Constituição básica da matéria
-
Upload
vitor-caetano -
Category
Science
-
view
50 -
download
5
Transcript of Constituição básica da matéria
CENFIM
Constituição Básica da Matéria Princípios Básicos dos Materiais Classificação dos Materiais
• Polímeros
• Cerâmicos
• Compósitos
IMP CON 018
Importância Histórica dos Materiais
Vítor Caetano 2 IMP CON 018
• Os materiais sempre tiveram um papel fundamental na vida da humanidade
• As eras antigas foram designadas de acordo com o domínio dos
materiais, Idade da Pedra, Idade do Ferro
• No início o homem só tinha acesso aos materiais naturais, tais como pedras,
madeira, ossos e peles
Vítor Caetano
Importância Histórica dos Materiais
Vítor Caetano 3 IMP CON 018
• A noção inicial baseava-se na dureza; Tribos com lanças apenas de madeira
tinham mais dificuldade em abater uma caça do que tribos utilizando pontas
de pedra em suas lanças
• Após o domínio do fogo, tomou-se noção dos materiais inflamáveis e não-
inflamáveis bem como outras transformações decorrentes da temperatura
Vítor Caetano
Eras dos Materiais
Vítor Caetano 4 IMP CON 018
Vítor Caetano
Classificação dos Materiais
Vítor Caetano 5 IMP CON 018
Vítor Caetano
Classificação dos Materiais
Vítor Caetano 6 IMP CON 018
Vítor Caetano
O UNIVERSO é constituído por MATÉRIA e ENERGIA
Vítor Caetano 7 IMP CON 018
MATÉRIA
• Matéria é a designação geral para tudo
aquilo que tem massa
• Excluindo formas exóticas de matéria como
o caso dos buracos negros, ela ocupa
espaço e por isso tem volume
• Podemos citar como exemplos de matéria,
o ferro, a madeira, o ar, a água, um ser
humano, o sol, os planetas e as galáxias
• A ausência total de matéria é o vácuo
Vítor Caetano
Vítor Caetano
Tecnologia Mecânica
Princípios Básicos dos Materiais
ENERGIA
• Não é fácil definir energia com rigor, pois trata-
se de um conceito primitivo
• Alguns autores dizem que é impossível definir
energia e afirmam que não tem uma definição
precisa nem sinónimos
• Cientificamente energia é uma abstração
matemática que não tem existência para além
da sua relação funcional com variáveis ou
coordenadas, que têm uma interpretação física
e podem ser medidas
• Num sentido mais comum, energia é a
capacidade de realizar trabalho, é tudo o que
pode modificar a matéria, por exemplo, na sua
posição, estado de agregação, natureza
química. É também tudo que pode provocar ou
anular movimentos e causar deformações.
Vítor Caetano
Tecnologia Mecânica
Princípios Básicos dos Materiais
MATERIAL
• Os materiais são feitos de matéria
• Podem ser constituídos por uma ou varias substâncias, designando-se por
substâncias puras ou misturas respetivamente
• São exemplos de materiais: madeira, cobre, aço, ar, água, hidrogénio, vidro
e plástico
• Classificam-se de várias maneiras, por exemplo: naturais e manufaturados;
metálicos, cerâmicos e polímeros; sólidos líquidos e gasosos à temperatura
ambiente
Vítor Caetano
Tecnologia Mecânica
Princípios Básicos dos Materiais
CORPO
• Um corpo é uma porção limitada de matéria
• Podem ser constituídos por um ou mais materiais
