LISTA DE EXERCICIOS II

Prévia do material em texto

CENTRO UNIVERSITÁRIO UNINOVAFAPI 
COORDENAÇÃO DO CURSO DE ENGENHARIA CIVIL 
DISCIPLINA: CIÊNCIAS DOS MATERIAIS 
PROF. Dr. CLECIO DANTAS 
ALUNO: 
 
LISTA DE EXERCÍCIOS II 
 
1 Qual é a importância do entendimento da estrutura atômica de um átomo na 
Ciência dos Materiais? 
 
A compreensão da estrutura de um átomo é importante para o 
entendimento dos elementos químicos, na Ciência. Um átomo é composto de 
elétrons (carga negativa), prótons (carga positiva) e nêutrons (carga nula). 
Entender isso é essencial para fazer a distribuição, para identificar átomos que 
algumas vezes não foram identificados em alguns exercícios de Química, além de 
outras utilidades. 
 
2 O que são os números quânticos de um átomo? 
 
 Os números quânticos representam um conjunto de quatro números cujos 
valores são usados para identificar possíveis estados eletrônicos. Três dos 
números quânticos são inteiros, que também especificam o tamanho, a forma e a 
orientação espacial de uma densidade de probabilidade de um elétron; o quarto 
número designa a orientação do spin. Número quântico principal n: representa os 
níveis principais de energia de um elétron. Pode ser imaginado como uma camada 
no espaço com alta probabilidade de achar um elétron. O seu valor só pode ser 
um numero inteiro: 1,2,3, .. 
 Numero quântico secundário l: especifica subníveis de energia dentro de 
um nível de energia. Pode ser imaginado como uma região onde existe uma 
grande probabilidade de encontrar um elétron. Este número é associado a letras 
minúsculas, logo: 
l=o, é representado por a letra s 
l=1, é representado por a letra p 
l= é representado por a letra d 
 Numero quântico magnético ml: especifica a orientação espacial de um 
orbital. O seu valor depende de l (ml=2l+l). Numero quântico de spin de elétron 
ms: especifica as condições permitidas de um elétron para girar sobre seu próprio 
eixo. O seu valor pode ser + ou -. 
 
3 Qual é o princípio de exclusão de Pauli? 
 
 O princípio de exclusão de Pauli diz que apenas dois elétrons podem ter 
os mesmos números quânticos orbitais e estes não são idênticos já que tem spins 
contrários. 
 
4 Os elementos 21 a 29, 39 a 47 e 72 a 79 são conhecidos como elementos de 
transição. Quais características comuns apresenta a distribuição de elétrons na 
eletrosfera destes elementos? 
 
 Os elementos de transição apresentam um subnivel d imcompleto na 
camada de valência ou a capacidade de formar cátions com um subnivel d 
imcompleto. Os metais de transição apresentam propriedades intermediarias entre 
os metais e ametais. Fe: 1s, 2s, 2p, 3s, 3p, 4s 4d. 
 Nestes elementos o subnível d é o mais energético. 
 
5 Caracterize: ligação iônica; ligação covalente e ligação metálica. 
 
 Nas ligações iônicas os elétrons de valência são cedidos ou recebidos de 
um átomo para outro provocando uma formação de íons. Os átomos doadores 
passam a ser cátions (eletricamente positivos) e os que recebem passam a ser 
ânions (eletricamente negativos). Quanto maior a diferença de eletronegatividade 
entre os átomos de maior a possibilidade de formar ligações iônicas. O caráter 
iônico aumenta em elementos com distribuição eletrônica de final s\u. É a ligação 
que ocorre entre elementos de grande diferença de eletronegatividade, onde um 
elemento tende a perder e o outro a ganhar elétrons. 
 Nas ligações covalentes os elétrons de valência são compartilhados e são 
formados por átomos de alta eletronegatividade. Esse tipo de ligação é comum em 
compostos orgânicos. É a ligação entre elementos de baixa diferença de 
eletronegatividade, onde temos compartilhamento de elétrons. 
 Nas ligações metálicas os átomos envolvidos têm baixa 
eletronegatividade (em torno de 3 elétrons de valência). Os elétrons de valência 
são divididos por todos os átomos (não estão ligados a nenhum átomo em 
particular) e assim eles estão livres para conduzir. É originada pela atração entre 
íons metálicos carregados positivamente envoltos numa nuvem de elétrons 
carregada negativamente. 
 
6 Compare o raio iônico de um mesmo elemento com o raio iônico de seu átomo 
neutro (faça para um cátion e um ânion). Porque isso ocorre? 
 
