Estrutura e Propriedades dos Materiais Introdução UFPA – ITEC – FEM Prof. Jorge Teófilo de Barros Lopes 11 INTRODUÇÃO 1.1 O Que é Ciência e Engenharia de Materiais? Os materiais estão intimamente ligados à existência da espécie humana. Desde o início da civilização os materiais e a energia são usados com o objetivo de melhorar o nível de vida do ser humano. Atualmente, existe uma grande quantidade de materiais, sendo os de uso mais freqüentes: pedra, madeira, cimento, aço, plástico, vidro, borracha, alumínio, cobre e papel. A produção e a transformação de materiais em bens acabados constituem uma das mais importantes atividades de uma economia moderna. Aos engenheiros cabe conceber a maioria dos produtos fabricados e definir as tecnologias necessárias para a sua produção. A manufatura de um produto requer uma etapa de planejamento de produção, onde são selecionados diversos materiais, de acordo com custos e, principalmente, com as necessidades técnicas exigidas. A elaboração desta etapa exige do seu responsável a noção das estruturas internas e das propriedades dos materiais, pois esses conhecimentos permitem prever o comportamento do material em serviço, bem como possibilita programar e controlar as suas propriedades e características. Tais conhecimentos, portanto, tornam os engenheiros aptos a selecionar os mais adequados materiais para cada aplicação, e a serem capazes de desenvolver os melhores processos de produção. Os materiais são analisados e desenvolvidos dentro do ramo de conhecimento denominado Ciência e Engenharia de Materiais, o qual é um campo interdisciplinar que trata da descoberta de novos materiais e do melhoramento dos já existentes, pelo desenvolvimento e aprofundamento do conhecimento da relação microestrutura-composição-síntese-processamento entre diferentes materiais (ASKELAND & PHULÉ, 2003). A composição é o termo que significa a constituição química de um material; a estrutura significa uma descrição do arranjo de átomos em diferentes níveis de detalhes; a síntese é o termo que se refere à obtenção dos materiais, se ocorrem naturalmente ou se são quimicamente produzidos; e o processamento que significa as diferentes maneiras de conformar os materiais em componentes utilizáveis, ou mudar as suas propriedades. A Ciência dos Materiais está associada ao estudo das relações entre a síntese e o processamento, a microestrutura e as propriedades dos materiais. Portanto, visa Estrutura e Propriedades dos Materiais fundamentalmente a descoberta de conhecimentos básicos nos domínios da estrutura interna, das propriedades e do processamento de materiais. A Engenharia dos Materiais está principalmente ligada ao emprego de conceitos fundamentais e empíricos dos materiais, na conversão destes em produtos finais. Dedica-se essencialmente à aplicação dos conhecimentos da ciência dos materiais, de modo que os materiais possam ser convertidos em produtos úteis ou desejados pela sociedade (o foco é como transformar os materiais em uma peça ou estrutura utilizável). A estrutura do material tem uma profunda influência em muitas de suas propriedades, mesmo que a sua composição química não seja alterada. Por exemplo, um fio de cobre puro quando flexionado repetidamente fica mais duro e mais frágil, e sua resistividade elétrica também aumenta; como a composição química do fio não foi modificada, as mudanças em suas propriedades são devidas às modificações em sua estrutura interna. Nesse exemplo não se observa nenhuma mudança no material em escala macroscópica; entretanto, sua estrutura foi modificada em uma escala muito pequena ou escala microscópica, a qual é conhecida como microestrutura. Se pudermos entender como o material modificou microscopicamente, começaremos a descobrir maneiras de controlar as suas propriedades. 1.2 Classificação dos Materiais A maioria dos materiais de engenharia é classificada em quatro grupos principais: metais, polímeros, cerâmicos e, mais recentemente, compósitos ou conjugados. Outros dois grupos têm sido considerados importantes como materiais de engenharia (CALLISTER, 2002), em função do grande desenvolvimento de suas aplicações nos últimos anos: semicondutores e biomateriais. Os semicondutores se caracterizam por possuírem propriedades elétricas intermediárias entre as dos condutores e as dos isolantes; esses materiais possibilitaram o advento dos circuitos integrados, que revolucionaram as indústrias de produtos eletrônicos e de computadores. Os biomateriais, por sua vez, apresentam características específicas que permitem a sua utilização como componentes implantados no interior do corpo humano, substituindo as partes doentes ou danificadas do mesmo.Os materiais metálicos, formados pelos metais e ligas metálicas1, são substâncias inorgânicas compostas por um ou mais elementos metálicos, mas podem, também, conter elementos não-metálicos. São exemplos de materiais metálicos: ferro (Fe), cobre (Cu), alumínio (Al) e níquel (Ni), aços (ligas Fe-C), bronzes (ligas Cu-Sn) e latões (ligas Cu-Zn). Os elementos não-metálicos mais comuns em ligas metálicas são: carbono (C), nitrogênio (N) e oxigênio (O). Os materiais metálicos possuem uma estrutura cristalina na qual os átomos estão arranjados de maneira ordenada. Geralmente, são bons condutores térmicos e elétricos, e quase todos são mecanicamente resistentes, dúcteis e, na sua maioria, mantém essa resistência mesmo em altas temperaturas. Os materiais poliméricos, algumas vezes denominados de plásticos, na sua maioria consistem de cadeias moleculares orgânicas (carbono) de longa extensão. Estruturalmente, estes materiais, na sua maioria, não são cristalinos; no entanto, alguns exibem uma mistura de regiões cristalinas e não-cristalinas. A resistência mecânica e a ductilidade dos materiais poliméricos variam em grande escala.