• São exemplos de corpos: uma árvore, uma pedra, um automóvel, um gato, um ser humano, um
litro de leite, a atmosfera que envolve a terra
• Objetos são corpos utilizados pelo homem, por exemplo: Um automóvel, uma cadeira, um lápis
• Exemplo: Uma garrafa de vidro não é um material, é um corpo e também um objeto. O material é
o vidro que a constitui
• Um automóvel é um corpo (e também um objeto) constituído por muitos materiais, tais como:
aço, cobre, ligas de alumínio, plástico, borracha, vidro …
Vítor Caetano
Tecnologia Mecânica
Princípios Básicos dos Materiais
Exemplos de materiais que entram na
construção de um automóvel:
• Aço (vários aços)
• Água
• Vidro
• Plásticos (vários tipos)
• Tecidos
• Alumínio
• Latão
• Cobre
• Estanho
• Propano
• Ácido Sulfúrico
• Crómio
• Níquel
• Borracha
• Zinco
• Gasolina
• Gasóleo
• Chumbo
Vítor Caetano
Tecnologia Mecânica
Princípios Básicos dos Materiais
Exemplos de materiais que entram na
construção de uma casa:
• Tijolos (argila)
• Areia
• Cimento
• Aço
• Madeira
• Água
• Vidro
• Plásticos
• Tecidos
• Alumínio
• Latão
• Cobre
• Estanho
• Pedra
• Propano
Vítor Caetano
Tecnologia Mecânica
Princípios Básicos dos Materiais
Ciência dos Materiais
Ciência dos Materiais é o ramo da ciência
que estuda a relação existente entre a
estrutura e as propriedades dos materiais
Engenharia dos Materiais
Aplica os conhecimentos existentes sobre a
estrutura da matéria para produzir materiais
com um conjunto determinado de
características pretendidas
Ao projetar os engenheiros terão de estar
conscientes das propriedades dos materiais
e dos problemas que os materiais originam
Classificação dos Materiais
Vítor Caetano 14 IMP CON 018
Vítor Caetano
Tecnologia Mecânica
Princípios Básicos dos
Materiais
Toda a matéria é formada por partículas extremamente pequenas que se designam por átomos
A palavra átomos significa indivisível pois na antiguidade pensava-se que estas partículas eram indivisíveis
Dalton no século XIX retomou a ideia de que os átomos eram constituintes básicos de toda a matéria
Vítor Caetano
Tecnologia Mecânica
Princípios Básicos dos Materiais
Presentemente sabe-se que os átomos são constituídos por partículas ainda mais pequenas conhecidas por partículas subatómicas: eletrões, protões, neutrões, quarks, neutrinos , positrões, bosões …
Foi apenas no fim do século XIX (1897) que o físico inglês Joseph Thompson descobriu que os átomos eram divisíveis
Um átomos é formado por um núcleo onde se encontram protões e neutrões, estes também são conhecidos nucleões. À volta do núcleo estão dispostos os eletrões em camadas energéticas que se designam por orbitais.
Vítor Caetano
Tecnologia Mecânica
Princípios Básicos dos Materiais
Átomos e Partículas Subatómicas
O átomo mais simples que existe é o de Hidrogénio, que apenas tem um protão no seu
núcleo e um único eletrão em órbita. Seguidamente, por ordem de complexidade vem o
átomo de Hélio que tem dois protões e dois eletrões.
Como se pode verificar um átomo é eletricamente neutro, ou seja, tem tantos protões
como eletrões.
