Professor: Rodrigo de Oliveira Pezzin

Tratamentos térmicos,
termoquímicos e de
superfície
Ligações químicas
Propriedades
Cristalinidade
 Conceitos fundamentais
As propriedades de um material dependem de:

• Composição química (tipo, tamanho, quantidade de átomos)

• Estrutura interna (ligação, orientação e interações dos átomos)

• Processamento (tipo, grau, velocidade e temperatura de conformação)

• Tratamento térmico (estruturas, fases, tensões internas)

 O átomo
Cada átomo consiste em um núcleo muito
pequeno composto por prótons e nêutrons, o
qual está envolto por elétrons em movimento.
Tanto os elétrons quanto os prótons possuem
cargas elétricas. Os elétrons são negativos (-) e
os prótons são positivos (+).
Cada elemento químico é caracterizado pelo
seu número de prótons, chamado de número
atômico (Z).
A massa atômica (A) do átomo é dada pela
soma das massas de prótons e nêutrons.
 O átomo

Os átomos podem ter até 7 camadas (níveis)

em sua eletrosfera de K até Q.
Cada um dos níveis tem um número máximo
de átomos que pode suportar.
 O átomo
Cada nível pode ter de 1 a 4 subníveis (s; p; d; f) e cada subnível admite um
número máximo de átomos.
 O átomo
Linus Carl Pauling (1901-1994), químico
americano, elaborou um dispositivo prático
que permite colocar todos os subníveis de
energia conhecidos em ordem crescente de
energia.
É o processo das diagonais, denominado
diagrama de Pauling, representado ao lado.
A ordem crescente de energia dos subníveis é
a ordem na sequência das diagonais.
→ 1s, 2s, 2p, 3s, 3p, 4s, 3d, 4p, 5s, 4d, 5p, 6s,
4f, 5d, 6p, 7s, 5f, 6d, 7p →
A tabela periódica
 Ligações químicas
Classificam-se em:
• Ligações intramoleculares ou ligações primárias:
➢ocorrem entre os átomos para formar “moléculas”;
➢responsáveis pelas propriedades químicas dos compostos;
➢são elas: iônica, covalente e metálica.
• Ligações (ou forças) intermoleculares ou ligações secundárias:
➢ocorrem entre as “moléculas”;
➢responsáveis pelas propriedades físicas dos compostos;
➢são elas: dipolo-dipolo, dipolo-induzido e ligação de hidrogênio.
Ligações químicas
Características dos
Estabilidade da
átomos
estrutura eletrônica dos
(tipo, tamanho,
átomos
eletronegatividade)

Forças de atração
interatômicas
(resistência)

Classificação das ligações químicas

Primárias (fortes) Iônicas
Covalentes
Metálicas
Secundárias (fracas) Van der Waals
 Ligações químicas
Regra do dueto
Descrição: O átomo adquire estabilidade ao completar a camada de valência
com dois elétrons, imitando o gás nobre hélio (He).
Configuração Geral: ns2.



Obs: Esta regra só é válida para os elementos representativos: H, Li, B e Be.

 Ligações químicas
Regra do octeto
Descrição: O átomo adquire estabilidade ao completar oito elétrons camada de
valência, imitando os gases nobres.
Configuração Geral: ns2; np6.

   

Na F [Na]+[ F ]- LIGAÇÃO
+ IÔNICA

LIGAÇÃO
F + F F F COVALENTE
 Eletronegatividade

É a tendência de um átomo atrair um par eletrônico e se tornar um íon

negativo.
 Eletronegatividade

Caráter iônico de ligações químicas simples (eletronegatividade de Pauling)

 Eletroneg 0 0,1 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2 1,4 1,6 1,7 1,8 2,0 2,2 2,4 2,6 2,8 3,0 3,2

% Iônico 0 0,5 1 4 9 15 22 30 39 47 51 55 63 70 76 82 86 89 92

Coval. Não Polar Covalente Polar Iônica

 Ligação iônica
Também chamada de eletrovalente ou heteropolar.
Cloro
Elétrons são transferidos de um átomo para outro
dando origem a íons de cargas contrárias que se Sódio
atraem.
Exemplo: formação do cloreto de sódio (NaCl).
Na (Z = 11) → 1s2, 2s2, 2p6, 3s1
Cl ( Z = 17) → 1s2, 2s2, 2p6, 3s2, 3p5

