Ciência dos Materiais - MMD00097 - V (18/1)
DATA:20/04/2018
Prof. C. P. Bergmann Daniel Diehl - Cartão UFRGS: 00167719 LISTA 1, 2 e 3 LISTA1 1 Com que se ocupa a Ciência dos Materiais e qual sua importância na Engenharia? A disciplina de ciência dos materiais envolve env olve o estudo das correlações que existem entre as estruturas e estruturas e propriedades de materiais. materiais. A engenharia de materiais é, com base nestas correlações estrutura-propriedade, o projeto ou a engenharia da estrutura de um material para produzir um predeterminado conjunto de propriedades. Referência: CALLISTER, W. D., Ciência e Engenharia de Materiais: Uma Introdução. John Wiley & Sons, Inc., 2002 2 Diferencie conhecimento fenomenológico e enciclopédico. Conhecimento fenomenológico, segundo Husserl, é correlação entre o ser-objeto. Baseia-se no processo pelo qual tudo que é informado pelos sentidos é mudado em uma experiência de consciência, no curso o termo explica o empirismo. Conhecimento enciclopédico (O conhecimento do mundo) diz respeito às informações sobre determinado tópico, armazenadas na memória do leitor. Referência: FONTANA, N. M. (2007). Relendo a relação entre conhecimento. Linguagem & Ensino. 3 Classifique os materiais segundo os seguintes critérios: a) aplicação na indústria; Metais – Bom condutores de eletricidade de calor, ductilidade com alta pureza, porém ligas metálicas tem ganho resistência mecânica com boa ductilidade . Aplicação estrutural. Cerâmicos – em geral são óxidos, nitretos, e carbetos. têm as características de isolantes de calor, mal condutores elétricos, refratariedade, refratariedade, alta dureza e frágeis. Polímeros - baixa densidade, macromoléculas orgânicas, podem ser rígidos ou flexíveis. Compósitos - compósitos são materiais formados por uma matriz e um reforço com excelente afinidade química entre si, processados sinteticamente para atingir excelentes propriedades mecânicas com a menor massa possível b) grau de desenvolvimento tecnológico Naturais - utilizados com são encontrados na natureza Empíricos - empiricamente desenvolvidos Desenvolvimento científico - pequeno grau de complexidade Projetados - alto grau de complexidade c) morfologia. morfologia.
monoestruturados - único conjunto de propriedades. ex.: monocristais recobrimentos - ex.: aços revestidos gradiente - ex: aço damasco aleatório - ex: aço ferramentas , alto carbono 4 Cite dois produtos que podem ser classificados como: a) monoestruturado; Diamante e quartzo b) recobrimento; aço revestido com zinco, jóias c) gradiente aço ferramenta e cobre d) composição aleatória. Aço eutético, ligas eutéticas, 5 Como se interrelacionam estrutura, propriedades, processamento e desempenho em serviço de um material? A figura abaixo, resume a interrelação em uma visão geral, o processamento de trefilação como no início do exemplo cria uma microestrutura com grãos deformados com alto encruamento ou com alta dureza mas baixa ductilidade, porém o processo de tratamento térmico posterior conforme vemos na figura, recristaliza os grãos da microestrutura e aumenta o tamanho de grão com a finalidade de se obter um fio com boa ductilidade para a aplicação.
6 Dê dois exemplos que evidenciam a relação entre estrutura e propriedades dos materiais. Alotropia do Fe-C (aço)- dependendo do tratamento da liga, sendo a mesma composição química, a estrutura formada pode resultar em diferentes propriedades. Compósito - concreto armado - combinação da resistência resultando em ótimas propriedades para aplicação estrutural da área civil. 7 Como se divide e qual o critério no estudo da estrutura de um material? Estrutura atômica - partícula elementar, ligações, número atômico…
Estrutura cristalina - célula unitária , parâmetro de rede, distâncias interatômicas… Microestrutura - fases, comp. química, tamanho de grão, forma, orientação Macroestrutura - geometria e acabamento 8 Em que estaria baseada a mudança de propriedades de um mesmo material fabricados por diferentes processos? O tipo de processo de fabricação de um material pode resultar propositalmente em diferentes microestruturas, com diferentes propriedades com o fim de atingir os requisitos para sua aplicação. 9 Diferencie propriedades de corpo e de superfície. Corpo - propriedades relacionadas ao comportamento mecânico, suas propriedades elétricas, magnéticas, condutividades.. Superfície - propriedade referentes a interação com o meio, res. à corrosão, res ao desgaste, aspecto.. 10 Compare a microestrutura de um cobre fundido com a de um cobre trefilado. cobre fundido - microestrutura dendrítica, grãos mais grosseiros, axiais. cobre trefilado - sem recozimento: grãos alongados, deformados, microestrutura encruada baixa ductilidade. Com recozimento: grãos recristalizados, boa ductilidade. 11 Do que depende a escolha de um determinado processo de fabricação? O processo de fabricação depende dos materiais iniciais como suas propriedades e da aplicação final do produto o qual necessita de propriedades específicas nas quais será submetido. 12 Diferencie com suas palavras os tipos de materiais quanto às suas propriedades (físicas, químicas e mecânicas) típicas. - Metálicos: em geral são dúcteis, com densidade alta e boa resistência mecânica, apresentam brilho e espelhamento quando polidos; - - Polímeros: são isolantes de eletricidade e calor e com densidade relativamente baixa; - Cerâmicos: alto ponto de fusão, alta dureza e geralmente são frágeis; - Compósitos: apresentam combinações de propriedades, boa resistência mecânica em relação à densidade.