Protões – carga elétrica positiva
Neutrões – não têm carga elétrica
Eletrões – carga elétrica negativa
Vítor Caetano
Tecnologia Mecânica
Princípios Básicos dos Materiais
Outros exemplos de átomos são o Carbono e o
Alumínio, com 6 e 13 protões respetivamente
O número atómico de um átomo é igual ao seu número de protões
Vítor Caetano
Tecnologia Mecânica
Princípios Básicos dos Materiais
Tabela Periódica ou Tabela dos Elementos
Vítor Caetano
Tecnologia Mecânica
Princípios Básicos dos Materiais
Vítor Caetano
Tecnologia Mecânica
Princípios Básicos dos Materiais
Iões
• Catiões (iões positivos): são
partículas que têm carga elétrica
positiva; os mais simples formam-se a
partir de átomos por perda de um ou
mais eletrões
• Aniões (iões negativos): são
partículas que têm carga elétrica
negativa; os mais simples formam-se a
partir de átomos por ganho de um ou
mais eletrões
Vítor Caetano
Tecnologia Mecânica
Princípios Básicos dos Materiais
Moléculas
• Os átomos raramente se encontram sozinho na
natureza
• Eles tendem a juntar-se formando toda a
complexidade que conhecemos no mundo
• Apenas um punhado de elementos é estável sozinho,
são os gases nobres ou raros
• Quando os átomos se juntam formam ligações ente si
que se designam por ligações químicas
• Para romper uma ligação química, em geral é preciso
uma quantidade de energia considerável, por isso os
átomos permanecem juntos formando moléculas
• Todas as ligações químicas envolvem apenas os
eletrões das camadas mais exteriores do átomo e
nunca o núcleo atómico
• Existem casos de moléculas que são formadas por
uma grande quantidade de átomos, estas são as
chamadas macromoléculas.
Vítor Caetano
Tecnologia Mecânica
Princípios Básicos dos Materiais
Ligações Químicas Fortes ou Principais
(Intramoleculares)
• Ligação Iônica - Um dos átomos da ligação cede
um ou mais eletrões ao outro átomo, mantendo-se
unidos por forças electroestáticas.
• Ligação Covalente - Existe partilha de eletrões
do último nível de cada átomo envolvido na
ligação.
• Ligação Metálica - Consiste numa rede enorme
de átomos ligados em que os eletrões dos últimos
níveis estão livres, podendo circular livremente por
toda a rede.
Vítor Caetano
Tecnologia Mecânica
Princípios Básicos dos Materiais
Vítor Caetano
Tecnologia Mecânica
Princípios Básicos dos Materiais
Ligações Químicas Fracas ou Secundarias
(Intermoleculares)
• Ponte de Hidrogénio
• Dipolo Permanente
• Dipolo Induzido
Vítor Caetano
Tecnologia Mecânica
Princípios Básicos dos Materiais
Substância Pura ou simplesmente Substância:
• É cada uma das espécies de matéria que constitui o universo
• Pode ser simples ou composta
• A sua composição é sempre fixa e definida, por exemplo, para se formar água é
necessário a combinação de dois átomos de hidrogênio e um átomo de oxigênio,
como consequência a água é formada na proporção de 2 gramas de hidrogênio para
16 gramas de oxigênio
Substâncias puras elementares:
• São formadas pela combinação de átomos de um único elemento químico
• O gás hidrogênio é formado por dois átomos de hidrogênio ligados entre si
• O ozone que é formado por três átomos de oxigênio.
• Em geral, as substâncias elementares que o homem utiliza são produzidas em
laboratório, por processos de separação de misturas ou métodos de purificação.
Vítor Caetano
Tecnologia Mecânica
Princípios Básicos dos Materiais
Substâncias puras Compostas:
• São formadas pela combinação de átomos de dois ou mais elementos
químicos diferentes
• A água é uma substância composta porque é formada por dois átomos de
hidrogênio e um átomo de oxigênio
• Ácido clorídrico é uma substância composta porque é formado por um átomo
de hidrogénio e um átomo de cloro
• O Metano é constituído por um átomo de carbono e quatro de hidrogénio
Mistura:
• Material formada por duas ou mais substâncias puras
• É difícil encontrar substâncias puras livres na natureza
• As misturas, não possuem composição fixa e definida, por exemplo, para obter
uma mistura de água e sal pode-se colocar qualquer quantidade de água e
qualquer quantidade de sal
• Algumas misturas são tão importantes que têm nome próprio. São exemplos:
gasolina, mistura de hidrocarbonetos, que são substâncias formadas por
hidrogênio e carbono; ar atmosférico, mistura de 78% de nitrogênio, 21% de
oxigênio, 1% de outros gases, como o dióxido de carbono; álcool etílico comercial,
mistura de 96% de álcool etílico com 4% de água.