1 Liga metálica: consiste de uma combinação entre dois elementos, onde pelo menos um é metal e os outros podem ser metais ou não-metais, desde que o caráter metálico da liga seja mantido.

Devido à natureza da estrutura interna, esses materiais normalmente são péssimos condutores de eletricidade e de calor, o que lhes permite serem utilizados freqüentemente como isolantes, o que os torna de grande importância na confecção de dispositivos e equipamentos eletrônicos. Os materiais cerâmicos são definidos como materiais cristalinos inorgânicos. A maioria apresenta alta dureza e elevada resistência mecânica, mesmo em altas temperaturas; entretanto, normalmente são bastante frágeis. O fato de serem bons isolantes térmicos e possuírem alta resistência ao calor os tornam muito importantes na construção de fornos usados na indústria metalúrgica. A idéia principal no desenvolvimento dos materiais compósitos foi combinar as propriedades de diferentes materiais. Os materiais compósitos são formados de dois ou mais materiais, produzindo propriedades não encontradas nos materiais que o formam. A maioria consiste de um elemento de reforço envolvido por uma matriz constituída de resina ligante, com o objetivo de se obter características específicas e propriedades desejadas. Geralmente, os componentes não se dissolvem um no outro, e podem ser identificados fisicamente por uma interface bem definida entre eles. Podem ser de vários tipos, e os mais importantes são os fibrosos (fibras envolvidas por uma matriz) e os particulados (partículas envolvidas por uma matriz). Um exemplo bastante comum de material compósito é o concreto armado, que é constituído de uma matriz de concreto (cimento, areia e pedra) envolvendo o elemento reforço (barras de aço). O Quadro 1.1 destaca comparativamente algumas propriedades dos materiais, e a Figura 1.1 ilustra a resistência representativa de várias classes de materiais. Quadro 1.1 – Propriedades gerais das diversas classes de materiais (CARAM, 2000).

Figura 1.1 - Resistência representativa de várias classes de materiais (adaptado de ASKELAND & PHULÉ, 2003):

1.3 Estrutura e Propriedades dos Materiais O emprego de materiais na forma de produtos acabados envolve, geralmente, etapas de processamento onde algumas de suas características podem ser significativamente alteradas. Normalmente, esta etapa promove modificações na estrutura interna do material. A modificação da forma geométrica de um material metálico (conformação plástica) resulta em alterações no estado de tensões da estrutura atômica, bem como pode modificar a estrutura ao nível atômico.