13 Por que utiliza-se uma alumina translúcida como invólucro de uma lâmpada de sódio? Existem dois tipos de lâmpadas de sódio a de baixa pressão e a de alta pressão. A alumina translúcida apresenta 0,3% de porosidade, e grãos pequenos propiciam a formação de uma macroestrutura transparente. Além de elevada dureza e a transparência, ela tem elevado ponto de fusão, alta resistência à vapor e estabilidade química, por isso, ela é utilizada em lâmpadas de de sódio de alta pressão. Para lâmpadas de sódio de baixa pressão
referência: https://pt.wikipedia.org/wiki/L%C3%A2mpada_de_vapor_de_s%C3%B3dio http://www.lamptech.co.uk/ Não encontrado no Callister. 14 A partir de um material de sua escolha, dê duas aplicações para o mesmo e descreva as propriedades de interesse em cada aplicação. material: aço inoxidável Aplicação 1: utensílios de cozinha Propriedades: durabilidade, res à corrosão, aparência, res mecânica, res à oxidação Aplicação 2: próteses Propriedades: durabilidade, res à corrosão, aparência, res mecânica, bio compatibilidade. 15 Quais são os critérios para a seleção de um material para determinada aplicação. Um engenheiro deve procurar um material que: Possa atender as propriedades adequadas Possa ser processado na forma desejada Seja economicamente viável Seja reciclável Tenha baixo impacto ambiental 16 O que é compromisso entre as propriedades de um material? Termo usado quando propriedades do material possuem as condições mínimas requeridas para a sua aplicação. 17 Como a questão ambiental está presente na seleção de um material para determinado emprego. A questão ambiental está dentro de todo o ciclo industrial. A extração ou obtenção do material inicial podem gerar poluentes, transporte e armazenamento. O processamento do material pode gerar rejeitos(sub-produtos) que devem tem ser classificados e gerenciados. O destino do produto utilizado é uma preocupação ambiental. 18 Liste seis diferentes classificações de propriedades dos materiais que determinam sua aplicabilidade. 1 dureza 2 resistência 3 ductilidade 4 condutividade elétrica 5 condutividade térmica 6 tenacidade 19 Explique o conceito de Nanotecnologia e o porquê de seu potencial no desenvolvimento de materiais para a Engenharia
“De uma forma simples, podemos definir nanotecnologia como sendo o termo utilizado para descrever a criação, manipulação e exploração de materiais com escala nanométrica.” “É utilizada para controlar os materiais de tal forma que podemos manipular átomos e moléculas para construir estruturas mais complexas como, um dispositivo eletrônico” ou seja “poderemos obter novos dispositivos eletrônicos, cada vez menores, produzir robôs tão pequenos que poderiam ser injetados no organismo para desobstruir artérias (aqui mais uma vez o mundo da ficção esta avançando em relação ao mundo real, bastando lembrar do filme “viagem insólita”, em que uma nave tripulada é injetada dentro do organismo), desenvolver remédios que poderão atuar especificamente na região danificada do organismo, como entregar um remédio para combater somente o tumor.” -
Elson Longo (UFSCar) “Anais da 56ª Reunião Anual da SBPC - Cuiabá, MT Julho/2004” Link: http://www.sbpcnet.org.br/livro/56ra/banco_conf_simp/textos/ElsonLongo.htm 20 Liste 3 aplicações que, em sua opinião, necessitam que materiais apresentem alta tenacidade e baixa densidade. 1 raquetes de tênis 2 quadro de bicicleta 3 armas brancas 21 Liste materiais que têm aplicações baseadas em suas propriedades ópticas. quartzo diamante vidro 22 Cite três critérios que são importantes no processo de seleção de materiais. custo impacto ambiental qualidade 23 Defina materiais funcionais. Materiais funcionais possuem propriedades, com aplicações tecnológicas, que podem ser controladas por parâmetros externos e servem para cumprir um grupo de funções, como por exemplo: materiais ‘semicondutores’, materiais magnéticos, materiais condutores de eletricidade. LISTA 2 1 Defina número de Avogadro e dê seu valor. É definida como sendo o número de átomos por mol de uma determinada substância, em que o mol é uma das sete unidades básicas do Sistema Internacional de Unidades (SI). A constante de Avogadro tem dimensões de mol recíprocas e seu valor é igual a 6,022 x 10^23 mol^−1. Link: https://dx.doi.org/10.1351%2Fpac199264101535
2 Qual a massa em repouso e a carga de um elétron, próton e nêutron? Qual a relação deste valores entre estas partículas? Elétron - 9,11×10^-31 kg ; -1,6×10-19^C Próton - 1,6 7 x 10^−27 kg ; 1, 6 x 10−19^C Nêutron - 1,67x10−27 kg ; nu l a Elétron e o próton tem a mesma carga com sinal contrário mas massa diferentes próton e nêutron tem a mesma massa mas o nêutro não tem carga 3 O que é isótopo? E isóbaro? Isótopo mesmo número de próton; Isóbaro mesma massa.