Na Cl Na+ Cl- [Na]+[ Cl]-

 Ligação iônica
A energia requerida para a formação de ligações iônicas é fornecida pela atração
coulômbica entre os íons de cargas opostas num retículo cristalino.
Estes íons formam-se pela transferência de elétrons dos átomos de um elemento para
os átomos de outros elementos.
Exemplos:
NaCℓ = cloreto de sódio AgCℓ = cloreto de prata
MgO = óxido de magnésio KBr = brometo de potássio
LiH = hidreto de lítio
MgCℓ2 = cloreto de magnésio
AℓF3 = fluoreto de lítio
Aℓ2S3 = sulfeto de alumínio
 Ligação iônica

METAIS + AMETAIS

bastante bastante
Geralmente ocorre entre metais e ametais eletropositivos eletronegativos
com grande diferença de eletronegatividade
(maior que 1,7).
tendem a tendem a
formar cátions formar ânions

EXCEÇÃO:
METAIS + H
 Ligação iônica

Caráter iônico de ligações químicas simples (eletronegatividade de Pauling)

 Eletroneg 0 0,1 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2 1,4 1,6 1,7 1,8 2,0 2,2 2,4 2,6 2,8 3,0 3,2

% Iônico 0 0,5 1 4 9 15 22 30 39 47 51 55 63 70 76 82 86 89 92

Coval. Não Polar Covalente Polar Iônica

 Ligação iônica
Generalizando:
• Metais:
➢Eletropositivos
➢Perdem elétrons Aℓ → Aℓ+3 + 3e-
➢Transformam-se em cátions (+)

• Ametais:
➢ Eletronegativos
➢ Ganham elétrons O + 2e- → O-2
➢ Transformam-se em ânions (-)
 Ligação iônica

x
O
Aℓ x
Aℓ+3 O-2 x
Determinação das fórmulas iônicas O
Fórmula geral de um composto iônico: x
Aℓ2O3 Aℓ x
𝑨𝒙+ + 𝑩𝒚− → 𝑨𝒚 𝑩𝒙 x
O
Fórmula-íon
Fórmula de Lewis
ou Eletrônica
 Características da ligação iônica

• São sólidos à temperatura ambiente;

• São duros e quebradiços.
 Características da ligação iônica
• Conduzem corrente elétrica quando fundidos ou em solução;
• Possuem alto ponto de fusão.
Características da ligação iônica
 Ligação covalente
Ocorre através do compartilhamento de um par de
elétrons entre átomos que possuem pequena ou
nenhuma diferença de eletronegatividade.
• Não há a formação de íons;
• Ligação covalente:
➢Polar: os átomos são diferentes
➢Apolar: os átomos são idênticos
 Ligação covalente

Ocorre geralmente entre ametais ou entre

hidrogênio e ametais.
Desde que a diferença de eletronegatividade seja
menor que 1,7
 Ligação covalente

Caráter iônico de ligações químicas simples (eletronegatividade de Pauling)

 Eletroneg 0 0,1 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2 1,4 1,6 1,7 1,8 2,0 2,2 2,4 2,6 2,8 3,0 3,2

% Iônico 0 0,5 1 4 9 15 22 30 39 47 51 55 63 70 76 82 86 89 92

Coval. Não Polar Covalente Polar Iônica

 Ligação covalente
O par eletrônico compartilhado é formado por um elétron de cada átomo
ligante.
Exemplo: formação do cloro Cl2.
Cl ( Z = 17) → 1s2, 2s2, 2p6, 3s2, 3p5.
Outros exemplos: F2, Br2 e I2.