Para a produção de uma peça metálica por processo de fundição (pistão de automóvel, por exemplo), um molde, geralmente metálico, é preenchido por um volume de metal líquido; após a solidificação, a peça é desmoldada e o processo é concluído. A estrutura interna do material solidificado será afetada pela velocidade de solidificação do metal líquido com relação a defeitos nos arranjos atômicos, influenciando, assim, as propriedades da peça. Um material para ser aplicado em engenharia necessita apresentar dados sobre suas características básicas, como também sobre a maneira com que foi processado até o momento de ser empregado. Uma chapa de aço (liga ferro-carbono) laminada a frio, por exemplo, apresenta características distintas de outra laminada a quente. A Figura 1.2 mostra a relação entre estruturas, propriedades e processos de modificação de propriedades dos materiais (CARAM, 2000).

Figura 1.2 - Relação entre estruturas, propriedades e processos de modificação de propriedades dos materiais (CARAM, 2000). A natureza e o comportamento dos materiais em serviço estão basicamente associados aos tipos de átomos envolvidos e aos seus arranjos. Um material pode ser constituído por um ou mais elementos químicos; entretanto, a forma com que tais elementos se arranjam no espaço determinará as características do material. Dessa forma, a estrutura dos materiais pode ser estudada de acordo com quatro níveis seqüenciais, quais sejam: subatômico, atômico, microscópico e macroscópico. O nível subatômico está relacionado à análise do átomo individual, o comportamento do seu núcleo e os elétrons de suas camadas periféricas, ou seja, a interação núcleo-eletrosfera.Existe um compromisso muito forte entre o comportamento do átomo e suas partículas subatômicas com as propriedades elétricas, térmicas e magnéticas. O nível atômico está ligado à análise do comportamento de um átomo em relação a outro átomo, ou seja, à interação entre átomos e ligações entre os mesmos e a formação de moléculas. As ligações interatômicas dependem do comportamento do átomo ao nível subatômico. Em função do tipo e intensidade dessas ligações, um dado material pode apresentar-se como sólido, líquido ou gasoso (estado de agregação), dependendo de uma determinada condição. O nível microscópico relaciona-se à análise do arranjo dos átomos ou suas moléculas no espaço. Um arranjo atômico pode resultar em três tipos estruturais: arranjo cristalino, arranjo molecular e arranjo amorfo. O arranjo estrutural apresentado por um material influencia diretamente as suas propriedades e características. O nível macroscópico relaciona-se às características e propriedades dos materiais em serviço, as quais estão diretamente ligadas à natureza do comportamento atômico nos três níveis anteriores e à maneira com que o material foi processado. Os três primeiros níveis são responsáveis pela formação do material e o último nível por sua utilização.

A Figura 1.4 relaciona a escala de tamanho de diversas estruturas (CARAM, 2000)

Figura 1.4 – Comparação entre a escala de tamanho de diversas estruturas (CARAM, 2000). 1.4 Referências bibliográficas ASKELAND, Donald R.; PHULÉ, Pradeep P. The science and engineering of materials. 4.ed. California: Brooks/Cole-Thomson Learning, 2003. CALLISTER JR., William D. Ciência e engenharia de materiais: uma introdução. 5.ed. Rio de Janeiro: LTC, 2002. CARAM JR., Rubens. Estrutura e propriedades dos materiais. Apostilha de aula. Campinas: Universidade Estadual de Campinas (UNICAMP), 2000..

