Steven M. Valisove University of Michigan
Uinda Vanasupa Cal Poly San Uuis Obispo J. M. Yang UCUA " Tambm
estou em dbito com Wayne Anderson. Editor Pa- trocinador, e Monique
Calello. Editora de Produo, nai- ley por sua assistncia e orientao
nessa reviso. Meus agra- decimentos e minhas desculpas a outras
pessoas cujas con- tribuies eu possa ter esquecido de agradecer.
Por fim. ma? certamente no menos importante, meus profundos e
since- ros agradecimentos pelo encorajamento e o apoio contnuo- da
minha famlia e dos meus amigos. WlLLlAMD.C.VLLISTER.JR. Salt Lake
City. I t c i h Janeiro de 1999
3. Sumrio LISTA DE SMBOLOS XV /. Introduo Objetivos de
Aprendizado 2 1.1 Perspectiva Histrica 2 1.2 Cincia e Engenharia
do- Materiais 2 1.3 Por que Estudar Cincia e Engenharia dos
Materiais? 3 1.4 Classificao dos Materiais 4 1.5 Materiais Avanados
4 1.6 Necessidades dos Materiais Modernos 4 Referncias 5 2.
Estrutura Atmica e Ligao Interatmica 6 Objetivos de Aprendizado 7
2.1 Introduo 7 ESTRUTURA ATMICA 7 2.2 Conceitos Fundamentai 7 2.3
Eltrons nos tomos 7 2.4 A Tabela Peridica 11 LIGAO ATMICA NOS
SLIDOS 12 2.5 Foras e Energias de Ligao 12 2.6 Ligaes Interatmicas
Primrias 13 2.7 Ligaes Secundrias ou Ligaes de Van der Waals 16 2.8
Molculas 17 Resumo 11 Termos e Conceitos Importantes 77 Referncias
17 Perguntas e Problemas 1S 3. A Estrutura de Slidos Cristalinos 20
Objetivos de Aprendizado 21 3.1 Introduo 21 ESTRUTURAS CRISTALINAS
21 3.2 Conceitos Fundamentais 21 3.3 Clulas Unitrias 21 3.4
Estruturas Cristalinas de Metais 22 3.5 Clculos da Densidade 25 3.6
Polimorfismo e Aloiropia 25 3.7 Sistemas Cristalinos 2o DIREES E
PLANOS CRISTALOGRFICOS 26 3.8 Direes Cristalogrficas 26 3.9 Planos
Cristalogrficos 29 3.10 Densidades Atmicas Linear e Planar 32 3.11
Estruturas Cristalinas Compactas 33 MATERIAIS CRISTALINOS E
NO-CRISTALINOS 34 3.12 Monocristais 34 3.13 Material-
Policristalinos 35 3.14 Anisotropia 35 3.15 Durao de Raios X:
Determinao de Estrutura? Cristalinas 36 3.16 Slidos No-cristalinos
39 Resumo 40 Tcrni.< c Conceitos Importantes 40 Referncias 40
Perguntas e Problemas 40 4. Imperfeies em Slidos 45 Objetivo- de
Aprendizado 46 4.1 Introduo 46 "~ DEFEITOS PONTUAIS 46 _=_._ 4.2
Lacunas e Auto-intersticiais 46 4.3 Impurezas em Slidos 47
IMPERFEIES DIVERSAS 50 4.4 Discordncias Defeitos Lineares 50 4.5
Defeitos Interfaciais 51 4.6 Defeitos Volumtricos ou de Massa 55
4.7 Vibraes Atmicas 55 EXAME MICROSCPICO 55 4.8 Informaes Gerais 55
4.9 Microscopia 56 4.10 Determinao do Tamanho de Gro 59 Resumo 59
Termos e Conceitos Importantes 59 Referncias 60 Perguntas e
Problemas 60 5. Difuso 63 Objetivos de Aprendizado 64 5.1 Introduo
64 5.2 Mecanismos da Difuso 64 5.3 Difuso em Estado Estacionrio 66
5.4 Difuso em Estado No-estacionrio 67
4. 5.5 Fatores que Influenciam a Difuso 70 5.0 Outros Caminhos
de Difuso 7-1 Resumo 74 Termos e Conceitos Importantes 7-t
Referncias 7~f Perguntas e Problemas 7-t 6. Propriedades Mecnicas
dos Metais 78 Objetivos de Aprendizado 79 0.1 Introduo 79 0.2
Conceitos de Tenso e Deformao 79 DEFORMAOELSTICA82 0.3
Comportamento Tenso-Deformao 82 0.4 Anelasticidade 82 0.5
Propriedades Elsticas dos Materiais 85 DEFORMAOPLSTICA86 0.0
Propriedades de 1 rao 87 0.7 Tenso Verdadeira e Deformaoerdadeira
91 (> li Recuperaro Elstica Durame uma Deformao Plstica 93 0.9
Deformaes Compressiva. Cisalhante e Torcional 93 0.10 Dureza 94
0.11 Variabidade nas Propriedades dos Materiais 97 0.12 Fatores de
Projeto/Securana 99 Resumo 100 Iermos e Conceitos Importantes 100
Referncias 100 Perguntas e Problem 100 7. Discordncias e Mecanismos
de Aumento de Resistncia 107 Objetivos de Aprendizado 108 7.1
Introduo 108 DISCORDNCIAS E A DEFORMAO PLSTICA 108 7.2 Conceitos
Bsicos1 Ou 7.3 Caractersticas das Discordncias 110 7.-1 Sistemas de
Escorregamento 111 7.5 Escorregamento em Monocristais 112 7.0
Deformao Plstica de Materiais Policristalinos 1H 7.7. Deformao por
Maclagem 115 MECANISMOS DOAUMENTODERESISTNCIAEM METAIS 116 7.8
Aumento de Resistncia pela Reduo no Tamanho do Gro 116 7.9 Aumento
de Resistncia por Soluo Slida 117 7.10 Encruamento 119
RECUPERAO.RECRISTALIZAOECRESCIMENTODE GRO 120 7.11 Recuperao 121
7.12 Recristalizao 121 7.13 Crescimento de Gro 125 Resumo 125
Termos e Conceitos Importantes 126 Referncias 126 Persuntas e
Problemas 126 S. Falha 129 Objetivos de Aprendizado 130 8.1
Introduo 130 FRATURA 130 8.2 Fundamentos da Fratura 130 8.3 Fratura
Dctil 131 8.4 Fratura Frgil 132 8.5 Princpios da Mecnica da Fratura
132 8.6 Ensaios de Fratura por Impacto 143 FADIGA 146 8.7 Tenses
Cclicas 147 8.8 A Curva a-A' 148 8.9 Iniciao e Propagao de Trincas