Vítor Caetano
Tecnologia Mecânica
Princípios Básicos dos Materiais
Vítor Caetano
Tecnologia Mecânica
Princípios Básicos dos Materiais
Mistura Homogênea:
• É formada por apenas uma fase.
• Não se consegue diferenciar as substâncias misturadas.
• Exemplos: água com sal; água com álcool etílico; água com acetona; água com
açúcar; água com sais minerais
Vítor Caetano
Tecnologia Mecânica
Princípios Básicos dos Materiais
Mistura Heterogênea
• É formada por duas ou mais fases
• As substâncias podem ser diferenciadas a olho nu ou pelo microscópio
• Exemplos: água com óleo; granito; água com enxofre; água, areia e óleo.
Vítor Caetano
Tecnologia Mecânica
Princípios Básicos dos Materiais
Misturas coloidais
• Os componentes da mistura não podem
distinguir-se a olho nu, contudo se usarmos um
instrumento de ampliação, como um
microscópio, conseguir-se-ia distinguir os
diferentes componentes da mistura
• Se deixarmos maionese fora do frigorífico
durante algum tempo conseguimos visualizar
pequenas partículas de gordura
• Se observarmos uma gota de sangue a olho
nu não conseguimos identificar os seus
componentes, mas se observarmos essa gota
ao microscópio, distinguimos os glóbulos
brancos, os glóbulos vermelhos, as plaquetas,
etc.
Vítor Caetano
Tecnologia Mecânica
Princípios Básicos dos Materiais
Métodos de separação de misturas
Decantação: permite a separação de líquidos imiscíveis (que não se misturam) ou
um sólido precipitado num líquido. Exemplos: água e areia, água e óleo vegetal
Filtração: este é um método de separação muito presente no laboratório químico e
também no cotidiano. É usado para separar um sólido de um líquido ou sólido de um
gás, mesmo que o sólido se apresente em suspensão. A mistura atravessa um filtro
poroso, onde o material particulado fica retido.
Vítor Caetano
Tecnologia Mecânica
Princípios Básicos dos Materiais
Centrifugação
• Para separar líquidos imiscíveis (que não se misturam) ou um líquido de um sólido insolúvel
em suspensão
• Para fazer uma centrifugação é preciso uma centrifugadora. Esta máquina faz rodar a
mistura (na qual uma das partes tem que ser líquida) a alta velocidade, provocando a
separação pela ação da força centrifuga que é aplicada (do centro para fora)
• A separação dá-se devido às diferenças de densidades dos materiais
• Normalmente uma centrifugação é seguida de uma decantação
• Exemplos: separar glóbulos vermelhos do plasma sanguíneo; separar a nata do leite.
Vítor Caetano
Tecnologia Mecânica
Princípios Básicos dos Materiais
Cristalização: separa um sólido cristalino de uma solução. Na cristalização há
uma evaporação do solvente de uma solução provocando o aparecimento de
cristais do soluto. Exemplo: o aparecimento do sal nas salinas
Destilação
• Separa líquido(s) de sólido(s) dissolvidos
ou líquido(s) de líquido(s)
• Na destilação acontecem duas
mudanças de estado consecutivas: uma
ebulição (vaporização) seguida de uma
condensação
• Na ebulição é retirado da mistura o
componente com o ponto de ebulição
mais baixo, e na condensação esse
componente volta à sua forma líquida
Vítor Caetano
Tecnologia Mecânica
Princípios Básicos dos Materiais
Destilação Fracionada
• É um método de separação de líquidos que se encontram
em mistura homogênea ou heterogênea
• Quanto mais distantes forem os pontos de ebulição destes
líquidos, mais eficiente será o processo de destilação
• Eleva-se a temperatura até que se alcance o ponto de
ebulição do líquido que apresente valor mais baixo para esta
característica e aguarda-se, controlando a temperatura, a
completa destilação deste. Posteriormente, permite-se que a
temperatura se eleve até o ponto de ebulição do segundo
líquido. Quanto mais próximos forem os pontos de ebulição
dos líquidos, menor o grau de pureza das frações destiladas
• A destilação fracionada é usada na obtenção das diversas
frações do petróleo. Nos alambiques, este tipo de destilação é
usado na obtenção de bebidas como a aguardente.