Cℓ Cℓ Cℓ Cℓ Cℓ2 ou Cℓ - Cℓ
Fórmula de Lewis Molecular ou Estrutural
 Características da ligação covalente
• Podem apresentar ligações fracas até ligações muito fortes (diamante);
• Podem se apresentar nos três estados físicos;
• Quando sólidos, podem ter desde pontos de fusão bem baixos (parafina,
50°C), até pontos de fusão altíssimos (diamante, não se conhece)
 Características da ligação covalente
• Não conduzem corrente elétrica (com exceção para ácidos em solução aquosa
e carbono grafite).
 Ligação metálica
Metais têm até três elétrons de valência.
Elétrons de valência formam uma nuvem eletrônica
móvel em torno dos núcleos, ligando-os.
É o que gera a grande plasticidade e as altas
condutividades elétrica e térmica dos metais.
A ligação metálica é encontrada para os elementos
do Grupo IA e IIA na tabela periódica e para todos os
metais elementares.
Ocorre em metais e ligas. Geralmente com átomos
iguais.
 Características gerais
As propriedades dos metais são devidas ao seu tipo
de ligação (metálica) que é bem diferente das
ligações iônica e covalente.
Graças aos elétrons livres, os metais possuem sua
grande maleabilidade, brilho característico e boas
condutividades térmica e elétrica.
 Estrutura cristalina
Algumas das propriedades dos sólidos dependem da estrutura cristalina do
material, ou seja, a maneira como seus átomos, íons ou moléculas se arranjam
no espaço.
A grande maioria dos materiais comumente utilizados em engenharia,
particularmente os metálicos, exibe um arranjo geométrico de seus átomos bem
definido, constituindo uma estrutura cristalina.
Um material cristalino, independente do tipo de ligação encontrada, apresenta
um agrupamento ordenado de seus átomos, íons ou moléculas, que se repete
nas três dimensões.
 Estrutura cristalina
Para um material cristalino, quando o arranjo periódico e repetido de átomos for
perfeito ou se estende através de toda a amostra sem interrupção, o resultado é
um monocristal. Todas as células unitárias encadeiam-se da mesma maneira e
têm a mesma orientação. Monocristais existem na natureza, mas eles podem
ser também produzidos artificialmente. Eles são ordinariamente de difícil
crescimento, porque o ambiente deve ser cuidadosamente controlado. Se as
extremidades de um monocristal forem permitidas crescer sem nenhum
constrangimento externo, o cristal assumirá a forma geométrica tendo faces
planas. A forma é indicativa da estrutura cristalina. Há poucos anos,
monocristais cerâmicos têm se tornado extremamente importantes em muitas
das nossas modernas tecnologias, em particular microcircuitos eletrônicos.
Estrutura cristalina
 Estrutura cristalina
Virtualmente, todos os sólidos cristalinos são compostos de muitos pequenos
cristais ou grãos; tais materiais são denominados policristalinos. Inicialmente,
pequenos cristais ou núcleos formam em várias posições. Estes têm orientações
cristalográficas randômicas. Os pequenos grãos crescem por sucessiva adição a
partir do líquido circunvizinho de átomos para a estrutura de cada grão. As
extremidades dos grãos adjacentes impingem uns aos outros à medida em que
o processo de solidificação se aproxima do término. A orientação cristalográfica
varia de grão para grão. Também, existe algum desarranjo (desajuste) atômico
dentro da região onde 2 grãos se encontram. Esta área é denominada de
contorno de grão.
Estrutura cristalina
 Anisotropia
As propriedades físicas de monocristais de algumas substâncias dependem da
direção cristalográfica na qual as medições sejam feitas. Por exemplo, o módulo
elástico, a condutividade elétrica, e o índice de refração podem ter valores
diferentes em diferentes direções. Esta direcionalidade das propriedades é
denominada anisotropia e está associada com a variância do espaçamento
atômico ou iônico com a direção cristalográfica. Substâncias nas quais as
propriedades medidas são independentes da direção de medição são
isotrópicas. A extensão e magnitude dos efeitos anisotrópicos em materiais
cristalinos são funções da simetria da estrutura cristalina. O grau de anisotropia
aumenta com o decréscimo da simetria estrutural - estruturas triclínicas
normalmente são altamente anisotrópicas.
 Anisotropia

Dessa forma, materiais monocristalinos tendem a ser anisotópicos, pois cada

direção cristalográfica apresentará uma densidade atômica diferente.
Já, materiais policristalinos tendem a ser isotópicos, pois seus grão são
orientados aleatoriamente e a anisotropia de cada grão é compensada por
algum outro.
Anisotropia
 Célula unitária