149 8.10 Taxa de Propagao da Trinca 151 8.11 Fatores que
Influenciam a Vida em Fadiga 155 8.12 Efeitos do Ambiente 156
FLUNCIA 157 8.13 Comportamento Geral da Fluncia 157 8.14 Efeito? da
Tenso e da Temperatura 158 8.15 Mtodos para Extrapolao de Dados 159
8.10 Ligas para Uso a Altas Temperaturas 159 Resumo 160 Termos e
Conceitos Importantes 161 Referncias 161 Perguntas e Problemas 162
9. Diagramas de Fase 1< Objetivos de Aprendizado 169 9.1
Introduo 169 DEFINIES E CONCEITOS BSICOS 169 9.2 Limite de
Solubilidade 169 9.3 Fases 170 9.4 Mieroestrutura 170 9.5 Equilbrio
de Fases 170 DIAGRAMAS DEFASES EM CONDIES DE EQUILBRIO 171 9.6
Sistemas lsomorfos Binrios 171 9.7 Sistemas Eutticos Binrios 171
9.8 Diagramas de Equilbrio que Possuem Fases ou Compostos
Intermedirios 184 9.9 Reaes Eutetides e Peritticas 180 9.10
Transformaes de Fases Congruentes 187 9.11 Diaeramas de Fases
Cermico e Ternrio 187 9.12 A Lei das Fases de Gibbs 187 O SISTEMA
FERRO-CARBONO 188 9.13 O Diagrama de Fases Ferro-Carbeto de Ferro
(Fe-Fe:iC) 189 9.14 Desenvolvimento das Microestruturas em Ligas
Ferro-Carbono 191 9.15 A Influncia de Outros Elementos de Liga 195
Resumo 196 Termos e Conceitos Importantes 196 Referncias 197
Perguntas e Problemas 197
5. 10. Transformaes de Fases em Metais: Desenvolvimento da
Microestrutura e Alterao das Propriedades Mecnicas 202 Objetivos de
Aprendizado 203 10.1 Introduo 203 TKANhHm.M.vKs 1)1. I-.VSKS 203
10.2 Conceitos Bsicos 203 10.3 A Cintica de Reaes no Estado Slido
203 10.4 Transformaes Multifsicas 204 ALTERAES MICROESTRUTURAIS E
DAS PROPRIEDADES EM LIGAS FERRO-CARBONO 205 10.5 Diagramas de
Transformaes Isotrmicas 205 10.6 Diagramas de Transformao por
Resfriamento Contnuo 214 10.7 Comportamento Mecnico de Ligas
Ferro-Carbono 215 10.8 Martensita Revenida 218 10.9 Reviso das
Transformaes de Fases para Ligas Ferro-Carbono 220 Resumo 220
Termos e Conceitos Importantes 221 Referncias 221 Perguntas e
Problemas 221 11. Processamento Trmico de Ligas Metlicas 226
Objetivos de Aprendizado 22" 11.1 Introduo 227 PROCESSOS DE
RECOZIMENTO 227 11.2 Recozimento Intermedirio 227 11.3 Alvio de
Tenso 227 11.4 Recozimento de Ligas Ferrosas 228 TRATAMENTO TRMICO
DE AOS 229 11.5 Endurecibilidade 229 11.6 Influncia do Meio de
Resfriamento, do Tamanho e da Geometria da Amostra 232
ENDURECIMENTO POR PRECIPITAO 236 11.7 Tratamentos Trmicos 236 11.8
Mecanismo de Endurecimento 238 11.9 Consideraes Gerais 240 . Resumo
240 Termos e Conceitos Importantes 240 Referncias 24-0 Perguntas e
Problemas 240 12. Ligas Metlicas 243 Objetivos de Aprendizado 244
12.1 Introduo 244 FABRICAO DOS METAIS 244 12.2 Operaes de Conformao
244 12.3 Fundio 246 12.4 Tcnicas Diversas 24 LIGASFERROSAS24T" 12.5
Aos 24" 12.6 Ferros Fundidos 251 LICAS NO-FERROSAS 256 12.7 Cobre e
suas Ligas 256 12.8 Alumnio e suas Ligas 258 12.9 Magnsio e suas
Ligas 258 12.10 Titnio e suas Ligas 260 12.11 Os Metais Refratnrios
260 12.12 A>,-Miperhiiu:,2l>2 12.13 Os Metais Nobres 262
12.14 Ligas No-Ferrosas Diversas 262 Resumo 262 Termos e Conceitos
Importantes 263 Referncias 263 Perguntas e Problemas 263 13.
Estruturas e Propriedades das Cermicas 265 Objetivos de Aprendizado
266 13.1 Introduo 266 ESTRUTURAS CERMICAS 266 13.2 Estruturas
Cristalinas 266 13.3 Cermicas Base de Silicato 272 13.4 Carbono 275
13.5 Imperfeies nas Cermicas 277 13.6 Diagramas de Fases dos
Materiais Cermicos 2"7 9 PROPRIEDADES MECNICAS 281 13.7 Fratura
Frgil das Cermicas 281 03.o Comportamento Tenso-Deformao 2o2 13.9
Mecanismos da Deformao Plstica 283 13.10 Consideraes Mecnicas
Diversas 285 Resumo 286 Termos e Conceitos Importantes 286
Referncias 289 Persuntas e Problemas 287 14. Aplicaes e
Processamento das Cermicas 291 Objetivos de Aprendizado 292 14.1
Introduo 292 VIDROS 292 14.2 Propriedades dos Vidros 292 14.3
Conformao do Vidro 294 14.4 Tratamento Trmico dos Vidros 295
14.5itrocermicos 296 PRODUTOS BASE DE ARGILA 296 14.6 As
Caractersticas das Argilas 296 14.7 Composies dos Produtos Base de
Argila 29" 14.8 Tcnicas de Fabricao 297 14.9 Secajrem e Cozimento
298 REFRATRIOS 299 14.10 Anrilas Refratrias 300 14.11 Refratrios
Base de Slica 300 14.12 Refratrios Bsicos 300 14.13 Refratrios
Especiais 300 OUTRAS APLICAES EMTODOS DE PROCESSAMENTO 301 14.14
Abrasivos 301 14.15 Prensagem do P 301
6. 14.16 Fundio em Fita 303 14.17 Gimentos303 14.18 Cermicas
Avanadas 303 Resumo 304 Termos e Conceitos Importantes 305
Referncias 305 1'erguitlus e Problemas 30515. ^Estruturas
Polimricas 308 Objetivos de Aprendizado 309 15.1 Introduo 309 15.2
Molculas de Hidrocarbonetos 309 15.3 Molculas dos Polmeros 310