CAPITULO 22 LIGAÇÕES ATÔMICAS 2.1 A Estrutura do Átomo (Revisão) Um átomo é composto de um núcleo circundado por elétrons. O núcleo é formado por nêutrons e prótons. Como os prótons são carregados positivamente e os nêutrons são eletricamente neutros, então a carga líquida do núcleo é positiva. Os elétrons são carregados negativamente e são ligados ao núcleo por uma atração eletrostática. A carga elétrica dos prótons e dos elétrons, q, é igual a 1,60x10-19 C (coulomb). Como o número de elétrons e o número de prótons são iguais, o átomo é eletricamente neutro. O número atômico de um elemento (Z) é igual ao número de elétrons ou de prótons em cada átomo. O átomo de ferro, por exemplo, contém 26 elétrons e 26 prótons, o seu número atômico, portanto, é igual a 26 (Z = 26). A maior parte da massa do átomo está contida em seu núcleo, pois a massa de cada próton e de cada nêutron é igual a 1,67x10-24 g, mas a massa de cada elétron é somente 9,11x10-28g. A massa atômica de um material (M ou A) é a massa em gramas da Constante de Avogadro (NA) de átomos. A quantidade NA = 6,02x1023 átomos/mol é o número de átomos ou moléculas em um mol; portanto, a unidade de massa atômica é g/mol. Uma unidade alternativa para a massa atômica é a unidade de massa atômica (u.m.a), a qual vale 1/12 da massa do carbono 12 (carbono com 12 prótons). Um mol de ferro (Fe), por exemplo, contém 6,02x1023 átomos e tem uma massa de 55,847 g ou 55,847 u.m.a. 2.2 A Estrutura Eletrônica do Átomo (Revisão) Os elétrons ocupam níveis de energia discretos dentro do átomo. Cada elétron possui uma energia particular, sendo que não mais que dois elétrons em cada átomo têm a mesma energia. Isto também implica que há uma diferença discreta de energia entre dois níveis energéticos.

2.2.1 Números quânticos O nível de energia ocupado por cada elétron é determinado por quatro números quânticos, assim denominados e representados: número quântico principal (n), número quântico azimutal (l), número quântico magnético (ml) e número quântico de spins (ms). O número de níveis de energia possível é determinado pelos três primeiros números quânticos. O número quântico principal (n) é designado pelos valores 1, 2, 3, 4, 5, 6 e 7, que correspondem às camadas quânticas nas quais os elétrons estão posicionados. As camadas quânticas são também designadas por letras: K (n = 1), L (n = 2), M (n = 3), N (n = 4), O (n = 5), P (n = 6) e Q (n = 7). A Figura 2.1 ilustra a estrutura atômica do elemento sódio (Z = 11), mostrando os elétrons nas camadas quânticas K, L e M.

Figura 2.1 – Estrutura atômica do sódio (Na). Cada elétron na camada quântica é caracterizado por quatro números quânticos. O número de níveis de energia em cada camada quântica é determinado pelo número quântico azimutal (l) e pelo número quântico magnético (ml). Os números quânticos azimutais são designados por l = 0, 1, 2, ..., n – 1. Se n = 2, por exemplo, há dois números quânticos azimutais, l = 0 e l = 1. Os números quânticos azimutais também são designados por letras minúsculas 1:s (l = 0), p (l = 1), d (l = 2) e f (l = 3).

1 As letras s, p, d e f são as iniciais das palavras inglesas sharp, principal, diffuse e fundamental, respectivamente.

O número quântico magnético (ms) fornece o número de níveis de energia, ou orbitais, para cada número quântico azimutal. O total de números quânticos magnéticos para cada l é dado por 2l + 1, e corresponde a todos os valores inteiros entre –l e +l. Para l = 2, por exemplo, há 5 números quânticos magnéticos (-2, -1, 0, +1, +2). 2.2.2 Princípio da Exclusão de Pauli O princípio da exclusão de Pauli especifica que em um orbital encontra-se não mais que dois elétrons e eles possuem spins eletrônicos opostos. O conjunto dos números quânticos para os 11 elétrons do sódio (Na) é mostrado na Figura 2.2.