4 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? Lítio raio atômico= 0,1519 nm raio iônico= 0,068 nm Cloro raio atômico= 0,0905 nm raio iônico= 0,181 nm Isso ocorre devido às forças do campos eletrostáticos que atraem menos ou mais devido a diferença de carga gerada em relação ao átomo neutro . 5 O que são os números quânticos de um átomo? Descrevem a energia dos elétrons dos átomos. Número quântico principal: níveis principais de energia, varia de K à Q; número quântico secundário: subniveis de energia spdf número quântico magnético: orientação espacial: -1 0 1 número quântico do spin: -½ ou ½ → condição permitida para um elétron girar no seu eixo. 6 Qual é o princípio de exclusão de Linus Pauling? Dois elétrons de um mesmo átomo não podem ter os mesmos números quânticos. 7 Os elementos 21 a 29, 39 a 47 e 72 a 79 são conhecidos como elementos de transição. Qual características comuns apresenta a distribuição de elétrons na eletrosfera destes elementos? Apresentam um subnível d incompleto na camada de valência, capacidade de formar cátions com o subnível incompleto. Sc(escândio)} 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 3d1 4s2 Cu (cobre) 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s1 3d10 Y(itrio) 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 3d10 4s2 4p6 4d1 5s2 Pd (Paladio) 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 3d10 4s2 4p6 4d10 Hf Háfnio 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 3d10 4s2 4p6 4d10 4f14 5s2 5p6 5d2 6s2 Au ouro 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 3d10 4s2 4p6 4d10 4f14 5s2 5p6 5d9 6s1
8 Escreva a configuração eletrônica (ex. 1s2, ...) para Be, F, Co e Ni. Quantos elétrons há no subnível 3d destes três últimos elementos? e como estão alinhados os spins dos seus elétrons nesse subnível? Be : 1s2 2s2 F: 1s2 2s2 2p5 Co: 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 3d7 → 7 electrons → 2 alinhados, 3 desparelhados Ni: 1s2 2s2 2p 6 3s2 3p 6 4s2 3d8 → 8 eletrons → 3 alinhados, 2 desparelhados 9 Caracterize: ligação iônica; ligação covalente e ligação metálica. Ligação iônica - Os elétrons de valência são transferidos entre átomos produzindo íons. Forma-se com átomos de diferentes eletronegatividades (alta e baixa) . Os elementos menos eletronegativos cedem e- formam cátion cátions e os elementos mais eletronegativos recebem e- formam ânions A ligação iônica não é direcional, a atração é mútua em todas as direções. ligação covalente - Os elétrons de valência são compartilhados: forma-se com átomos que têm tendência em receber e- (átomos com alta eletronegatividade). A ligaçãos covalente é direcional e forte (semelhante à iônica)= 125-300 Kcal/mol. ligação metálica - Forma-se com átomos de baixa eletronegatividade (em torno de 3 elétrons de valência), com tendência para ceder e-. 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. A ligação metálica não é direcional porque os elétrons livres protegem o átomo carregado positivamente das forças repulsivas eletrostáticas. A ligação metálica é forte (um pouco menos que a iônica e covalente)= 20-200 Kcal/mol. 10 Descreva as ligações conhecidas por forças de van der Waals e por pontes de hidrogênio. As forças de Van der Waals são forças de atração que atuam entre moléculas, átomos ou iões. Estas forças não ultrapassam, geralmente, a ordem de 2 kcal/mol e podem ser entendidas considerando as atrações como sendo de natureza elétrica. A ligação de van der Waals - não é direcional e é fraca (< 10 Kcal/mol). A ligação de hidrogênio é um exemplo extremo da ligação dipolo permanente-dipolo permanente. Pois o hidrogênio de uma molécula constitui um polo positivo, que se liga a um desses átomos de flúor, oxigênio ou nitrogênio de outra molécula, que constituem o polo negativo delas. 11 Compare os tipos de ligações em termos de energia de ligação envolvida. ● Ligação iônica 150-300kcal/mol ● Ligação covalente 125- 300 kcal/mol ● Ligação metálica 20-200 kcal/mol 12 É possível a presença de mais de um tipo de ligação entre átomos? Explique e dê exemplos. Sim, elas podem ter mais de um tipo, depende da diferença eletronegativa podendo para mais prevalecer caráter iônico.