15.-+ A Qumica das Molculas dos Polmeros 310 15.5 Peso Molecular
312 15.6 Forma Molecular 316 15.7 Estrutura Molecular 317 15.8
Configuraes Moleculares 318 15.9 Gopolmeros 319 15.10
Cristalinidade do Polmero 320 15.11 Cristais de Polmeros 321 Resumo
323 Termos e Conceitos Importantes 324 Referncias 324 Perguntas e
Problemas 32416. 'Caractersticas, Aplicaes, e o Processamento
^-^dos Polmeros 327 Objetivo- Aprendizado 328 16.1 Introduo 32"
CARACTERSTICAS MECNICAS E TERMOMECNICAS 328 16.2 Comportamento
Tenso-Deformao 328 16.3 Deformao de Polmeros Semicristalinos 330
16.4 Fatores que Influenciam as Propriedades Mecnicas dos Polmeros
330 16.5 Fenmenos da Cristalizao, da Fuso e da Transio Vtrea 333
16.6 Polmeros Termoplsticos e Termofixos 336 16.7 Viscoelasticidade
336 16.8 Deformao de Elastmeros 339 16.9 Fratura de Polmeros 339
16.10 Caractersticas Diversas 340 APLICAES EPROCESSAMENTO DOS
POLMEROS 341 16.11 Polimerizao 342 16.12 Aditivos para Polmeros 343
16.13 Tipos de Polmeros 343 16.14 Plsticos 343 16.15 Elastmeros 347
16.16 Fibras 349 1-6.17 Aplicaes Diversas 349 16.18 Materiais
Polimricos Avanados 350 Resumo 352 Termos e Conceitos Importantes
353 Referncias 353 Perguntas e Problemas 354 17. Compsitos 358
Objetivos de Aprendizado 359 17.1 Introduo 359 COMPSITOS REFORADOS
COM PARTCULAS 360 17.2 Compsitos com Partculas Grandes 360 17.3
Compsitos Reforados por Disperso 363 COMPSITOS REFORADOS COM FIBRAS
363 17.4 Influncia do Comprimento da Fibra 363 17.5 Influncia da
Orientao e da Concentrao da Fibra 364 17.6 A Fase Fibra 369 17.7 A
Fase Matriz 371 17.8 Compsitos com Matriz de Polmero 371 17.9
Compsitos com Matriz Metlica 373 17.10 Compsitos com Matriz Cermica
374 17.11 Compsitos Carbono-Carbono 375 17.12 Compsitos Hbridos 375
17.13 Processamento de Compsitos Reforados com Fibra- 37(i
COMPSITOS ESTRUTURAIS 380 17.14 Compsitos Laminares 380 17.15
Painis em Sanduche 381 Resumo 3S1 Termos e Conceitos Importantes
382 Referncias 3S2 Perguntas e Problemas 3S3 18. Corroso e Degradao
dos Materiais 3 ' Objetivos de Aprendizado 388 18.1 Introduo 388
CORROSO DE METAIS 388 18.2 Consideraes Eletroqumicas 388 18.3 Taxas
de Corroso 392 18.4 Estimativa de Taxas de Corroso 393 18.5
Passividade 398 18.6 Efeitos do Ambiente 399 18.7 Formas de Corroso
399 18.8 Ambientes de Corroso 404 18.9 Preveno da Corroso 405 18.10
Oxidao 406 CORROSODEMATERIAIS CERMICOS 408 DEGRADAO DE POLMEROS 408
18.11 Inchamento e Dissoluo 408 18.12 Ruptura da Ligao 408 18.13
Intemperismo 410 Resumo 410 Termos e Conceitos Importantes 4I
Referncias 411 Perguntas e Problemas 4ll 19. Propriedades Eltricas
415 Objetivos de Aprendizado 416 19.1 Introduo 416 CONDIO ELTRICA
416
7. 19.2 LeideOhm416 19.3 Condutividade Eltrica-ti0 19.4 Conduo
Eletrnica e Inica 417 19.5 Estruturas da Banda de Energia nos
Slidos 417 19.6 Conduo em Termos de Bandas e Modelos de Ligao
Atmica 419 ( l~: Mobilidade Eletrnica 420 19.8 Resistividade
Eltrica dos Metais 421 19.9 Caractersticas Eltricas de Ligas
Comerciais 422 SEMICONDUTIVIDADE 422 19.10 Semiconduo Intrnseca 422
19.11 Semiconduo Extrnseca 424 19.12 A Variao da Condutividade e da
Concentrao de Portadores com a Temperatura 427 10.10 () Eleito Hall
430 19.10 Dispositivos Semicondutores 431 CONDUO ELTRICA EM
CERMICAS INICAS E EM POLMEROS 435 19.1o Conduo nos Materiais lnicos
435 ll ). 1() Propriedades Eltricas dos Polmeros 435 COMPORTAMENTO
DIELTMCO 436 19.17 Capacitncia 436 19.18 Vetores de Campo e
Polarizao 436 19.19 Tipos de Polarizao 440 19.20 Dependncia da
Constante Dieltrica em Relao Freqncia 44 19.21 Resistncia Dieltrica
441 19.22 Materiais Dieltricos 441 OUTRAS CARACTERSTICAS ELTRICAS
DOS MATERIAIS 441 19.23 Ferroeletricidade 441 19.24
Piezoeletricidade 442 Resumo 44.3 Termos e Conceitos Importantes
44,3 Referncias 444 Perguntas e Problemas 444 20. Propriedades
Trmicas 449 Objetivos de Aprendizado 450 20.1 Introduo 450 20.2
Capacidade Calorfica 4-50 20.3 Expanso Trmica 451 20.4
Condutividade Trmica 453 20.5 Tenses Trmicas 455 Resumo 457 Termos
e Conceitos Importantes 457 Referncias 457 Perguntas e Problemas
457 21. Propriedades Magnticas 460 Objetivos de Aprendizado 461
21.1 Introduo 461 2 1.2 Coneeiio* Bsicos 461 21.3 Dianiagnetismo e
Paramagnetismo 463 21.4 Ferromagnetismo 464 21.5
Antiferromagnetismo e Ferriinasrnetismo 466 21.6 A Influncia da
Temperatura sobre o Comportamento Magntico 468 21.7 Domnios e
Histereses 469 21.8 Materiais Magnticos Moles 471 21.9 Materiais
Magnticos Duros 472 21.10 Armazenamento Magntico 473 21.11
Supercondutividade 475 Resumo 477 Termos e Conceitos Importantes
478 Referncias 4 78 Perguntas e Problemas 478 22. Propriedades
