As propriedades mecânicas, elétricas, magnéticas e ópticas dos materiais dependem da sua composição química. Para selecionar o melhor material para uma aplicação precisamos saber que propriedades esperar de uma determinada combinações de átomos. O desenvolvimento da civilização depende do desenvolvimento de novos materiais. Novos materiais e as novas tecnologias: O uso do concreto levou a avanços na arquitetura e nas construções; O aço levou à revolução industrial; Os polímeros transformaram a vida diária; Os semicondutores modificaram profundamente as comunicações. Burj Khalifa, Dubai 828 m, 160 andares Os metais tem sido usados como materiais por mais de 10 mil anos; São comumente usados como ligas (mistura de metais que podem conter traços de não metais): Ligas ferrosas: o ferro é o principal constituinte; Ligas não ferrosas: baseiam-se em outros metais. Aço (liga ferrosa) Latão (liga não ferrosa: Cu e Zn) Ligas ferrosas: são produzidos em maiores quantidades. Vantagens: Facilmente produzidas Os compostos contendo ferro são abundantes na crosta terrestres; As ligas de ferro são extremamente versáteis (ampla variedade de propriedades físicas e mecânicas); Desvantagem: Susceptibilidade à corrosão; Baixa condutividade elétrica; Massa especifica elevada. A maioria dos metais são encontrados em minerais e os minérios mais importantes são óxidos, sulfetos e carbonatos. Brilho dos metais Ligações Metálicas Conduzem corrente elétrica; Brilho característico (mobilidade); Maleabilidade; Ductibilidade. Ligas metálicas As propriedades das ligas dependem de sua composição, de sua estrutura cristalina, e do tamanho e textura dos grãos que as formam. As ligas metálicas são formadas quando são adicionados intencionalmente átomos de impurezas para conferir características específicas ao material. Aumentar a resistência mecânica; Aumentar a resistência a corrosão. Em compensação na formação da ligas os metais perdem condutividade elétrica. Ligas metálicas Liga Composição em percentagem de massa Latão Até 40 de zinco em cobre Bronze Um outro metal que não zinco ou níquel em cobre. (10% de Sn e 5% de Pb) Cupro-níquel Níquel em cobre (25% de níquel) Solda Estanho e chumbo; Bismuto e estanho Aço Ferro e Carbono além de manganês, silício, enxofre, vanádio e fósforo. Como se formam as ligas metálicas? Uma lacuna é um sítio vago na rede cristalina (falta um átomo), todos os sólidos cristalinos contêm lacunas. Um autointersticial é um átomo que se encontra comprimido em um sítio intersticial. Como se formam as ligas metálicas Liga substitucional: os átomos de soluto repõem ou substituem os átomos do solvente. Liga intersticial: os átomos de soluto preenchem os espaços vazios entre os átomos de solvente. Ligas não ferrosas Latão (Zinco e cobre): A adição de cobre ao zinco diminui a condutividade elétrica e térmica do zinco, mas também aumenta a dureza e a resistência à corrosão. Liga substitucional; Bronze (ligas de cobre e vários outros metais incluindo estanho, alumínio, silício e níquel): O bronze é mais resistente à corrosão do que o cobre e o estanho isolados. 1. Curva de equilíbrio s-l inclinado para a direita ( da pressão provoca um da temperatura de fusão). 2. O ponto triplo tem pressão acima de 1,0 atm (Não existe fase líquida sob pressões atmosféricas em nenhuma temperatura). 3. O CO 2 (s) sublima quando exposto a 1,0 atm. DIAGRAMA DE FASES TÍPICOS – DIÓXIDO DE CARBONO 1. As fases sólidas e vapor nunca estão em equilíbrio [He(s) pode ser obtido apenas por pressão externa]. 2. A baixas temperaturas existe dois isótopos: ³He e 4 He (possui duas fases líquidas: He-I e He-II). 3. Linha é uma curva de equilíbrio líquido-líquido. 4. Fases sólidas: acc e ach. DIAGRAMA DE FASES TÍPICOS – HÉLIO DIAGRAMA DE FASES TÍPICOS – ÁGUA 1. A inclinação das linhas s-l mostra que mesmo grandes mudanças de pressão resultam em variações muito pequenas do ponto de fusão. 2. Uma inclinação negativa mostra que o líquido é mais denso que o sólido. DIAGRAMA DE FASES TÍPICOS – ÁGUA DIAGRAMA DE FASES TÍPICOS – ENXOFRE 1. O enxofre possui duas formas sólidas: rômbico e monoclínico. 