13 Explique as forças (e energias envolvidas) entre dois átomos em função da distância interatômica (faça gráficos das relações solicitadas). O estado de menor energia é alcançado na distância onde há estabilidade das forças, no estado de equilíbrio. Mais próximo que esse estado agirá forças de repusão e o contrário com o afastamento até a energia necessária para romper a ligação
14 Dê e explique que propriedades intrínsecas podem ser definidas pelo gráficos da questão anterior. Quanto maior a inclinação da curva no ponto d e equilíbrio, maior o módulo de elasticidade e maior a resistência mecânica .Quanto mais profundo o poço de energia maior a temperatura de fusão do material. Então, quanto mais estreito o mínimo de potencial menor é o coeficiente de expansão térmica do material. 15 Porque materiais com elevado ponto de fusão tem elevado módulo de elasticidade e baixa dilatação térmica? Maior ponto de fusão mais profundo seria o poço de energia, logo a derivada da curva seria maior, resultando num maior módulo de elasticidade. isso o torna mais simétrico e assim aumentando a dilatação térmica. 16 A presença de forças de van der Waals modificam o PE e o PF de substâncias que se ligam com o F, O , N. Justifique esta afirmativa. Sim, pois apesar de ser uma ligação secundária, fraca, é uma barreira a ser vencida para a transformação, necessitando de mais energia. LISTA 3 1 Quais são os níveis de ordenação dos átomos em um sólido e como diferem entre si? sem ordenação - gás ord. curto alcance - amorfos, água ord. longo alcance - materiais cristalinos - metais, ceramicos, polimeros 2 O que se entende por estrutura cristalina de um material? Define-se como o arranjo ordenado periódico de uma série de átomos com distância e ângulos bem definidos. 3 O que é a célula unitária de uma rede cristalina.
É um padrão representativo de um arranjo da rede cristalina, sendo a menor subdivisão da rede cristalina. A geometria da célula unitária é completamente definida em termos de 6 parâmetros: os 3 comprimentos de arestas a, b e c, e os 3 ângulos alfa, beta e gama.
4 Quantos e quais são os sistemas cristalinos? Como diferem entre si? Quais são suas características? Têm sido encontrados cristais tendo 7 diferentes possíveis combinações: cúbico, tetragonal, hexagonal, ortorrômbico, romboédrico, monoclínico e triclínico. Eles diferem entre si pelos comprimentos das três arestas: a, b e c, e quanto os três ângulos entre os eixos, alfa beta e gama. - Cúbico: em que todos os ângulos são iguais a 90º - Tetragronal: em que todos os ângulos são iguais a 90º - Ortorrômbico: em que todos os ângulos são iguais a 90º - Monoclínico: em que há dois ângulos iguais a 90º e dois ângulos diferentes de 90º - Triclínico: em que todos os ângulos são diferentes e nenhum é igual a 90º 5 O que é parâmetro de rede da célula unitária? Parâmetro de rede é a geometria da célula unitária, que é definida em termos de seis parâmetros: os comprimentos das três arestas, a, b e c, e os três ângulos entre os eixos. 6 Faça uma lista de metais com estrutura cristalina hexagonal, outra com metais CFC e CCC. Hexagonal - cobalto, titanio, zirconia CFC - austenita, Alumínio, Níquel, Cobre, Prata, Ouro, Platina e Chumbo, CCC - ferrita, sodio, Li, Cromo, Tungstênio e Mol ibdênio link:http://www.fem.unicamp.br/~caram/capitulo3.pdf 7 Quantos tipos de células unitárias são conhecidas. Que são redes de Bravais? Existem sete tipos de células unitárias: cúbico, hexagonal, tetragonal, romboédrico, ortorrômbico, monoclínico e triclínico. Rede de Bravais, é a denominação dada às configurações básicas que resultam da combinação dos sistemas de cristalização com a disposição das partículas em cada uma das células unitárias de uma estrutura cristalina. são 14 das 28 possíveis 8 Qual o número de átomos (ou número de pontos de rede) das células unitárias do sistema cúbico para metais? O número de átomos por célula unitária é o número específico de pontos da rede que define cada célula unitária. Logo, depende do tipo de cúbico.