ticas 481 Objetivos de Aprendizado 482 22.1 Introduo 482 CONCEITOS
BSICOS 482 22.2 Radiao Eletromagntica 482 22.3 Interaes da Luz com
Slidos 483 22.4 Interaes Atmicas e Eletrnicas 484 PROPRIEDADES
TICAS DOS METAIS 484 PROPRIEDADES TICAS DOS NO-METAIS 485 22.5
Refrao 485 22.6 Reflexo 486 22.7 Absoro 486 22.8 Transmisso 488
22.( ) Cor 488 22.10 Opacidade e Translucidez em Materiais
Isolantes 489 APLICAES DOS FENMENOS TICOS 490 22.11 Luminescncia
490 22.12 Fotocondutividade 490 22.13 Lasers 491 22.14 Fibras ticas
nas Comunicaes 494 Resumo 496 Termos e Conceitos Importantes 496
Referncias 496 Perguntas e Problemas 497 23. Seleo de Materiais e
Consideraes de Projeto 499 Objetivos de Aprendizado 500 23.1
Introduo 500 SELEO DE MATERIAIS PARA UM EIXO CILNDRIO TENSIONADO EM
TORO 500 23.2 Resistncia 500 23.3 Outras Consideraes de
Propriedades e a Decist Final 504 MOLA DE VLVULA DE AUTOMVEL 504
23.4 Introduo 504 23.5 Mola de Vlvula de Automvel 505 TROCA DE
PRTESE TOTAL DA BACIA 508 23.6 Anatomia da Articulao da Bacia 508
23.7 Exigncias de Materiais 510 23.8 Materiais Empregados 511
8. SISTEMADE PROTEOTRMICADONIBUS ESPACIAL 512 23.9 Introduo 512
23.10 Sistema de Proteo Trmica Exigncias de Projeto 513 23.11
Sistema de Proteo Trmica Componentes 514 MATERIAIS PARAPACOTES DE
CIRCUITOS INTEGRADOS 517 23.12 Introduo 517 23.13 Projeto de Barra
de Terminais e Materiais 517 23.14 Colagem da Matriz 518 23.15
Ligao dos Fios 519 23.16 Encapsulamento do Pacote 521 23.17 Colagem
Automatizada com Fita 522 Resumo 523 Referncias 524 Perguntas e
Problemas 525 24. Questes Econmicas, Ambientais e Sociais na Cincia
e Engenharia dos Materiais 52 S Objetivos de Aprendizado 529 24.1
Introduo 529 CONSIDERAES ECONMICAS 529 24.2 Projeto do Componente
529 24.3 Materiais 529 2-1.4 Tcnicas de r abricao 530 CONSIDERAES
AMBIENTAIS E SOCIAIS 530 24.5 Questes sobre Reciclagem na Cincia e
Engenharia dos Materiais 532 Resumo 53-t Referncias 53-i Apndice A
O Sistema Internacional de Unidades (SI) 535 Apndice B Propriedades
de Materiais de Engenharia Selecionados 537 B. 1 Deiiidade 53"7 B.2
Mdulo de Elasticidade 539 B.3 Coeficiente de Poisson 540 B.4
Resistncia e Ductilidade 541 B.5 Tenacidade Fratura em Deformao
Plana 540 B.(> Coeficiente Linear de Expanso Trmica 546 B.7
Condutividade Trmica 548 B.8 Calor Especfico 550 B.9 Resistividade
Eltrica 551 B.10 Composies de Ligas Metlicas 553 Apndice C Custos e
Custos Relativos de Materiais de Engenharia Selecionados 554
Apndice D Estruturas Mero para Polmeros Comuns 55 S Apndice E
Temperaturas de Transio Vtrea e de Fuso para Materiais Polimricos
Comuns 562 Glossrio 563 Respostas a Problemas Selecionados 5 74
ndice 5 7S
9. Lista de Smbolos O nmero da seo em que um smbolo introduzido
ou explicado dado entre parntese*. A = rea A = unidade de angstroni
Aj = peso atmico do elemento / (2.2) FEA = fator de empacotamento
atmico (3.4) %RA = dutilidade. em reduo percentual na rea (6.6) o =
parmetro do retculo cristalino: coinprimeiitu axial x da clula
unitria (3.4) a = comprimento da trinca de uma trinca de superfcie
(8.5) %a = porcentagem atmica (4.3) B = Densidade do fluxo magntico
(induo) (21.2) B, = remanncia magntica (21.7) CCC = estrutura
cristalina cbica de corpo centrado (3.4) b = parmetro do retculo
cristalino: comprimento axial v da clula unitria (3.7) b = vetor de
Burgers (4.4) C = capacitncia (19.17) " C, = concentrao (composio)
do componente i em %p (4.3) C] concentrao (composio) do componente
/ em %a (4.3) C,.. Cp = capacidade calorfica a volume, presso
constante (20.2) TPC = taxa de penetrao da corroso (18.3) CVN =
entalhe em ""Y de Charpy (8.6) %DF = percentual de trabalho a frio
(7.10) c = parmetro do retculo cristalino: comprimento axial z da
clula unitria (3.7) c = velocidade da radiao eletromagntica no vcuo
(22.2) D = coeficiente de difuso (5.3) D = deslocamento dieltrico
(19.18) d = dimetro d dimetro mdio do gro (7.8) dhkl = espaamento
interplanar para plamw de ndices de Miller //. k e / (3.15j E
energia (2.5) E = mdulo de elasticidade ou mdulo de Young (6.3) s
As configuraes eletrnicas para alguns dos elementos mais comuns
esto listadas na Tabela 2.2.
22. A esta altura, so necessrios alguns comentrios em relao a
estas configuraes eletrnicas. Em primeiro lugar, os eltrons de
valncia so aqueles que ocupam a camada preenchida mais externa.
Esses eltrons so extremamente importantes. Como ser visto, eles
participam da ligao entre os tomos para formar os agregados atmicos
e moleculares. Alm disso, muitas das pro- priedades fsicas e
qumicas dos slidos esto baseadas nesses eltrons de valncia.