Figura 2.2 – Conjunto dos números quânticos para o sódio (Z = 11). A notação freqüentemente usada para descrever a estrutura eletrônica de um átomo combina o número quântico principal, a letra minúscula do número quântico azimutal e o valor sobrescrito mostrando o número de elétrons em cada orbital (subníveis de energia). A configuração eletrônica do germânio (Z = 32), por exemplo, é dada por: 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 3d10 4s2 4p2

A Tabela 2.1 mostra o padrão usado para determinar a quantidade de elétrons nos níveis de energia, e a Tabela 2.2 resume a distribuição dos números quânticos.

Tabela 2.1 – Padrão usado para determinar a quantidade de elétrons nos níveis de energia

Nota: Os valores 2, 6, 10 e 14 referem-se ao nº de elétrons no nível de energia.

Tabela 2.2 – Resumo da distribuição dos números quânticos.

Desvios na estrutura eletrônica O ordenamento na formação da estrutura eletrônica nem sempre é seguido, particularmente quando o número atômico do elemento é grande e os níveis d e f começam a ser preenchidos, como no caso dos elementos de transição. O Fe (Z = 26), por exemplo, mostra um desvio entre a estrutura eletrônica esperada e a observada, como segue:Esperada → 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 3d8 Observada → 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 3d6 4s2 O não preenchimento do nível 3d causa o comportamento magnético do ferro. 2.2.3 Valência A valência de um átomo é o número de elétrons que participa na ligação ou reações químicas; habitualmente, a valência de um átomo é o número de elétrons nos níveis de energia s e p mais externos. Alguns exemplos são mostrados a seguir: Mg → 1s2 2s2 2p6 3s2 valência = 2 Al → 1s2 2s2 2p6 3s2 3p1 valência = 3 Ge → 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 3d10 4s2 4p2 valência = 4 A valência também depende do meio em torno do átomo ou dos átomos vizinhos disponíveis para a ligação. O fósforo (P), por exemplo, tem valência 3 (possui 3 elétrons no nível p), mas quando se combina com o oxigênio (O) passa a ter valência 5. O manganês (Mn), por outro lado, pode ter valência 2, 3, 4, 6 ou 7, dependendo do elemento a que vai se ligar. Se um átomo de um elemento tem valência zero, o elemento é inerte (não-reativo). O argônio (Ar), por exemplo, apresenta estrutura eletrônica 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6; portanto possui valência igual a 0. 2.2.4 Regra do Octeto Um átomo adquirirá estabilidade química quando possuir oito elétrons na camada periférica ou, se constituído somente pela camada K, esta possuir dois elétrons; ou seja, quando apresentar configuração eletrônica semelhante a dos gases nobres, conforme mostrado na Tabela 2.3.Tabela 2.3 – Configuração eletrônica dos gases nobres.

O átomo de sódio (Na), por exemplo, possui número atômico 11 (Z = 11) e sua configuração eletrônica é (2, 8, 1); para adquirir estabilidade ele perde um elétron, ou seja, passa a ter a configuração eletrônica do átomo de neônio (2, 8). Átomos não estáveis adquirem estabilidade completando, com oito elétrons, os seus níveis s e p mais externos, ou esvaziando-os totalmente. O alumínio (Al) tem três elétrons em seus níveis s e p mais externos; ele facilmente cede esses elétrons para esvaziar os níveis 3s e 3p e ficar estável (a ligação atômica e o comportamento do Al são determinados pelo mecanismo por meio do qual esses três elétrons interagem com os átomos vizinhos).