9 Determine as relações entre o raio atômico e o parâmetro de rede para o sistema cúbico em metais. Determinada geometricamente a partir da direção em que os átomos estão em contato (direção de empacotamento fechado, ou de maior empacotamento).
10 Número de coordenação: o que é? Do que depende? Quais são os números de coordenação nas células unitárias dos metais? O número de coordenação é o número de vizinhos mais próximos.Depende: (i) da covalência: o número de ligações covalentes que um átomo pode compartilhar; (ii) do fator de em pacotamento cristalino. CS=6 ; CCC=8 ; CFC/HC=12 11 O que é fator de empacotamento em uma célula unitária? Calcule o fator de empacotamento para as células cúbicas para metais. O fator de empacotamento (FE) é a fração de volume da célula unitária efetivamente ocupada por átomos, assumindo que os átomos são esferas rígidas. CS= 2atomos*Vesfera/areadocubo = (2r*4pi*r³/3)/(2r)³ = 52% CCC= 68% CFC/HC=74% 12 Calcule a densidade do FeCFC e FeCCC. FeCCC ao = 4R/3-1/2 = 4x0,1241x10-9/3-1/2 dFeCCC = (2x55,85)/(ao)3x6,02x1023 = 7,88 g/cm3 FeCFC: ao = 4R/2-1/2 = 4x0,1269x10-9/2-1/2 dFeCFC = 4x55,85/(ao)3x6.02x1023 = 8,03 g/cm3 13 Quantas células unitárias estão presentes em um centímetro cúbico do NiCFC? 0,125nm a=0,125*4/sqrt(2) a=0,3535nm V=0,04314 nm³ = 1 célula 1cm³ = 10^21 nm³ →231,8*10^21 células 14 O que é alotropia? O que é anisotropia? Alotropia, um mesmo material pode ter duas ou mais morfologias com a mesma composição química, obtendo diferentes propriedades. Anisotropia as propriedades físicas dependem da direção. 15 O que é distância interplanar.
É a distância de dois planos com mesmos índices de Miller. A resposta é dada em A. Depende do tipo de célula unitária e do Índice de Miller. 16 a) Determine os índices de Miller para as direções das Figuras 1e 2. Figura 1 final-inicial… se tiver fração, fazer mmc. Figura 1 A 1,0,0 - 0,1,1/2 = 1,-1,-1/2 → [2-2-1] B 0,1/2,1 - 1,1/2,0 = [-101] C 1,0,1 - 0,1,0 = [1-11] D ¾,1,0 - 1,0,2/3 = -1/4,1,-2/3 = [-3 4 -8] Figura 2 A 0,-1,0,1 - 1,0,-1,1 = [1 -1 1 0] B 1,0,0,1 - 0,0,0,0 = [1 0 0 1] C 0,1,0,1/2 - 0,-1,0,0 =[0 2 0 1/2] Figura 3 A 1,3/4,1/2 = 1,4/3,2 = (3 4 6) B 2,1,1/4 =1/2, 1,4 = (1 2 8) C ∞,1,1/4 = (0 1 4) figra 4 A= inf 1 -1 ⅓ → (0 1 -1 3) B=inf 1 -½ → ( 0 1 -1 2) C= inf inf inf ⅔ → 0 0 0 3/2 → (0 0 0 6)
17 O lantânio tem uma estrutura CFC abaixo de 865°C com a=5,337 A, mas tem uma estrutura CCC com a=4,26 A acima de 865°C. Calcule a troca de volume quando La passa por 865°C. La expande ou contrai se lhe fornece energia a essa temperatura? O lantânio expande se atingir energia para essa temperatura. CFC → a0 = 5,337A → 4 CCC → a0 = 4,26A→ 2→8,52 Vtroca=(Vfinal-Vinicial)/ Vinicial *100 =(618,46-152,017)/618,46]*100 =466,443/618,46)*100 =75,42%
18 Calcule a densidade linear e o fator de empacotamento linear nos sistemas: a) CS para a direção [011] e b) CCC para a direção [111], supondo ligações metálicas entre os átomos e que o parâmetro de rede seja 4 Å. a)D2=(2r)2+(2r)2 D=2r*1,4141=2,8283r Densidade linear = n° átomos/unid comprimento =1/2,8283r Densidade linear = 0,1767 FE linear= 2r / (2r * 1,4141) = 2r /2,8283r= 0,7071 b) CCC para a direção [111], supondo ligações metálicas entre os átomos e que o parâmetro de rede seja 4 Å. A densidade linear é 1,00 ou 100% pois esta direção é a diagonal do cubo e sendo uma CCC os átomos se tocam por ela. 19 Para um metal hipotético com parâmetro de rede de 0,4 nm, calcule a densidade planar: A) de um plano (101) para