Adicionalmente, alguns tomos possuem o que conhecido por
"configuraes eletrnicas estveis", isto , os orbitais den- tro da
camada eletrnica mais externa ou de valncia esto com- pletamente
preenchidos. Normalmente, isto corresponde ocu- pao somente dos
orbitais s ep para a camada mais externa por um total de oito
eltrons, como o caso para o nenio, argnio e criptnio; uma exceo o
hlio, que contm apenas dois el- trons s. Estes elementos (Ne, Ar,
Kr e He) so os gases inertes, ou nobres, virtualmente no reativos
do ponto de vista qumico. Alguns tomos dos elementos que possuem
camadas de valn- cia no totalmente preenchidas assumem configuraes
eletr- nicas estveis pelo ganho ou perda de eltrons para formar ons
carregados ou atravs do compartilhamento de eltrons com outros
tomos. Esta a base para algumas reaes qumicas e tambm para as
ligaes atmicas em slidos, como est expli- cado na Seo 2.6. Sob
circunstncias especiais, os orbitais s tp se combinam para formar
orbitais hbridos sp", onde n indica o nmero de orbitais p
envolvidos, e que podem assumir valores de 1, 2 ou 3. Os elementos
dos grupos 3A, 4A e 5A da tabela peri- dica (Fig. 2.6) so aqueles
que mais freqentemente formam esses hbridos. A fora motriz para a
formao de orbitais h- bridos um estado energtico com energia mais
baixa para os eltrons de valncia. Para o carbono, o hbrido sp3 de
fundamental importncia nas qumicas orgnica e de polme- ros. A forma
do orbital hbrido sp3 o que determina o ngulo de 109 (ou
tetradrico) encontrado nas cadeias de polmeros (Cap. 15). 2.4 A
TABELA PERIDICA Todos os elementos foram classificados na tabela
peridica de acordo com a sua configurao eletrnica (Fig. 2.6). Nela
os ele- mentos so posicionados em ordem crescente de nmero atmi-
co, em sete fileiras horizontais chamadas perodos. O arranjo tal
que todos os elementos localizados em uma dada coluna ou grupo
possuem estruturas semelhantes dos eltrons de valncia, bem como
propriedades qumicas e fsicas semelhantes. Essas propriedades
variam gradual e sistematicamente ao se mover horizontalmente ao
longo de cada perodo. Os elementos posicionados no Grupo 0, o grupo
mais direi- ta, so os gases inertes, que possuem camadas eletrnicas
total- mente preenchidas e configuraes eletrnicas estveis. Os ele-
mentos nos Grupos VIIA e VIA possuem, respectivamente, de- ficincia
de um e dois eltrons para completarem estruturas es- tveis. Os
elementos no Grupo VIIA (F, Cl, Br, I e At) so algu- mas vezes
chamados de halognios. Os metais alcalinos e alca- lino-terrosos
(Li, Na, K, Be, Mg, Ca etc.) so identificados como Grupos IA e IIA,
possuindo, respectivamente, um e dois eltrons alm das estruturas
estveis. Os elementos nos trs perodos lon- gos, Grupos IIIB a IIB,
so chamados de metais de transio; possuem orbitais eletrnicos d
parcialmente preenchidos e, em alguns casos, um ou dois eltrons na
camada energtica imedia- tamente mais alta. Os Grupos IIIA, IVA e
VA (B, Si, Ge, As etc.) apresentam caractersticas que so
intermedirias entre os me- tais e os ametais (no-metais) em virtude
das estruturas dos seus eltrons de valncia.
23. Como pode ser observado na tabela peridica, a maioria dos
elementos se enquadra realmente sob a classificao de metal. Estes
so s vezes chamados de elementos eletropositivos, in- dicando que
so capazes de ceder seus poucos eltrons de va- lncia para se
tornarem ons carregados positivamente. Adicio- nalmente, os
elementos situados ao lado direito da tabela peri- dica so
eletronegativos; isto , eles prontamente aceitam el- trons para
formar ons carregados negativamente, ou algumas vezes eles
compartilham eltrons com outros tomos. A Fig. 2.7 mostra os valores
de eletronegatividade que foram atribu- dos aos vrios elementos
distribudos na tabela peridica. Como regra geral, a
eletronegatividade aumenta ao se deslo- car da esquerda para a
direita e de baixo para cima na tabela. Os tomos apresentam maior
tendncia em aceitar eltrons se as suas camadas mais externas
estiverem quase totalmente pre- enchidas e se elas estiverem menos
"protegidas" (isto , mais prximas) do ncleo. LIGAO ATMICA NOS
SLIDOS 2.5 FORAS E ENERGIAS DE LIGAO A compreenso de muitas das
propriedades fsicas dos mate- riais est baseada no conhecimento das
foras interatmicas que unem os tomos, prendendo-os. Talvez os
princpios das ligaes atmicas possam ser mais bem ilustrados
conside- rando-se a interao entre dois tomos isolados medida que
eles so colocados em proximidade desde uma separao in- finita. A
grandes distncias, as interaes entre eles so des- prezveis; no
entanto, medida que os tomos se aproximam, cada um exerce foras
sobre o outro. Essas foras so de dois tipos, atrativa e repulsiva,
e a magnitude de cada uma delas funo da separao ou distncia
interatmica. A origem de uma fora atrativa FA depende do tipo
especfico de ligao que existe entre os dois tomos. A sua magnitude
varia com a distncia, como est representado esquematicamente na
Fig. 2.8a. No final das contas, as camadas eletrnicas mais exter-
nas dos dois tomos comeam a se superpor, e uma intensa fora
repulsiva FR entra em ao. A fora lquida FL entre os dois to- mos
exatamente a soma das componentes de atrao e de repulso, isto , FL
= FA + FR (2.2) que tambm uma funo da separao interatmica, como
tam- bm est plotado na Fig. 2.8a. Quando FA e FR se anulam, ou se
tornam iguais, no existe qualquer fora lquida ou resultante, isto ,
Ento, existe um estado de equilbrio. Os centros dos dois to- mos
iro permanecer separados pela distncia de equilbrio r0, conforme
indicado na Fig. 2.8a. Para muitos tomos, r0 de aproximadamente 0,3
nm (3 A). Uma vez nesta posio, pela ao de uma fora atrativa os dois
tomos iro neutralizar qualquer tentativa de separ-los, e pela ao de
uma fora repulsiva tam- bm neutralizaro as tentativas de aproximar
um contra o outro. Algumas vezes mais conveniente trabalhar com as
energias potenciais entre dois tomos no lugar das foras entre eles.
Ma- tematicamente, a energia (E) e a fora (F) esto relacionadas
atravs da expresso = j Fdr Ou, para sistemas atmicos, EL = FL dr
onde EL, EA e ER so, respectivamente, as energias lquida, atrativa
e repulsiva para dois tomos adjacentes isolados. A Fig. 2.8b mostra
as energias potenciais atrativa, repulsiva e lquida como uma funo
da separao interatmica entre dois tomos. A curva da energia lquida,
que novamente a soma das
24. outras duas, apresenta um vale ou uma depresso de energia
po- tencial ao redor do seu mnimo. Aqui, a mesma distncia de equi-
lbrio, r0, corresponde distncia de separao no ponto mni- mo da
curva de energia potencial. A energia de ligao para estes dois
tomos, Eo, corresponde energia neste ponto mnimo (tam- bm mostrado
na Fig. 2.8b); ela representa a energia que seria necessria para
separar esses dois tomos at uma distncia de separao infinita.