O cloro (Cl), como possui número atômico 35 (Z = 35), contém sete elétrons em seus níveis mais externos 3s e 3p (2, 8, 18, 7); sua reatividade é causada pela capacidade que tem de completar o nível de energia mais externo aceitando um elétron e ficando com a configuração eletrônica do kriptônio (2, 8, 18, 8). Existem compostos onde os átomos tornam-se estáveis com 4, 6, 12, 18 ou outro valor de elétrons na camada periférica, constituindo-se exceções à Regra do Octeto. - Exemplos: Zn++, Ag+, Cu+ → estáveis com 18 elétrons na camada externa; Fe++ → estável com 14 elétrons na camada externa; Fe+++ → estável com 13 elétrons na camada externa. 2.2.5 Eletronegatividade A eletronegatividade descreve a tendência de um átomo ganhar elétrons. Átomos com seus níveis mais externos quase completos, tal como o cloro (Cl), são fortemente eletronegativos e, portanto, facilmente aceitam elétrons. Átomos com seus níveis mais externos quase vazios, tal como o sódio (Na), facilmente cedem elétrons e apresentam baixa eletronegatividade. Elementos que possuem números atômicos elevados, também apresentam baixa eletronegatividade, devido os seus elétrons mais externos estarem a uma distância muito maior do núcleo (positivo), não sendo, desta forma, fortemente atraídos para o átomo. A Tabela 2.4 lista a eletronegatividade de vários elementos. Tabela 2.4 - Eletronegatividade de alguns elementos relativa ao número de elétrons nos níveis s e p mais externos.

Os elementos com baixa eletronegatividade (< 2,0) são algumas vezes definidos como eletropositivos, que é o caso dos metais, por exemplo. 2.3 Ligações Atômicas Existem quatro mecanismos mais importantes pelos quais os átomos são ligados para formar os materiais de engenharia: ligação iônica, ligação covalente, ligação metálica e forças de van der Walls. Nos três primeiros mecanismos, a ligação ocorre quando os átomos completam os níveis de energia s e p mais externos. Esses três tipos de ligações são relativamente fortes e recebem a denominação de ligações primárias. As forças de van der Walls originam-se de diferentes mecanismos e são relativamente mais fracas, daí serem denominadas de ligações secundárias.2.3.1 Ligação iônica Quando mais de um tipo de átomo está presente em um material, um deles pode ceder seus elétrons de valência para o outro, preenchendo a camada de energia mais externa daquele. Ambos os átomos, então, passam a apresentar os seus níveis de energia mais externos completos (ou vazios), adquirindo uma carga elétrica e, portanto, comportando-se como íons. O átomo que contribui com os elétrons fica com carga elétrica líquida positiva e é chamado de cátion; enquanto o átomo que recebe os elétrons passará a possuir carga elétrica líquida negativa e será chamado de ânion. Os íons com cargas opostas se atraem mutuamente e produzem uma ligação iônica. Por exemplo, a atração entre os íons sódio (Na+) e cloro (Cl–) produzem o cloreto de sódio (NaCl). Esse processo está ilustrado na Figura 2.3.

Figura 2.3 – Esquema ilustrativo da ligação iônica entre o cloro e o sódio. Nas ligações iônicas, a atração eletrostática age em todas as direções, da (ligações não-direcionais), tendo-se assim, forças de coesão que geram arranjos tridimensionais.

2.3.2 Ligação covalente São ligações formadas pelo compartilhamento dos elétrons de valência entre dois ou mais átomos, de tal forma que cada átomo complete a sua camada sp mais externa. Por exemplo, o átomo de silício (Si), que tem valência quatro, obtém oito elétrons em sua camada de energia mais externa pelo compartilhamento de seus elétrons com outros quatro átomos de silício vizinhos. Esse tipo de ligação atômica está ilustrado esquematicamente na Figura 2.4