2. Existe três pontos triplos, e que podem coexistir as várias combinações dessas fases. Com o auxílio do diagrama de fase da figura abaixo descreva o que acontece quando uma amostra de dióxido de carbono, inicialmente a 1,0 atm e 298 K, sofre o seguinte ciclo: (a) aquecimento isobárico até 320 K, (b) compressão isotérmica até 100 atm. (c) resfriamento isobárico até 210 K, (d) descompressão isotérmica até 1,0 atm e (e) aquecimento isobárico até 298 K. A Metalurgia é a ciência e a tecnologia de extração de metais dos minerais. Existem cinco etapas importantes: Mineração (remoção do minério do solo); Concentração (preparação para tratamento futuro); Redução (obtenção do metal livre no estado de oxidação zero); Refino (obtenção do metal puro) e Mistura com outros metais (para formar uma liga). A eletrometalurgia é o processo de obtenção de metais através de eletrólise. O Al 2 O 3 funde à 2045C e não é prático fazer eletrólise no sal fundido. Usa-se o Al 2 O 3 purificado em criolita fundida (Na 3 AlF 6 , ponto de fusão 1012C). Anodo: C(s) + 2O 2 2- (l) CO 2 (g) + 4e - Catodo: 3e - + Al 3+ (l) Al(l) Os bastões de grafite são consumidos na reação. • Para a produção de 1.000 kg de Al, precisamos de 4.000 kg de bauxita, 70 kg de criolita, 450 kg de anodos de C e 56 10 9 J de energia. • A reciclagem de uma lata de alumínio pode poupar eletricidade suficiente para acender uma lâmpada de 100 watts por quatro horas. 1. Qual complicação surge no refino eletrolítico do alumínio por causa da produção de oxigênio? 2. Como as ligas metálicas diferem dos metais puros que as formam? 3. Quando superfícies de ferro são expostas a amônia em temperatura elevada, “nitrificação”, a incorporação de nitrogênio à rede do ferro ocorre. O raio atômico do ferro é 124 pm e do nitrogênio é 74 pm. A liga é substitucional ou intersticial? 4. Cite três razões por que as ligas ferrosas são tão largamente usadas. 5. Cite três características das ligas ferrosas que limitam sua utilização. 6. De que maneira os condutores, os isolantes e os semicondutores se diferem de acordo com a teoria de bandas? 7. Qual propriedade do diamante leva à maioria das aplicações de engenharia? 8. Existe um novo material às vezes chamado de metal com memória. Use a internet para obter informações sobre o metal com memória. O que é esse material? Por que a palavra memória aparece em seu nome? 01 - A figura mostra o diagrama de fases do elemento enxofre. (a) Quantos alótropos são mostrados? (b) Qual é o alótropo do enxofre estável nas condições normais de temperatura e pressão? (c) descreva as mudanças no enxofre, à medida que a temperatura aumenta, a partir de 25 ºC, à pressão de 1 atm. 02 - O diagrama de fases do hélio é mostrado abaixo. (a) qual é a temperatura máxima na qual o hélio-II superfluido pode existir? (b) Qual é a pressão mínima na qual o hélio sólido pode existir? (c) qual é o ponto de ebulição normal do hélio-I? (d) o hélio sólido pode sofrer sublimação? Use o diagrama de fases do hélio para (e) descrever as fases em equilíbrio em cada um dos dois pontos triplos do hélio e (f) decida qual fase liquido é mais densa, hélio-I ou hélio-II. 03 - Use o diagrama de fases da substância abaixo para responder as questões: (a) O composto é um sólido, um líquido ou um gás na temperatura normal? (b) Qual é o ponto de ebulição normal do composto? Qual é a pressão de vapor do composto em -50 ºC? Qual é a pressão de vapor do composto sólido em -100 ºC? 04 - Use o diagrama de fases do carbono para responder às questões. (a) Em 2.000 K, qual é a pressão mínima necessária para que a grafita se transforme em diamante? (b) Qual é a temperatura mínima na qual o carbono líquido pode existir a pressões abaixo de 10.000 atm (c) Em que pressão a grafita se funde em 4.000 K? (d) Os diamantes são estáveis nas condições normais? Se não, por que as pessoas podem usá-los sem ter que comprimi-los ou aquecê-los? 05 - Use o diagrama de fases do carbono para (a) descrever as transições de fases que o carbono experimentaria se fosse comprimido, em temperatura constante de 2.000 K, de 1 GPa atm até 15 GPa; (b) descrever as fases em equilíbrio no ponto triplo; (c) classificar o diamante, a grafite e a fase liquida do carbono na ordem crescente de densidade. 06 - Use o diagrama de fases do enxofre para descrever: (a) as fases em equilíbrio em cada um dos pontos triplos e (b) justificar se o enxofre pode ou não sofrer sublimação.