Embora o tratamento anterior tenha abordado uma situao ideal que
envolve apenas dois tomos, existe uma condio se- melhante, porm
mais complexa, para os materiais slidos, pois as interaes de fora e
energia entre muitos tomos devem ser consideradas. No obstante, uma
energia de ligao, anloga a Eo acima, pode estar associada a cada
tomo. A magnitude desta energia de ligao e a forma da curva da
energia em funo da separao interatmica variam de material para
material, e am- bas dependem do tipo de ligao atmica. Alm disso, um
certo nmero de propriedades dos materiais depende de Eo, da forma
da curva e do tipo de ligao. Por exemplo, os materiais que possuem
grandes energias de ligao em geral tambm possu- em temperaturas de
fuso elevadas; temperatura ambiente, as substncias slidas so
formadas devido a elevadas energias de ligao, enquanto nos casos em
que existem apenas pequenas energias de ligao o estado gasoso
favorecido; os lquidos prevalecem quando as energias so de
magnitude intermediria. Adicionalmente, conforme discutido na Seo
6.3, a rigidez mecnica (ou mdulo de elasticidade) de um material
depende da forma da sua curva da fora em funo da separao inte-
ratmica (Fig. 6.7). A inclinao da curva na posio r = rQ para um
material relativamente rgido ser bastante ngreme; as in- clinaes so
menos ngremes para os materiais mais flexveis. Alm disso, o quanto
ura material se expande em funo do aque- cimento ou se contrai
devido ao resfriamento (isto , o seu coe- ficiente linear de
expanso trmica) est relacionado forma da sua curva EQ X r0 (ver Seo
20.3). Um "vale" profundo e es- treito, que ocorre tipicamente para
os materiais que possuem elevadas energias de ligao, est
nornalmente correlacionado com um baixo coeficiente de expanso
trmica e alteraes di- mensionais relativamente pequenas em funo de
mudanas de temperatura. Trs tipos diferentes de ligaes primrias ou
ligaes qumi- cas so encontradas nos slidos inica, covalente e
metlica. Para cada tipo, a ligao envolve necessariamente os eltrons
de valncia; alm disso, a natureza da ligao depende das estruturas
eletrnicas dos tomos constituintes. Em geral, cada um desses trs
tipos de ligao se origina da tendncia dos tomos para adquirir
estruturas eletrnicas estveis, como aquelas dos gases inertes, pelo
preenchimento total da camada eletrnica mais externa. Foras e
energias secundrias ou fsicas tambm so encon- tradas em muitos
materiais slidos; elas so mais fracas do que as primrias, mas ainda
assim influenciam as propriedades fsi- cas de alguns materiais. As
sees seguintes explicam os vrios tipos de ligaes interatmicas
primrias e secundrias. 2.6 LIGAES INTERATMICAS PRIMRIAS LIGAES
INICAS Talvez a ligao inica seja a mais fcil de ser descrita e de
se visualizar. Ela sempre encontrada em compostos cuja compo- sio
envolve tanto elementos metlicos como no-metlicos, ou seja,
elementos que esto localizados nas extremidades horizon- tais da
tabela peridica. Os tomos de um elemento metlico perdem facilmente
os seus eltrons de valncia para os tomos no-metlicos. No processo,
todos os tomos adquirem configu- raes estveis ou de gs inerte e,
adicionalmente, uma carga eltrica; isto , eles se tornam ons. O
cloreto de sdio (NaCl) o material inico clssico. Um tomo de sdio
pode assumir a estrutura eletrnica do nenio (e uma carga lquida
positiva uni- tria) pela transferncia de seu nico eltron de
valncia, 3s, para um tomo de cloro. Aps esta transferncia, o on
cloro adquire uma carga lquida negativa e uma configurao eletrnica
idn- tica quela do argnio. No cloreto de sdio, todo sdio e todo
cloro existem como ons. Esse tipo de ligao est ilustrado
esquematicamente na Fig. 2.9. As foras de ligao atrativas so de
Coulomb; isto , ons po- sitivos e negativos, devido s suas cargas
eltricas lquidas, atraem uns aos outros. Para dois tomos isolados,
a energia atrativa EA uma funo da distncia interatmica de acordo
com a relao3 3 A constante A na Eq. 2.8 igual a onde e0 a
permissividade do vcuo (8,85 X IO"12 F/m), Z, e Z2 so as valncias
dos dois tipos de ons, e e a carga de um eltron (1,602 X IO"'9
C).
25. Nessas expresses, A, B e n so constantes cujos valores
depen- dem do sistema inico especfico. O valor de n de aproxima-
damente 8. A ligao inica chamada no-direcional, isto , a magnitu-
de da ligao igual em todas as direes ao redor do on. Con-
seqentemente, para que materiais inicos sejam estveis, em um
arranjo tridimensional todos os ons positivos devem possuir ons
carregados negativamente como seus vizinhos mais prximos, e
vice-versa. A ligao predominante nos materiais cermicos inica.
Alguns dos arranjos de ons nestes materiais so discuti- dos no
Cap.'13. As energias de ligao, que geralmente variam na faixa entre
600 e 1500 kJ/mol (3 e 8 eV/tomo), so relativamente altas, o que
refletido na forma de temperaturas de fuso elevadas.4 A 4 Algumas
vezes as energias de ligao so expressas por tomo ou por on. Sob
essas cir- cunstncias, o eltron-volt (eV) uma unidade de energia
convenientemente pequena. Ela , por definio, a energia concedida a
um eltron medida que ele se desloca atravs de um potencial eltrico
de um volt. O equivalente em joule a um eltron-volt o seguinte:
1,602 X 10-"? J = 1 eV. Tabela 2.3 contm as energias de ligao e as
temperaturas de fuso de vrios materiais inicos. Os materiais inicos
so, por caracterstica, materiais duros e quebradios e, alm disso,
iso- lantes eltricos e trmicos. Conforme ser discutido em captu-
los subseqentes, essas propriedades so uma conseqncia di- reta das
configuraes eletrnicas e/ou da natureza da ligao inica. LIGAO
COVALENTE Na ligao covalente as configuraes eletrnicas estveis so
adquiridas pelo compartilhamento de eltrons entre tomos ad-
jacentes. Dois tomos ligados de maneira covalente iro cada um
contribuir com pelo menos um eltron para a ligao, e os eltrons
compartilhados podem ser considerados como perten- centes a ambos
os tomos. A ligao covalente est ilustrada esquematicamente na Fig.