 O mesmo átomo com cátions, ânions e nêutrons possuem raio atômico 
diferentes pois, quando um átomo doa elétrons (se tornando um cátion), seu 
núcleo tem menos elétrons para dividir a energia que os atrai em direção ao 
núcleo, atraindo assim mais os elétrons que restaram do que se estivesse numa 
situação em que estivessem todos seus elétrons na eletrosfera. Já este átomo, 
quando recebe elétrons, ou seja, torna-se um ânion, ele tem um raio atômico 
maior que um átomo neutro pois existem mais elétrons que acabam indo ocupar 
camadas mais externas antes vazias. 
 Para os cátions o raio iônico é menor que o raio atômico do átomo neutro, 
pois como os cátions perderam elétrons existe uma atração maior do núcleo pelos 
elétrons restantes. Para os ânions o raio iônico é maior que o raio atômico do 
átomo neutro, pois como os ânions ganharam elétrons existe uma atração menor, 
ou seja, existem mais elétrons para serem atraídos pelo mesmo número de 
prótons do núcleo. 
 
 
7 Explique porque sólidos iônicos não conduzem eletricidade, enquanto que se 
dissolvidos em água serão condutores. 
 
 Íons são entidades possuidoras de carga elétrica em quantidades 
diferentes, ou seja, não são eletricamente neutros. Substâncias iônicas conduzem 
eletricidade no estado líquido, pois, nessas circunstâncias, os íons que as 
constituem não estão presos num retículo cristalino, mas livres para se 
movimentarem. No estado sólido, ao contrário, as substâncias iônicas não 
conduzem a corrente elétrica porque os íons não se encontram livres para se 
movimentarem. No estado sólido, esses íons estão presos formando o retículo 
cristalino iônico. 
 
8 Pela sua distribuição de elétrons na eletrosfera era de se esperar duas 
potencialidades de ligações covalentes para o carbono. Explique como nem 
sempre isto ocorre. 
 
 Isso é explicado pelo fenômeno da hibridização que ocorre com o 
carbono. O carbono possui 2 elétrons no orbital 2s, e 2 elétrons no orbital 2p, 
sendo que um está no px e outro no py. A hibridização ocorre quando o carbono 
transfere um elétron do orbital 2s para o orbital 2p, mais especificamente o orbital 
pz, sendo assim cada orbital terá um elétron, e em cada orbital cabe mais um 
elétron com o spin contrário, como são 4 orbitais com um elétron e cada orbital 
pode ter 2 elétrons, o carbono ainda pode receber mais 4 elétrons, que são as 4 
ligações que ele pode fazer. 
 
9 Como poderiam ser explicadas algumas propriedades do diamante a partir de 
suas ligações químicas? 
 
 Em todas essas substâncias (hidrogênio, oxigênio, naftalina, sacarose, 
gasolina, álcool, água), a ligação covalente é responsável pela formação da 
molécula. A agregação das moléculas para formar quantidades macroscópicas 
dessas substâncias se dá, no entanto, por interações entre moléculas, que são 
relativamente fracas. Portanto, há nessas substâncias dois tipos de interação: uma 
entre os átomos para formar as moléculas (ligação covalente) e outra entre as 
moléculas para formar o material (interação intermolecular). Essas substâncias 
são chamadas de substâncias moleculares. Como as interações entre moléculas 
são fracas, as substâncias moleculares geralmente têm temperatura de fusão e de 
ebulição relativamente baixas. Aquelas formadas por moléculas pequenas, como 
nitrogênio (N2), oxigênio (O2), gás carbônico (CO2), cloro (Cl2) e metano (CH4), 
geralmente são gasosas à temperatura ambiente, o que indica que suas 
temperaturas de ebulição são menores que a temperatura ambiente. As interações 
intermoleculares nessas substâncias devem ser muito fracas. 
 No diamante, não há formação de moléculas individuais. A agregação das 
partículas para formar o material é realizada pela ligação covalente entre átomos 
de carbono, muito forte, o que explica a alta temperatura necessária para quebrá-
la e fundir o diamante. Poderíamos pensar que, no casodo diamante, os átomos 
de carbono ligam-se para formar uma molécula gigante. 
 
10 Comparem as ligações químicas do diamante e do grafite e procure explicar 
suas diferenças em algumas de suas propriedades de interesse tecnológico. 
 