A célula unitária é definida como

a menor porção do cristal que
ainda conserva as propriedades
originais do mesmo. Existem ao
todo 14 tipos de células reunidas
em 7 sistemas diferentes
(sistemas Bravais).
 Estrutura cristalina dos metais
Devido à natureza da ligação metálica, as restrições em relação à quantidade de
átomos vizinhos mais próximos são mínimas.
Isso leva a um número relativamente alto de vizinhos próximos e a arranjos
atômicos compactos para a maioria das estruturas cristalinas nos metais.
As estruturas cristalinas hexagonais, juntamente com as estruturas cúbicas,
formam os arranjos atômicos dos principais elementos principalmente os
elementos metálicos.
Desses cristais, mais da metade apresenta estrutura cúbica, um terço exibe
estrutura hexagonal e os cristais restantes estão distribuídos entre os outros
tipos estruturais.
 Estrutura cristalina dos metais
Estrutura cristalina cúbica de corpo centrado (CCC)
No arranjo cúbico de corpo centrado existe um átomo em cada vértice de um
cubo e um outro átomo no centro do cubo. Esta estrutura pode ser encontrada
no cromo, vanádio, zircônio, tungstênio, tântalo, bário, nióbio, lítio, potássio,
etc.
 Estrutura cristalina dos metais
Estrutura cristalina cúbica de face centrada (CFC)
No arranjo cúbico de face centrada existe um átomo em cada vértice de um
cubo e mais um átomo em cada face do cubo. A estrutura cúbica de face
centrada é a estrutura do alumínio, cálcio, chumbo, níquel, cobre, platina, prata,
ouro, etc.
 Estrutura cristalina dos metais
Estrutura cristalina hexagonal compacta (HC)
A estrutura hexagonal compacta é formada por dois hexágonos sobrepostos e,
entre eles, existe um plano intermediário de três átomos. Nos hexágonos
existem seis átomos nos vértices e um outro no centro. A estrutura HC pode ser
observada no berílio, berquélio, lítio, magnésio, cádmio, cobalto, titânio, etc.
 Estrutura cristalina dos metais
Estrutura tetragonal de corpo centrado (TCC)
Na estrutura cristalina tetragonal de corpo centrado, a célula unitária possui
formato tetraédrico (prisma reto de base quadrada), onde os átomos estão
localizados nos vértices deste tetraedro e um átomo localizado no centro do
tetraedro. A estrutura TCC ocorre com menor frequência, mas pode ser
encontrada no estanho e na martensita.
 Alotropia ou polimorfismo
Diversos elementos, bem como compostos químicos apresentam mais de uma
forma cristalina, dependendo de condições como pressão e temperatura
envolvidas. Este fenômeno é denominado de alotropia ou polimorfismo.
Um outro exemplo clássico de polimorfismo é a variação alotrópica do carbono.
Este elemento é encontrado como diamante (a), que é o material mais duro na
natureza e como grafite (b), um material de baixíssima dureza, que pode ser
usado como lubrificante.
 Alotropia ou polimorfismo
Metais de grande importância industrial como o ferro, o titânio e o cobalto
apresentam transformações alotrópicas em temperaturas elevadas. A variação
alotrópica encontrada em cristais de ferro pode ser considerada como um
clássico exemplo de polimorfismo. Esta variação alotrópica é muito importante
em processos metalúrgicos, pois permite a mudança de certas propriedades do
aço através de tratamentos térmicos.
 Alotropia ou polimorfismo
Peste do estanho
Transformação do Sn β (branco) em Sn α (cinza), com ↑ 21% volume. Em baixas
temperaturas o Sn puro torna-se pulverulento e frágil. O processo é lento, mas atinge um
máximo a – 40°C.
Na proteção anticorrosiva do aço, a camada passivadora de Sn perde seu efeito. Por isso latas
de conservas não devem ser guardadas em geladeiras.
Obs.: A transformação necessita de uma grande energia de ativação → Sn β (branco) pode se
manter estável por anos a -30°C.
Polimorfismo do Sn
T (°C) Estrutura δ (g/cm3)
<13 Sn α (CFC tipo diamante) 5,7
13 - 161 Sn β (tetragonal de corpo centrado) 7,3
>161 Sn γ 6,8
 Alotropia ou polimorfismo
Peste do estanho

Polimorfismo do Sn
T (°C) Estrutura δ (g/cm3)
<13 Sn α (CFC tipo diamante) 5,7
13 - 161 Sn β (tetragonal de corpo centrado) 7,3
>161 Sn γ 6,8
 Alotropia ou polimorfismo
Peste do estanho
 Exercícios
1. Uma átomo é formado por quais partículas? Como elas estão organizadas?
2. De quais fatores dependem as propriedades de um material?
3. Quais são os níveis e subníveis eletrônicos que podem existir em um átomo?
Quantos elétrons são possíveis de ocupar cada um?
4. Em qual nível e subnível está o elétron mais energético do ferro?
5. Como se classificam os tipos de ligações?
6. O que é eletronegatividade?
7. Explique a ligação iônica.
8. Quais as características de compostos iônicos?
 Exercícios
9. Explique a ligação covalente.
10. Quais as características de compostos covalentes?
11. Explique a ligação metálica.
12. Quais as características de materiais metálicos?
13. Explique a diferença entre materiais monocristalinos e policristalinos.
14. Por que materiais monocristalinos são anisotrópicos e materiais
policristalinos são isotrópicos?
15. Dentre os 14 sistemas de Bravais, quais são os três mais comuns nos metais?
16. Quais as formas alotrópicas que o cobalto (Co) pode se apresentar? Qual a
temperatura de transformação?