2.10 para uma molcula de metano (CH4). O tomo de carbono possui
quatro eltrons de valncia, enquanto cada um dos quatro tomos de
hidrognio possui um nico eltron de valncia. Cada tomo de hidrognio
pode ad- quirir uma configurao eletrnica de hlio (dois eltrons de
valncia s) quando o tomo de carbono compartilha um el- tron com
ele. O carbono agora possui quatro eltrons compar- tilhados
adicionais, um de cada tomo de hidrognio, comple- tando um total de
oito eltrons de valncia, e a estrutura ele- trnica do nenio. A
ligao covalente direcional; isto , ela ocorre entre tomos
especficos e pode existir somente na di- reo entre um tomo e o
outro que participa no compartilha- mento de eltrons. Muitas
molculas elementares de no-metais (H2, Cl2, F2 etc), bem como
molculas contendo tomos diferentes, tais como CH4, H2O, HNO3 e HF,
so ligadas covalentemente. Alm disso, esse tipo de ligao encontrado
em slidos elementares, como o diamante (carbono), o silcio e o
germnio, bem como em ou- tros compostos slidos cuja composio inclui
elementos que esto localizados no lado direito da tabela peridica,
como o arseneto de glio (GaAs), o antimoneto de ndio (InSb) e o
car- beto de silcio (SiC). O nmero de ligaes covalentes que possvel
para um tomo particular determinado pelo nmero de eltrons de
valncia. Para N' eltrons de valncia, um tomo pode se li- gar de
maneira covalente com, no mximo, 8 N' outros tomos. Por exemplo, N'
= 7 para o cloro, e 8 - iV' = 1, o que significa que um tomo de
cloro pode se ligar a apenas Uma equao anloga para a energia de
repulso
26. um outro tomo, como ocorre no Cl2. De maneira semelhante,
para o carbono, N' = 4, e cada tomo de carbono possui 8 - 4, ou
quatro, eltrons para compartilhar. O diamante sim- plesmente a
estrutura tridimensional de interconexo em que cada tomo de carbono
se liga covalentemente com quatro outros tomos de carbono. Esse
arranjo est representado na Fig. 13.15. As ligaes covalentes podem
ser muito fortes, como no dia- mante, que muito duro e possui uma
temperatura de fuso muito alta, > 3550C (6400F), ou elas podem
ser muito fracas, como ocorre com o bismuto, que funde a
aproximadamente 270C (518F). As energias de ligao e temperaturas de
fuso de al- guns materiais ligados covalentemente esto apresentadas
na Tabela 2.3. Os materiais polimricos tipificam essa ligao, sendo
a estrutura molecular bsica uma longa cadeia de tomos de car- bono
que se encontram ligados entre si de maneira covalente, atravs de
duas das quatro ligaes disponveis em cada tomo. As duas ligaes
restantes so normalmente compartilhadas com outros tomos, que tambm
se encontram ligados covalentemen- te. As estruturas moleculares
polimricas so discutidas em de- talhes no Cap. 15. E possvel a
existncia de ligaes interatmicas que sejam parcialmente inicas e
parcialmente covalentes, e, de fato, pou- cos compostos exibem
ligaes com carter que seja exclusiva- mente inico ou covalente.
Para um composto, o grau de cada tipo de ligao depende das posies
relativas dos tomos cons- tituintes na tabela peridica (Fig. 2.6)
ou da diferena nas suas eletronegatividades (Fig. 2.7). Quanto
maior for a separao (tanto horizontalmente em relao ao Grupo IVA
como verti- calmente) do canto inferior esquerdo para o canto
superior di- reito (isto , quanto maior for a diferena entre as
eletronegati- vidades), mais inica ser a ligao. De maneira
contrria, quanto mais prximos estiverem os tomos (isto , quanto
menor for a diferena de eletronegatividades), maior ser o grau de
co- valncia. O percentual de carter inico de uma ligao entre os
elementos A e B (onde A o elemento mais eletronegativo) pode ser
aproximado pela expresso % carter inico = {1 - exp[-(0,25)(XA -
XB)2 ]} X 100 (2.10) onde XA e XB so as eletronegatividades dos
respectivos elemen- tos. LIGAO METLICA A ligao metlica, o ltimo
tipo de ligao primria, encon- trada em metais e suas ligas. Foi
proposto um modelo relativa- mente simples que muito se aproxima do
esquema de ligao. Os materiais metlicos possuem um, dois ou, no
mximo, trs eltrons de valncia. Com esse modelo, estes eltrons de
valn- cia no se encontram ligados a qualquer tomo em particular no
slido e esto mais ou menos livres para se movimentar ao lon- go de
todo o metal. Eles podem ser considerados como perten- cendo ao
metal como um todo, ou como se estivessem forman- do um "mar de
eltrons" ou uma "nuvem de eltrons". Os el- trons restantes, aqueles
que no so eltrons de valncia, junta- mente com os ncleos atmicos,
formam o que so chamados ncleos inicos, que possuem uma carga
lquida positiva igual em magnitude carga total dos eltrons de
valncia por tomo. A Fig. 2.11 uma ilustrao esquemtica da ligao
metlica. Os eltrons livres protegem os ncleos inicos carregados
posi- tivamente das foras eletrostticas mutuamente repulsivas que
eles iriam, de outra forma, exercer uns sobre os outros; conse-
qentemente, a ligao metlica apresenta carter no-direcio- nal.
Adicionalmente, esses eltrons livres atuam como uma "cola" para
manter juntos os ncleos inicos. As energias de ligao e temperaturas
de fuso para diversos metais esto listadas na Ta- bela 2.3. A ligao
pode ser fraca ou forte; as energias variam na faixa entre 68
kJ/mol (0,7 eV/tomo) para o mercrio e 850 kl/ mol (8,8 eV/tomo)
para o tungstnio. As respectivas temperatu- ras de fuso destes
metais so -39 e 3410C (-38 e 6170F). A ligao metlica encontrada
para os elementos dos Grupos IA e HA na tabela peridica, e, de
fato, para todos os metais elementares. Alguns comportamentos
gerais dos diversos tipos de materi- ais (isto , metais, cermicos,
polmeros) podem ser explicados pelo tipo de ligao. Por exemplo, os
metais so bons conduto- res de calor e eletricidade, como
conseqncia dos seus eltrons livres (ver Sees 19.5, 19.6 e 20.4). Em
contraste, materiais li- gados ionicamente e covalentemente so
tipicamente isolantes eltricos e trmicos, devido ausncia de grandes
nmeros de eltrons livres. Alm disso, na Seo 7.4 observamos que
temperatura ambiente a maioria dos metais e suas ligas falha de
maneira dctil; isto , ocorre fratura aps os materiais
experimentarem nveis significativos de deformao permanente. Esse
comportamento
27. explicado em termos do mecanismo de deformao (Seo 7.2), que
est implicitamente relacionado s caractersticas da ligao metlica.