a célula CCC. B) do plano (020) de uma célula CFC. Densidade planar = n° átomos/área =2/0,4nm*0,4nm = 12,5 átomos/nm2 20 Para o cobre: qual é o espaçamento de repetição (vetor de Burgers) dos átomos na direção [211]? No cobre a estrutura cristalina é CFC e a direção dada é a diagonal que passa por dois cubos. Raio do Cu = 0,128A CFC a0 = (4x raio atômico)/ √2 a0 = (4x 0,128A)/√2 a0 =0,512A / 1,4141 a0 = 0,36207A espaçamento de repetição = a0 /√ (x2+y2+z2) = 0,36207/√ (4+1+1) = 0,36207/2,4495 = 0,1477 21 Como podem apresentar-se os compostos cerâmicos de estrutura AX? Descreva-os. Os átomos A tem apenas átomos X como primeiros vizinhos e vice-versa. A ligação entre eles pode ser iônica (ex. MgO) ou covalente (ex. ZnS). 22 Como podem apresentar-se os compostos cerâmicos de estrutura AmXp? Descreva-os. CaF2 e o Al2O3. 23 Como podem apresentar-se os compostos cerâmicos de estrutura AmBnXp? Descreva-os.
o BaTiO3 - O titanato de bário é um pó branco e transparente como cristais maiores. Este titanato é um material cerâmico ferroelétrico , com efeito fotorrefrativo e propriedades piezelétricas . É usado em capacitores , transdutores eletromecânicos e ópticas não lineares 24 Defina a constante de Madelung. Qual é seu significado físico? Significado de A: razão entre a energia de ligação do íon na rede cristalina e a energia de ligação do íon na molécula. Medida da magnitude de estabilização eletrostática para cristais estáveis. Dá a energia eletrostática de uma estrutura cristalina particular relativa a moléculas isoladas ou outras estruturas iônicas, mas pode ser usada para predizer estruturas cristalográficas. Possui maior que 1. 25 Baseado na razão entre os raios e a necessidade de balanço de cargas da estrutura cúbica, qual o arranjo atômico do CoO? Co→0,125A O→0,060A Razão=0,060/0,125=0,48 → NC=6 →NaCl → CFC 26 Baseado no raio iônico, determine o número de coordenação esperado para os seguintes compostos: a)FeO b)CaO c)SiC d)PbS e)B2O3 O→0,060A Fe →0,124 Razão=0,06/0,124=0,48386 NC=6 b)CaO O→0,060A Ca →0,197 Razão=0,06/0,197=0,30457 NC=4 c)SiC Si→0,117 C→0,077 Razão=0,077/0,117=0,65812 NC=6 d)PbS Pb→0,175 S→0,104 Razão=0,104/0,175=0,594286 NC=6 27 Calcule a densidade do composto CdS. rS=0,104A RCd=0,148A
Razão=0,104/0,148=0,7026 NC=6 Tipo NaCl, CFC a0 =R+r+r+R=0,208+0,296=0,504A 4 ânions e 12/4 das arestas+1 do centro=4 cátions Volume da esfera=(4¶r 3)/3 densidade= (4*112,4+4*32,064)/[ (0,504*10-7)3*6,02*1023 ] =(449,6+128,256)/77,06g/cm3 =0,74988 g/cm3 28 Descreva a estrutura cristalina do Al2O3. A estrutura cristalina do Al2O3 é uma estrutura HC composto com 6 interstícios onde se alojam os cátions. 29 Descreva a estrutura cristalina tipo perovskita. Cite um exemplo. Todos os compostos de fórmula ABO, nos quais A e B são cátions e diferem no tamanho dentro da estrutura. Estrutura derivada do CFC. Exemplos: titanato de bário, titanato de cálcio (CaTiO3), SrZnO3, SrSnO3, Ferritas e Espinélios. 30 Descreva a estrutura cristalina tipo espinélio. Cite um exemplo É baseada na estrutura CFC de empacotamento fechado com fórmula AB2O4 no qual A e B são cátions bivalente e trivalente, respectivamente. Materiais magnéticos não metálicos em aplicações eletrônicas. Ex: FeAl2O4, FeMn2O4 e FeCr 2O4. 31 Descreva a estrutura cristalina “cúbica tipo diamante”. Cite exemplos de materiais que cristalizam nessa estrutura. A estrutura cristalina “cúbica tipo diamante” é inicialmente uma CFC com C ligado por 4 ligações covalentes que geram um tetraedro. É uma estrutura polimórfica do C, e é metaestável a temperatura ambiente. 