Vítor Caetano
Tecnologia Mecânica
Princípios Básicos dos Materiais
Cromatografia: para separar substâncias com
diferentes solubilidades num determinado soluto.
Na cromatografia uma mistura é arrastada (por
um solvente apropriado) num meio poroso e
absorvente. Como diferentes substâncias têm
diferentes velocidades de arrastamento num
determinado solvente, ao fim de algum tempo há
uma separação dos constituintes da mistura. Este
processo é normalmente usado para pequenas
quantidades de amostra. Exemplo: separação
dos componentes de uma tinta.
Separação Magnética: consegue separar
componentes que tenham propriedades
magnéticas dos que não as possuem.
Aproveitam-se as propriedades magnéticas de
um dos componentes da mistura para o separar
dos outros. Exemplo: areia e limalha de ferro;
enxofre e limalha de ferro.
Vítor Caetano
Tecnologia Mecânica
Princípios Básicos dos Materiais
Peneiração
• Este método é usado na separação de
sistemas sólido-sólido, onde um dos dois
componentes apresente granulometria que
permita que o mesmo fique preso nas malhas
de uma peneira
Ventilação
• Método de separação para sistemas sólido-
sólido, onde um dos componentes pode ser
arrastado por uma corrente de ar. Um bom
exemplo é a separação da casca e do caroço
do amendoim torrado
Sedimentação
• Consiste em deixar a mistura em repouso
até o sólido se depositar no fundo do
recipiente
Vítor Caetano
Tecnologia Mecânica
Princípios Básicos dos Materiais
Estados Físicos da Matéria ou Estados de Agregação da Matéria
condensação
evaporação
ebulição
Vítor Caetano
Tecnologia Mecânica
Princípios Básicos dos Materiais
Fase gasosa
• Nesta fase as partículas da substância estão
com maior energia cinética
• Elas ficam muito distantes umas das outras
• Movem-se com alta velocidade e colidem entre si
• Um gás qualquer colocado dentro de uma
garrafa de 1 litro adquire a forma da garrafa
• Podemos dizer que uma substância na fase
gasosa possui forma e volume variáveis
• Como tal, os gases são compressíveis, ao
contrário dos líquidos e sólidos não têm volume
fixo.
• Se aumentarmos a pressão podemos comprimi-
los, ou reduzir o seu volume.
Vítor Caetano
Tecnologia Mecânica
Princípios Básicos dos Materiais
Fase Líquida
• Na fase líquida as partículas estão um pouco mais unidas
em relação à fase gasosa
• Não há nenhum arranjo definido
• A energia cinética é intermediária entre a fase gasosa e a
fase sólida
• As partículas nos líquidos “deslizam” umas sobre as outras
movendo-se. Isto é o que proporciona a fluidez no líquido
• Todos os líquidos podem fluir, uns mais que os outros
dependendo da sua viscosidade
• Dizemos que a água tem baixa viscosidade e que o mel
tem alta viscosidade
• Os líquidos com baixa viscosidade oferecem menor
resistência para fluir
Vítor Caetano
Tecnologia Mecânica
Princípios Básicos dos Materiais
Fase Sólida
• Na fase sólida, as partículas que formam a substância possuem menor energia
cinética
• Estão unidas por forças de atração mais fortes
• Estão dispostas, em geral, de acordo com um arranjo geométrico definido
• Ao contrário da grande maioria dos materiais, o arranjo das moléculas de água, na
fase sólida, é responsável pelo aumento do volume. A água ao congelar expande-
se, formando gelo que é menos denso que a água na fase líquida
• Podemos dizer que os materiais na fase sólida mantêm a forma e o volume.
