ligacoes

Introdução e ligações químicas

Marcelo F. Moreira

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ETM 201 Notas de aula

Marcelo F. Moreira

Materiais de Construção Mecânica


Marcelo F. Moreira

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Caros alunos,

O presente curso tem como objetivo apresentar os fundamentos básicos de

ciência dos materiais e de engenharia metalúrgica aos alunos de engenharia

mecânica e engenharia de produção mecânica. Os cursos de ciência dos materiais da

Escola de Engenharia Mauá são divididos em dois módulos:

1. materiais metálicos e

2. materiais poliméricos e cerâmicos

As presentes notas de aula abordam os temas relacionados aos materiais

metálicos comumente empregados na engenharia mecânica. É relevante destacar que

o objetivo destas notas de aula é o de orientar o aluno no acompanhamento do livro

texto e das referências complementares do curso.

A seqüência dos temas propostos pode variar de disciplina para disciplina,

assim, recomenda-se ao aluno acompanhar o plano de curso de sua disciplina

Cada tema está, na medida do possível, referenciado, indicando ao aluno um

livro texto ou um artigo no qual o assunto é abordado com maior profundidade.

Adicionalmente, foram propostas listas com exercícios sobre cada tópico.

Sempre buscando o contínuo aperfeiçoamento do curso e do material didático,

agradeço as sugestões e as correções que possam surgir durante nossas aulas.

Prof. Marcelo Ferreira Moreira

Escola de Engenharia Mauá

Instituto de Pesquisas Tecnológicas do Estado de São Paulo – IPT

REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS PARA O CURSO

LIVRO TEXTO:

Callister, W. D. MATERIALS SCIENCE AND ENGINEERING An Introduction John

Wiley & Sons INC. 2000

REFERÊNCIAS COMPLEMENTARES:

Shackelford, J. F. INTRODUCTION TO MATERIALS SCIENCE FOR ENGINEERS

Prentice Hall 1992

Padilha, A. F. MATERIAIS DE ENGENHARIA – Microestrutura e Propriedades Ed.

HEMUS 1997

Higgins, R. A. PROPRIEDADES E ESTRUTURAS DOS MATERIAIS EM

ENGENHARIA Difel 1977

Dieter, G. E. METALURGIA MECÂNICA 2a edição Editora Guanabara Dois 1976

Campos Filho, M. P. A ESTRUTURA DOS MATERIAIS 2a edição Editora da

UNICAMP 1991


Marcelo F. Moreira

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Souza, S.A. ENSAIOS MECÂNICOS DE MATERIAIS METÁLICOS Editora Edgard

Blücher Ltda 1982

Chiaverini,V. TECNOLOGIA MECÂNICA V.1 Processos de fabricação 1a edição

McGraw Hill 1977

Metals Handbook Volume 2 PROPERTIES AND SELECTION: NONFERROUS

ALLOYS AND SPECIAL PROPOSE ALLOYS 8th edition A.S.M. 1979

Theining, K. E. STEEL AND ITS HEAT TREATEMENT 2nd edition Butterworths

1975

Souza Santos, A B; Castello Branco, Carlos Haydt METALURGIA DOS FERROS

FUNDIDOS CINZENTOS E NODULARES IPT São Paulo 1989

Cetlin, P.R. ; Silva P. S. P. da ANÁLISE DE FRATURAS A B M 1985

Metals Handbook Volume 15 CASTING 9th edition A.S.M. 1988

Zepbour Panossian Manual: CORROSÃO E PROTEÇÃO CONTRA CORROSÃO EM

EQUIPAMENTOS E ESTRUTURAS METÁLICAS Volumes I e II - IPT 1993

Metals Handbook Volume 9 METALOGRAPHY AND MICROSTRUCTURES 9th

edition A.S.M. 1988

ASM Specialty Handbook – Aluminum and aluminum alloys ASM International

1993 INTRODUÇÃO

IMPORTÂNCIA E APLICAÇÕES DOS MATERIAIS NA ENGENHARIA:

Os materiais estão profundamente embutidos em nossa civilização.

Alimentação, habitação, transportes, vestuário, comunicações, recreação, saúde e

segurança, ou seja, todos os segmentos de nossa vida cotidiana são dependentes

dos materiais.

O desenvolvimento e avanços da nossa civilização sempre foram avaliados pela

capacidade de seus membros de produzirem e manipularem os diversos materiais da

natureza. De fato, as civilizações antigas são designadas pelo tipo de material que

estas dominavam:

• Idade da pedra (~7000 AC)

• Idade do cobre

• Idade do bronze (~3500 AC)

• Idade do ferro (~1200 AC)

Os homens primitivos tinham acesso apenas aos materiais da natureza como

pedras, madeira, ossos e peles. Com o passar do tempo foram inventadas técnicas de

processamento de outros materiais, obtendo-se propriedades muito superiores à dos

materiais disponíveis na natureza.