Figura 2.4 – Esquema ilustrativo da ligação covalente entre átomos de silício (adaptada de ASKELAND & PHULÉ, 2003). Esse tipo de ligação primária é muito forte e, como resultado, os materiais ligados covalentemente são muito duros, como também exibem elevado ponto de fusão. O diamante, por exemplo, é constituído de átomos de carbono ligados somente por ligações covalentes, conseqüentemente, esse material apresenta alta dureza e elevado ponto de fusão (> 3300oC). A ligação covalente apresenta caráter direcional, ou seja, cada ligação só ocorre com um único átomo; no silício (Si), por exemplo, cada átomo é ligado a quatro átomos vizinhos por quatro ligações covalentes. Por causa desse caráter direcional, os materiais ligados covalentemente possuem ductilidade limitada. Muitos materiais formados por ligações covalentes possuem péssima condutibilidade elétrica (silício, diamante e muitos materiais cerâmicos), pois os elétrons de valência são utilizados nas ligações entre os átomos e, portanto, não estão disponíveis para conduzirem eletricidade. Em alguns desses materiais (no Si, por exemplo), a introdução deliberada de pequenas quantidades de outros elementos, denominados dopantes, permite a obtenção de níveis controlados de condutividade elétrica, formando os materiais semicondutores. As ligações covalentes podem ser simples, duplas ou triplas; quanto maior o número de elétrons compartilhados, menores distâncias interatômicas e energias de ligação mais elevadas são produzidas, conforme pode ser verificado na Tabela 2.5. Tabela 2.5 – Alguns valores de comprimento de ligação e de energia de ligação (VAN VLACK, 1977)

Ligações covalentes dativas Em alguns casos, apenas um dos átomos envolvidos na ligação contribui com o par eletrônico na formação da ligação covalente; nesses casos, a ligação covalente recebe o nome de ligação coordenada ou dativa. Por exemplo, no radical SO4--, o enxofre (S), já com a sua camada externa completa, se liga com os dois átomos de oxigênio por ligação covalente; porém, os dois elétrons do par compartilhado são fornecidos somente pelo enxofre. A Figura 2.5 ilustra esquematicamente esse tipo de ligação.Figura 2.5 – Esquema da ligação coordenada ou dativa.

2.3.3 Ligação metálica São assim denominadas por serem ligações características dos metais. Os elétrons de valência dos metais estão fracamente ligados ao núcleo (são eletropositivos); atraídos por núcleos de átomos vizinhos se libertam, compondo uma “nuvem” que envolve os íons positivos formados, proporcionando, dessa forma, o aparecimento de forças de atração eletrostática entre os elétrons da “nuvem” e os íons positivos.Conforme pode ser observado na Figura 2.6, o átomo de alumínio (Al) cede os seus três elétrons de valência, tornando-se um íon com carga líquida positiva +3; os elétrons de valência movem-se livremente

pela nuvem de elétrons e começam a se associar com os outros íons positivos formados; esses íons são mantidos coesos pela atração mútua com os elétrons da nuvem, produzindo, portanto, fortes ligações metálicas.Na ligação metálica, os elétrons não se ligam permanentemente a nenhum átomo, proporcionando grande mobilidade, o que explica a alta condutibilidade térmica e elétrica dos metais. A grande mobilidade dos elétrons na ligação metálica também explica o fato dos metais serem bons refletores de radiação visível. Sob a influência de uma carga elétrica aplicada no metal, os

elétrons se movem causando um fluxo de corrente elétrica, conforme mostrado na Figura 2.7.

Figura 2.7 – Fluxo de corrente elétrica em um metal. A ligação metálica possui caráter não-direcional, daí os metais apresentarem boa ductilidade.

Como a ligação metálica é forte, geralmente os metais possuem pontos de fusão relativamente altos. Vale ressaltar, que esse tipo de ligação é apenas um dos fatores que explicam as propriedades dos materiais metálicos, pois existem outros relacionados à microestrutura que também têm um papel crucial na determinação das propriedades dos materiais metálicos. 2.3.4 Forças de van der Walls Em um gás nobre (Hélio, Neônio, Argônio, Criptônio, Xenônio e Radônio) a camada mais externa está completa (dois elétrons para o He e oito para os demais); nestas situações de estabilidade, nenhum dos tipos de ligação já estudados pode ser efetivo; como conseqüência, os átomos desses gases têm pouca atração uns pelos outros, permanecendo monoatômicos nas temperaturas ordinárias; somente em temperaturas muito baixas, quando as vibrações térmicas são drasticamente reduzidas, eles se condensam. Se inexistisse atração atômica entre os átomos dos gases nobres, esses elementos deveriam passar diretamente do estado gasoso para o sólido quando a energia cinética fosse nula (Zero Absoluto ≈ –273°C); entretanto, o gás passa ao estado líquido e depois ao estado sólido antes do zero absoluto. A Tabela 2.6 fornece as temperaturas de fusão e de ebulição dos gases nobres. Tabela 2.6 - Temperaturas de fusão e ebulição dos gases nobres.