O diamante é o mineral mais duro conhecido pelo homem (10 na escala 
Mohs) e o grafite é um dos mais suaves (menos de 1 na escala Mohs). Como 
resultado, o diamante torne-se o melhor abrasivo, enquanto o grafite natural é um 
excelente lubrificante. Outra diferença é de que o diamante é um isolador elétrico, 
enquanto o grafite é um bom condutor de eletricidade. O diamante geralmente é 
transparente, mas o grafite é opaco. 
Já uma similaridade está no ponto de fusão e ebulição. Os dois minerais 
precisam de uma grande quantidade de energia para quebrar as ligações entre os 
átomos de carbono. Outro fato interessante é que os dois minerais surgem a partir 
da pressão e temperatura impostos sobre o carbono, por isso, ambos podem ser 
criados sinteticamente, como é o caso do nosso grafite EDM. 
Muitas pessoas veem o diamante como um mineral muito mais valioso do 
que o grafite, mas para nós, da Steelcarbon, o grafite é tão valioso quanto! Isso 
porque cada um desses minerais tem a sua função e o grafite é um material tão 
interessante quanto o diamante em muitos aspectos. O grafite é o componente de 
alta resistência dos compósitos que são usados para construir automóveis, 
aeronaves, tacos de golfe de alta tecnologia e raquetes de tênis. 
Mas por que o diamante é tão rígido e o grafite é tão suave? Além disso, se 
o grafite é tão “mole”, como pode ser usado como um material de alta tecnologia 
para tacos de golfe e até aeronaves? 
A resposta reside nas diferentes estruturas atômicas do diamante e do 
grafite. O grafite consiste em camadas ou folhas sobrepostas onde os átomos de 
carbono possuem ligações fortes no mesmo plano ou camada, mas ligações muito 
fracas em relação a camada acima ou abaixo. 
Os átomos de carbono em diamantes, por outro lado, têm fortes ligações 
em três dimensões. Em diamantes, os átomos estão muito embalados e cada 
átomo está conectado a outros quatro átomos de carbono, dando-lhe uma 
estrutura muito forte e rígida em três dimensões. 
No caso do grafite, apenas as ligações entre as camadas são fracas. Ou 
seja, quando as camadas ou folhas são “enroladas” em fibras, e essas fibras são 
“torcidas” em fios, a verdadeira força das ligações aparece. Para que os fios 
ganhem forma, eles são agrupados e mantidos no lugar por um aglutinante, como 
uma resina epóxi. Os compósitos feitos a partir desse método têm um dos maiores 
índices força-peso em relação a qualquer outro material. 
 
11 Entre os compostos KBr e HCl, qual destes apresentam maior caráter iônico? 
Por quê? 
 
Os sais sempre são formados por ligações iônicas, já os ácidos, por 
ligações covalentes. Na ligação iônica, há transferência de elétrons, ao passo que 
na covalente, o compartilhamento deles. a ligação iônica é sempre mais forte e 
intensa que a covalente, sendo assim, o brometo de potássio (KBr) possui maior 
caráter iônico. 
 
12 Explique porque os metais são bons condutores de calor e eletricidade. 
 
Os metais são bons condutores térmicos e elétricos devido aos elétrons 
livres, que permitem o trânsito rápido de calor e eletricidade. 
 
13 Descreva as ligações conhecidas por forças de van der Waals, salientando 
pontes de hidrogênio. 
 
As forças de Van der Waals são ligações de natureza física; são geradas 
pela polarização, ou seja, formação de dipolos, devido a estrutura de ligação 
produz forças atrativas e repulsivas entre átomos e moléculas. A ligação de Van 
der Waals não e direcional, e é fraca. 
Pontes de hidrogênio: e uma das mais fortes ligações secundaria. E um 
caso especial de ligação de molécula polar. Ocorre entre moléculas nas quais o 
hidrogênio unido à elementos eletronegativos e com volume atômico baixo, como 
o oxigênio (H2O), flúor (HF) e nitrogênio (NH3). É a força intermolecular mais 
forte, pois existe uma grande diferença de eletronegatividade entre os elementos. 
 
 
14 Classifique ligações iônicas, covalente, metálicas e forças de van der Waals 
como direcionais ou não direcionais. Faça uma breve justificativa para cada. 
 
 Nas ligações iônicas não direcionais os elétrons doados ficam girando na 
eletrosfera do outro átomo e não tem posição fixa. 
Nas ligações covalentes direcionais os elétrons envolvidos estão sendo 
atraídos de um lado para o outro, sendo divididos pelos átomos numa dada 
posição, não ficam passeando pelos elétrons. 
A ligação metálica não e direcional porque os elétrons livres protegem o 
átomo carregado positivamente das forças repulsivas eletrostáticas e, também, 
não há restrição quanto ao numero e posições dos vizinhos mais próximos. 
 