De maneira contrria, temperatura ambiente os ma- teriais ligados
ionicamente so intrinsecamente quebradios, como conseqncia da
natureza eletricamente carregada de seus ons componentes (ver Seo
13.9). peraturas de fuso e ebulio so extremamente baixas em ma-
teriais para os quais a ligao por dipolos induzidos predomi- nante;
dentre todos os tipos de ligao intermoleculares poss- veis, estas
so as mais fracas. As energias de ligao e tempera- turas de fuso
para o argnio e o cloro tambm esto tabuladas na Tabela 2.3. LIGAES
ENTRE MOLCULAS POLARES E DIPOLOS INDUZIDOS Momentos dipolo
permanentes existem em algumas molcu- las em virtude de um arranjo
assimtrico de regies carrega- das positivamente e negativamente;
tais molculas so chama- das molculas polares. A Fig. 2.14 apresenta
uma representa- o esquemtica de uma molcula de cloreto de
hidrognio; um momento dipolo permanente tem sua origem a partir das
car- gas lquidas positiva e negativa que esto associadas, respecti-
vamente, s extremidades contendo o hidrognio e o cloro da molcula
de HC1. As molculas polares tambm podem induzir dipolos em molculas
apolares adjacentes, e uma ligao ir se formar como resultado das
foras atrativas entre as duas molculas. Alm dis- so, a magnitude
dessa ligao ser maior do que aquela que existe para dipolos
induzidos flutuantes. LIGAES DIPOLO PERMANENTES As foras de van der
Waals tambm iro existir entre molculas polares adjacentes. As
energias de ligao associadas so signi- ficativamente maiores do que
aquelas para ligaes envolvendo dipolos induzidos. O tipo mais forte
de ligao secundria, a ligao de hidrog- nio, um caso especial de
ligao entre molculas polares. Ela ocorre entre molculas nas quais o
hidrognio est ligado cova- lentemente ao flor (como no HF), ao
oxignio (como na H2O) e ao nitrognio (como no NH3). Para cada ligao
H-F, H-0 ou H-N, o nico eltron do hidrognio compartilhado com o ou-
tro tomo. Assim, a extremidade da ligao contendo o hidrog- nio
consiste essencialmente em um prton isolado, carregado
positivamente, e que no est neutralizado por qualquer eltron.
28. Essa extremidade carregada da molcula, altamente positiva,
capaz de exercer uma grande fora de atrao sobre a extremi- dade
negativa de uma molcula adjacente, conforme est de- monstrado na
Fig. 2.15 para o HF. Essencialmente, este prton isolado forma uma
ponte entre dois tomos carregados negati- vamente. A magnitude da
ligao de hidrognio geralmente maior do que aquela para outros tipos
de ligaes secundrias, e pode ser to elevada quanto 51 kJ/mol (0,52
eV/molcula), como est mostrado na Tabela 2.3. As temperaturas de
fuso e ebuli- o para o fluoreto de hidrognio e para a gua so
anormalmente elevadas para os seus baixos pesos moleculares, sendo
isto uma conseqncia da ligao de hidrognio. 2.8 MOLCULAS Para
concluir este captulo, vamos dedicar alguns momentos discutindo o
conceito de molcula, analisando-a em termos de materiais slidos.
Uma molcula pode ser definida como um grupo de tomos que esto
ligados entre si por meio de fortes ligaes primrias. Dentro deste
contexto, a totalidade das amos- tras slidas unidas por meio de
ligaes inicas e metlicas pode ser considerada como sendo uma nica
molcula. Contudo, esse no o caso para muitas substncias nas quais a
ligao cova- lente predominante; estas incluem molculas diatmicas
ele- mentares (F2, O2, H2 etc), bem como uma gama de compostos
(H2O, CO2, HNO3, C6H6, CH4 etc). Nos estados lquido conden- sado e
slido, as ligaes entre as molculas consistem em fra- cas ligaes
secundrias. Conseqentemente, os materiais mo- leculares possuem
relativamente baixas temperaturas de fuso e ebulio. A maioria
daqueles que possuem molculas pequenas, compostas por apenas uns
poucos tomos, so gases a tempera- turas e presses ordinrias ou
ambiente. Por outro lado, muitos dos polmeros modernos, sendo
materiais moleculares compos- tos por molculas extremamente
grandes, existem como slidos; algumas das suas propriedades so
fortemente dependentes da presena de ligaes secundrias de van der
Waals e de hidro- gnio. RESUMO Este captulo comeou com um
levantamento dos fundamentos da estrutura atmica, apresentando os
modelos de Bohr e mec- nico-ondulatrio para os eltrons nos tomos.
Enquanto o mo- delo de Bohr assume que os eltrons sejam partculas
que orbitam em torno do ncleo em trajetrias distintas, na mecnica
ondulatria ns os consideramos como sendo ondas, e tratamos a posio
do eltron no tomo em termos de uma distribuio de probabilidades. Os
estados de energia eletrnicos so especificados em ter- mos de
nmeros qunticos, que do origem s camadas e sub- camadas eletrnicas.
A configurao eletrnica de um tomo corresponde maneira pela qual
essas camadas e subcamadas so preenchidas com eltrons de acordo com
o princpio da ex- cluso de Pauli. A tabela peridica dos elementos
gerada pelo arranjo dos vrios elementos de acordo com a configurao
do eltron de valncia. A ligao atmica nos slidos pode ser
considerada em ter- mos de foras e energias de atrao e de repulso.
Os trs tipos de ligao primria nos slidos so inica, covalente e
metlica. Para as ligaes inicas, ons carregados eletricamente so
for- mados pela transferncia dos eltrons de valncia de ura tipo de
tomo para outro; as foras so de Coulomb. Existe um compar-
tilhamento de eltrons de valncia entre tomos adjacentes quan- do a
ligao covalente. Na ligao metlica, os eltrons de valncia formam uma
"nuvem de eltrons" que est uniforme- mente dispersa em torno dos
ncleos inicos do metal, e atua como um tipo de cola para eles.
Tanto as ligaes de van der Waals como as de hidrognio so chamadas
ligaes secundrias, sendo fracas em compa- rao com as ligaes
primrias. Elas resultam das foras atra- tivas entre dipolos
eltricos, os quais existem em dois tipos induzido e permanente.
Para a ligao de hidrognio, mo- lculas altamente polares se formam
quando o hidrognio se liga covalentemente a um elemento no-metlico,
como o flor. TERMOS ECONCEITOS IMPORTANTES Configurao eletrnica
Dipolo (eltrico) Eltron de valncia Eletronegativo Eletropositivo
Energia de ligao Estado eletrnico Estado fundamental Fora de
Coulomb Istopo Ligao covalente Ligao de hidrognio Ligao de van der
Waals Ligao inica Ligao metlica REFERNCIAS A maioria do material
deste captulo abordada em livros de qumica de nvel superior. Abaixo
esto listados dois destes livros como referncia. Kotz, J. C. and P.
Treichel, Jr., Chemistry and Chemical Reactivity, 4th edition,
Saunders Col-lege Publishing, Fort Worth. TX, 1999. Masterton, W.
L. and C. N. Hurley, Chemistry, Principies and Reactions, 3rd
edition, Saunders College Publishing, Philadelphia, 1996. Observao:
Em cada captulo, a maioria dos termos listados na seo 'Termos e
Concei- tos Importantes" est definida no Glossrio, que apresentado
aps o Apndice E. Os ou- tros so suficientemente importantes para
garantir seu tratamento em uma seo inteira do texto, podendo ser
consultados atravs da tabela de contedo ou do ndice. Ligao primria
Ligao secundria Mecnica quntica Modelo atmico de Bohr Modelo
mecnico-ondulatrio Mol Molcula Molcula polar Nmero atmico Nmero
quntico Peso atmico Princpio da excluso de Pauli Tabela peridica
Unidade de massa atmica (uma)