a) Polarização induzida A maior parte das forças das ligações de van der Walls se originam de dipolos elétricos. A formação de um dipolo elétrico ocorre quando o centro das cargas positivas não coincide com o centro das cargas negativas nos átomos ou moléculas, dando origens a regiões positivas e negativas. À medida que os átomos vão se aglomerando, os seus elétrons não se apresentarão distribuídos simetricamente a todo instante. Essa deslocalização de certos elétrons no átomo causa uma pequena polarização no mesmo. Por outro lado, os elétrons de um átomo repelem os elétrons de outros átomos e atraem núcleos vizinhos. Um átomo já desbalanceado eletricamente causa induções elétricas mais sensíveis nos átomos vizinhos; diz-se, nesse caso, que os átomos sofreram uma polarização induzida. As forças que unem os átomos por meio das polarizações induzidas são denominadas de forças de van der Walls, e são as mais fracas em relação às outras ligações. Essas ligações são responsáveis pela liquefação e solidificação dos gases nobres e pelas atrações intermoleculares nos líquidos e sólidos constituídos de moléculas apolares. Por exemplo, a ligação entre os átomos de cloro para formar a molécula de cloro sólido, Cl–Cl, é a ligação covalente normal, mas as ligações que mantém as moléculas unidas entre si são as ligações de forças de van der Walls, conforme ilustrado na Figura 2.8.

Figura 2.8 – Ligações existentes na estrutura molecular do cloro sólido.

A polarização induzida depende de dois fatores: a quantidade de elétrons da molécula e a massa molecular. Quanto mais elétrons a molécula possuir, maior será a intensidade de polarização induzida e mais acentuadas serão as forças de van der Walls. Quanto maior a massa molecular do material, maior será a energia cinética (maior temperatura) necessária para que o mesmo passe para o estado gasoso. Esses fatos podem ser verificados por meio da Tabela 2.7. Tabela 2.7 - Comparação entre os pontos de ebulição de algumas substâncias com as massas moleculares e número de elétrons por molécula.

b) Polarização permanente As moléculas que apresentam pontes de hidrogênio possuem uma polarização permanente. A ponte de hidrogênio é

conseqüência da atração entre os núcleos “expostos” de hidrogênio de uma molécula pelos elétrons não compartilhados da outra (o pequeno núcleo do hidrogênio, que é um próton, é atraído por elétrons não compartilhados de uma molécula próxima). O metano (CH4) e o silano (SiH4) são moléculas apolares e não apresentam pontes de hidrogênio. Cada molécula da água (H2O) apresenta duas pontes de hidrogênio no átomo de oxigênio; enquanto que na amônia (NH3) e no ácido fluorídrico (HF), tanto o nitrogênio (N) como o flúor (F) apresentam uma ponte de hidrogênio. A Figura 2.9 mostra exemplos de pontes de hidrogênio.

Figura 2.9 – Formação de pontes de hidrogênio nas moléculas da água e do ácido fluorídrico.Na água, o número de pontes de hidrogênio aliado ao fato do oxigênio ser muito eletronegativo proporciona o elevado ponto de ebulição dessa substância.

c) Combinação de ligações Em muitos materiais, as ligações entre os átomos que os formam são de dois ou mais tipos. No sulfato de cálcio (CaSO4), por exemplo, as ligações entre os átomos do radical SO4-- são covalentes, mas a ligação entre este e o átomo de cálcio (Ca) é do tipo iônica (Figura 2.10).