Vítor Caetano
Tecnologia Mecânica
Princípios Básicos dos Materiais
Alotropia
• Alotropia é a propriedade que alguns elementos químicos têm de formar uma ou
mais substâncias simples diferentes
• São alótropos: carbono, oxigênio, fósforo e enxofre
• O carbono possui dois alótropos: o diamante e a grafite. A sua principal diferença
está no arranjo cristalino dos átomos de carbono. Na grafite formam-se hexágonos.
Cada átomo de carbono está ligado a apenas três outros átomos de carbono, em
lâminas planas, fracamente atraídas umas pelas outras
•No diamante, cada átomo de carbono está
ligado a quatro outros átomos também de
carbono
Classificação dos Materiais
Vítor Caetano 43 IMP CON 018
Vítor Caetano
Classificação dos Materiais
Materiais
– Materiais Metálicos
– Materiais não Metálicos
Vítor Caetano 44 IMP CON 018
Vítor Caetano
Classificação dos Materiais
• Materiais Metálicos
o Metais Ferrosos
• Aços
• Ferros Fundidos
o Metais não Ferrosos
• Metais Puros
• Ligas Metálicas não Ferrosas (Latões, Bronzes, Ligas de Alumínio, …)
Vítor Caetano 45
IMP CON 018
Vítor Caetano
Classificação dos Materiais
• Materiais não Metálicos
o Polímeros
o Cerâmicos
o Compósitos
o Materiais Magnéticos e Supercondutores
o Materiais Eletrónicos, Fotónicos e Óticos
o Biomateriais
oMateriais Porosos e Celulares
Vítor Caetano 46 IMP CON 018
Vítor Caetano
Vítor Caetano
Tecnologia Mecânica
Princípios Básicos dos Materiais
Classificação Clássica dos
Materiais
• Metálicos
• Cerâmicos
• Polímeros
• Compósitos
Vítor Caetano
Tecnologia Mecânica
Princípios Básicos dos
Materiais
Metais
• Metais são materiais formados pela combinação de elementos químicos que
ocupam a posição central na Tabela Periódica. (eletropositividade = caráter
metálico = tendência para perder eletrões = opõe-se à eletronegatividade
• Esses elementos possuem como principal característica a sua ductilidade,
altas condutividades térmica e elétrica
• São mecanicamente resistentes, porém podem ser deformados.
• Em geral, possuem um aspeto brilhante e lustroso quando polidos
Vítor Caetano
Tecnologia Mecânica
Princípios Básicos dos
Materiais
Cerâmicos
• Cerâmicas são compostos com características entre os metais e
os elementos não-metálicos e incluem compostos químicos, tais
como: óxidos, nitretos e carbonetos
• Tipicamente isolantes elétricos e térmicos e resistentes a altas
temperaturas e ambientes quimicamente agressivos.
Vítor Caetano
Tecnologia Mecânica
Princípios Básicos dos Materiais
Polímeros
• Os polímeros vulgarmente conhecidos como plásticos, geralmente são compostos
orgânicos baseados principalmente em átomos de carbono e hidrogênio
• Possuem elevada massa molecular e usualmente possuem baixa densidade
• Apresentam baixa estabilidade química e estrutural em altas temperaturas
• Por causa dessas características, as suas principais aplicações são o fabrico de
produtos com baixo ciclo de vida (geralmente descartáveis)
Vítor Caetano
Tecnologia Mecânica
Princípios Básicos dos
Materiais
Compósitos
• Os compósitos consistem em dois ou mais tipos de materiais com diferentes
estruturas e propriedades
• A "fibra de vidro" é uma combinação de vidro e polímero
• O concreto e a madeira prensada são outros exemplos de materiais compósitos
familiares
• Diversos compósitos são combinações de fibras cerâmica inseridas em uma
matriz metálica ou polimerica