32 Comente a cristalinidade de materiais poliméricos. Materiais poliméricos não possuem estrutura cristalina, possuem uma estrutura de macromoléculas desorganizadas, chamada de estrutura amorfa. A estrutura desses materiais pode apresentar certa organização, a qual é chamada de cristalinidade. 33 Descreva a estrutura não-cristalina dos vidros. O que são pontes-de-oxigênio e modificadores de redes? O vidro é considerado um silicato vítreo. Da mesma forma que um líquido, é um material amorfo, mas ao contrário dos líquidos mais comuns, o vidro tem estrutura tridimensional contendo ligações covalentes. Possuem também ordem a curtas distâncias(de átomo para átomo) mas não a longas distâncias. Pontes de oxigênio podem ser exemplificadas com a estrutura do SiO4 na qual cada átomo de oxigênio possui 7 elétrons na sua camada eletrônica mais externa ao invés de 8. Quando o oxigênio supre esta deficiência compartilhando um par de elétrons com um segundo átomo de silício formam-se grupos múltiplos de coordenação tetraédrica, sendo o oxigênio compartilhado a Ponte de Oxigênio.
34 Como pode-se obter informações sobre estrutura cristalina de materiais a partir da difração de raio-X? Distância interplanar, parâmetro de rede, orientação cristalográfica, identificação de fases, quantificação das fases presentes. 35 Nos exercícios em que você calculou a densidade teórica de metais ou compostos, esta difere dos valores que você obtém na prática analisando sólidos mesmo com porosidade nula. A que se deve a diferença? E qual sua conseqüência? A diferença se dá devido às impurezas no material por mais que se cuide na sua elaboração. As conseqüências podem ser graves se isto não for levado em conta. E também se pode utilizar favorecendo determinadas características tipo quando criam o aço através da incorporação do carbono em quantidades específicas no ferro. 36 Que tipo de defeitos podem ocorrer num cristal. Quais são os defeitos pontuais? Descreva-os. - Defeitos Pontuais: átomos deslocados, extra ou falta de átomos. - Defeitos de Linha: defeito atômico que ocorre em uma aresta de um plano extra de uma estrutura cristalina. discordância - Defeitos de Fronteira: entre cristais adjacentes ou na superfície externa do cristal. Os defeitos pontuais podem ser: - Vazios ou Lacunas: falta de um átomo dentro de um metal. - Schottky: falta de um par de íons de cargas opostas. - Intersticial: átomo extra alojado na estrutura cristalina. - Frenkel: íon deslocado de sua posição no reticulado. - Substitucional: troca de uma átomo maior por outro menor 37°Classifique os defeitos pontuais quanto à forma, origem e estequiometria. Os defeitos pontuais podem ser: - Vazios ou Lacunas: falta de um átomo dentro de um metal. - Schottky: falta de um par de íons de cargas opostas. - Intersticial: átomo extra alojado na estrutura cristalina. - Frenkel: íon deslocado de sua posição no reticulado. - Substitucional: troca de um átomo maior por outro menor 38 O que são defeitos: a) não-estequiométricos? são os defeitos que formam sub redes de cátions e sub redes de ânions, estes defeitos podem ser dominantes compensadores, e podem gerar deficiência no metal ou metal em excesso respectivamente. 39 O que são defeitos extrínsecos e intrínsecos? Extrínsecos são defeitos externos ao material, ou seja, devidos a variáveis externas. Intrínsecos são que não estão relacionados com a composição estequiométrica.