15 Comparem os tipos de ligações em termos de energia de ligação envolvida. 
 
 Nas ligações iônicas os elétrons de valência são cedidos ou recebidos de 
um átomos para outro provocando uma formação de íons. Os átomos doadores 
passam a ser cátions (eletricamente positivos) e os que recebem passam a ser 
ânions (eletricamente negativos). Quanto maior a diferença de eletronegatividade 
entre os átomos de maior a possibilidade de formar ligações iônicas. O caráter 
iônico aumenta em elementos com distribuição eletrônica de final s - p. É a ligação 
que ocorre entre elementos de grande diferença de eletronegatividade, onde um 
elemento tende a perder e o outro a ganhar elétrons. 
 Nas ligações covalentes os elétrons de valência são compartilhados e são 
formados por átomos de alta eletronegatividade. Esse tipo de ligação é comum em 
compostos orgânicos. É a ligação entre elementos de baixa diferença de 
eletronegatividade, onde temos compartilhamento de elétrons. 
 Nas ligações metálicas os átomos envolvidos têm baixa 
eletronegatividade (em torno de 3 elétrons de valência). Os elétrons de valência 
são divididos por todos os átomos (não estão ligados a nenhum átomo em 
particular) e assim eles estão livres para conduzir. É originada pela atração entre 
íons metálicos carregados positivamente envoltos numa nuvem de elétrons 
carregada negativamente. 
 
 
16 É possível a presença de mais de um tipo de ligação entre átomos? Explique e 
dê exemplos. 
 
As ligações não são necessariamente só iônica ou só covalente, elas 
podem apresentar caráter iônico e covalente, porem um deles prevalece de 
acordo com os átomos envolvidos. Quanto maior for a diferença de 
eletronegatividade entre os átomos, maior e o caráter iônico da reação. Por 
exemplo: o iodeto de lítio (LiI) possui cerca de 50% de caráter iônico e 50% 
covalente. 
 
17 Que tipo de ligação você espera encontrar nos seguintes materiais: GdO, SO2, 
FeC, C6H6,? 
 
Partindo do principio em que átomos metálicos unem se através de ligações 
metálicas, não metais ou semi-metais e metais tem ligações predominantemente 
iônicas e entre semi-metais e não metais entre se ocorrem principalmente ligações 
covalentes e também da diferença de eletronegatividade entre os elementos, 
espera se que os seguintes elementos apresentem as seguintes ligações: 
Iônicas: GdTe, Rbl, AgCl, UH3, CaS e GaSb. 
Covalentes: SO2, C6H6, InAs, BN e GaSb. 
Metálicas: FeC e CuFe. 
 
18 Explique as forças (e energias envolvidas) entre dois átomos em função da 
distância interatômica (faça gráficos das relações solicitadas). 
 
A distância entre os átomos e onde tem menos forças, que consiste no 
mínimo de energia possível, e no máximo das forças de atração. Mas longe que 
isso, as forças de atração diminuiriam e a ligação se romperia; 
 
 
 
Figura 1Forças intermoleculares, em função da distancia. 
 
Mas perto que isso, as forças de repulsão começariam a agir e as de 
atração iriam diminuindo, ate que a repulsão se tornasse muito grande. 
 
19 Dê e explique que propriedades intrínsecas podem ser definidas pelos gráficos 
da questão anterior. 
 
Módulo de elasticidade: e a inclinação da curva no ponto de equilíbrio no 
gráfico,força versus distancia interatomica. 
Ponto de fusão e coeficiente de expansão térmica: Quanto mais profundo o poço 
de energia no gráfico, energia versus distancia interatomica, maior a temperatura 
de fusão. Devido às forças de repulsão aumentar muito mais com a aproximação 
dos átomos, a curva não é simétrica. Por isso, a maioria dos materiais tende a se 
expandir quando aquecidos, quanto mais estreito e o de potencial e menor 
coeficiente de expansão térmica. 
Calor latente; 
Resistência mecânica: quanto maior a inclinação da curva no ponto de 
equilíbrio, maior o modulo de elasticidade e maior a resistência mecânica. 
 
20 Porque materiais com elevado ponto de fusão têm elevado módulo de 
elasticidade e baixa dilatação térmica? 
 
Materiais com elevado ponto de fusão possuem um poço de energia 
grande, que se torna mais simétrico, o que diminui sua expansão térmica. Quanto 
maior o ponto de fusão, maior o poço de energia, ou seja, a inclinação da curva no 
ponto de equilíbrio, que e representada pelo modulo de elasticidade, que aumenta.