40 O que é íon aliovalente e íon isovaente? Isovalente é uma solução sólida intersticial ou substicional com valência igual, são incorporados de forma simples, deve-se considerar a interação elástica resultante da diferença dos raios iônicos, neste caso aplica-se a regra de Hume-Rothery para determinar o tipo de solução sólida formada. Aliovalente é a solução sólida intersticial ou substitucional1qqq’’’’’’’’’’’’’’’’’’’’’’’’’’’’’’’’’’2 com diferente valência, e é caracterizado pelo excesso de cargas introduzidas que causam grande concentração de defeitos na rede cristalina, o tipo de defeito depende da energia de formação, os defeitos de Schottky e Frenkel são exemplos de defeitos aliovalentes. 41 Calcule o número de vacâncias por cm3 e o número de vacâncias por átomo de cobre (a) a temperatura ambiente e (b) a 1084°C (justo acima do ponto de fusão. 83,6 kJ são necessários para produzir uma vacância no cobre.) nv = nx(exp(-Q/RT) ) n = no de átomos da rede por cm3 ao Cucfc = 4R/(2-1/2) n = no de átomos por célula/(ao)3 ao = 3.615x10-8 então n = 8.466x1022 atm/cm3 Na temperatura ambiente: nV = 8.466x1022xexp[(-8300J/mol)/(8.31J/mol*K)x298K] nV = 1.8465x108 vacâncias/cm3 nV = 2.18x10-15 vacâncias/átomo Na temperatura de 1084 oC( 1357K): nv = 5.105x1019 vacâncias/cm3 nv = 2.18x10-15 vacâncias/átomo 42 Quais as consequências de um defeito tipo Frenkel na rede, por exemplo, do MgO? Um defeito intersticial aumenta a concentração daquele elemento e aumento e das tensões naquela região 43 Supondo o parâmetro de rede do CsCl de 4,0185 A e a densidade de 4,285 Mg/m3, calcular o número de defeitos Schottky por célula unitária. a = 4,0185 A densidade = 4,285 mg/cm3 MCs = 132,9g/gmol MCl = 35,3 g/gmol Proporção 1 átomo de Cl para 1 átomo de Cs x = y
densidade = n x ( massa Cs + massa Cl ) volume 4.285 = ( x 132.91+y 35.3)*6.02x1023 (4.0185x10-10)3 x = y= 0.995 átomos/célula número de defeitos = (1-0.995)/1 = 0.005/átm
44 O que é a notação de Kröger-Vink. Utilize esta notação para representar: a) vacância de um cátion Mg+2 em MgO; I I
V M g
b) vacância de um cátion Cs+ em NaCl; I
V Cs
c) vacância de um ânion O-2 em NiO; V O ..
d) Al substituindo íon Ni em NiO; Al N i .
e) Mg substituindo Ni em NiO; x
M g N i
f) Mg+2 substituindo Na em NaCl; M g N a .
g) Mg intersticial em MgO e O em um interstício de Al2O3. M g i
..
II
Oi
45 O que são discordâncias e como podem ocorrer? Discordâncias: são defeitos na estrutura cristalina, átomos de linha originados por tensões de cisalhamento, que ocorrem em uma aresta de um plano extra de uma estrutura cristalina. Tipos: - Discordância em cunha: Deslocamento dos átomos é perpendicular ao defeito. - Discordância em Hélice: Deslocamento dos átomos é paralelo ao defeito. - As discordâncias, bem como as vacâncias e o defeitos de superfície, afetam as propriedades mecânicas, elétricas e químicas de um material. 46 Qual o significado do vetor de Burgers? Qual a relação entre a discordância e a direção do vetor de Burgers para cada tipo de discordância? Vetor de burgers é uma referência à energia para mover uma discordância. Discordâncias em cunha têm vetor de burgers perpendicular a sua direção e discordâncias espirais têm vetor paralelo 47 Defina grão. O que é contorno de grão. Que tipo defeito é considerado um contorno de grão? Grãos: são cristais individuais. No interior de cada grão todos os átomos estão arranjados segundo um único modelo e uma única orientação Contorno de grão: é a fronteira entre os grãos. Defeitos: são considerados defeitos de superfície que ocorrem por irregularidades no contorno de grão. 48 Como pode a superfície de um cristal ser considerado um defeito da estrutura cristalina? Na superfície externa é o mais evidente dos defeitos de superfície devido a descontinuidade. Coordenação atômica na superfície não é comparável a dos átomos no
interior do cristal. Átomos superficiais têm seus vizinhos em apenas um lado, logo possuem mais energia e estão menos firmemente ligados aos átomos externos. A estrutura da superfície depende muito de como foi formada, o que sempre envolve processamento mecânico e térmico, assim como exposição ao ambiente. Visualização (modelo de Kossel): a superfície tem bordas (ledges), torções (kinks), deslocações......, e impurezas que podem difundir na superfície. As dimensões das varia imperfeições depende de como foi gerada a superfície. 49 O que são defeitos volumétricos? Algumas estruturas sem ordenamento a longo alcance são consideradas como defeitos volumétricos, como é o caso do vidro e dos polímeros. São em estruturas amorfas ou não cristalinas, 50 Cite algumas propriedades influenciadas diretamente pela presença de defeitos. ss Dureza, tenacidade, espalhamento da luz, resistência mecânica, entre outros.