Somente na idade do ferro, descobriu-se que as propriedades do aço poderiam

ser alteradas por meio de tratamentos térmicos e adição de outras substâncias. Neste

ponto, o emprego dos materiais já passava por um processo de seleção, no qual, não

mais se empregavam um pequeno grupo de materiais, mas sim, de materiais com

características mais adequadas para uma dada aplicação. Um exemplo disto são as

técnicas de fabricação de espadas.


Marcelo F. Moreira

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Somente com a 2ª Guerra Mundial, os cientistas passaram compreender as

relações entre a estrutura microscópica e as propriedades mecânicas para uma dada

composição química.

A partir daí, e ainda com o advento do microscópio eletrônico em 1960, foram

criados dezenas de milhares de materiais com características "projetadas" para

satisfazer a necessidade da sociedade. Surge neste período a Engenharia de

Materiais.

Composição química

Propriedadesfísicas e mecânicas

Macro e microestrutura

O exemplo clássico desta época foi o inserto de metal duro ou “WI-DIA”

(partículas de WC, extremamente duras, sob uma matriz de cobalto tenaz). Outros

exemplos incluem1:

cerâmicas avançadas (alumina translúcida para lâmpadas de vapor de Na);

materiais biocompatíveis (implantes ortopédicos e odontológicos);

superligas a base de Ni (palhetas de turbinas a gás);

polímeros de alta resistência (Kevlar);

materiais compósitos (compósitos á base de fibras de vidro e fibras de

carbono);

imãs de alto poder magnético (Nd-Fe-B);

ligas com memória de forma (nitinol) e

isolantes térmicos cerâmicos à base de fibras de SiO2 (Revestimento do

ônibus espacial americano).

Cada vez mais o desenvolvimento sustentável dos países em desenvolvimento

dependem do domínio de novos materiais e de novas técnicas de fabricação de

materiais. Alguns índices de desenvolvimento têm como base o consumo per capita

de materiais tradicionais ou de materiais avançados. Por exemplo, o consumo per

capita de alumínio no EUA é de aproximadamente 9 kg/ano enquanto que no Brasil é

de apenas 2 kg/ano.

A seguir, são apresentados alguns exemplos de materiais e componentes cujo

desenvolvimento ocorreu por meio da engenharia de materiais.

1 Scientific American 1986 v. 255 n° 4


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Exemplo 1

ALUMINA TRANSLÚCIDA PARA LÂMPADAS DE VAPOR DE Na

Lâmpada convencional (filamento de W): produz 15 lumen/W, apresenta

microestrutura com granulação grosseira e heterogênea e porosidade > 3%.

Lâmpada de vapor de Na: produz 100 lumen/W, apresenta microestrutura com

granulação refinada e homogênea e porosidade < 0,3%.

INSERTOS PARA USINAGEM

Outra aplicação da alumina, decorrente dos estudos de ciência dos materiais, é

o seu emprego na fabricação de insertos para usinagem de metais. A alumina (Al2O3)

apresenta dureza elevada (por volta de 2000 HK, 9 na escala de Mohs) e elevada

resistência ao calor (temperatura de fusão é de 2050ºC). Entretanto, peças maciças

de alumina são extremamente frágeis. Os insertos para usinagem apresentam uma

microestrutura composta por partículas de alumina aglomeradas com um ligante

capaz de compatibilizar a elevada dureza e resistência ao calor das partículas de

alumina com elevada resistência ao impacto.


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Exemplo 2

SUPERLIGAS Á BASE DE NÍQUEL (Palhetas de turbinas á gás)

• O termo superliga, do inglês "superalloy", decorre do emprego de uma liga

empregada em implantes ortopédicos (Vitallium) ter sido empregada para a

fabricação de palhetas dos primeiros motores a jato na década de 40 (Haynes 21).

Naquela época o prefixo "super" era muito difundido pelas aventuras do herói

fictício Superman. Assim, tal liga, empregada como material biocompatível e

também como material resistente ao calor, foi chamada como uma superliga.

Recentemente o termo superliga é empregado para materiais resistentes ao calor.

As superligas à base de Ni apresentam elevada resistência mecânica, resistência

ao calor e elevada resistência à corrosão. São empregadas na fabricação de

componentes de turbinas á gás que operam em temperaturas entre 700 e 1300°C.

Microestrutura típica de uma superliga à base de Ni monocristalina (CMSX 7)


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Exemplo 3

LIGAS BIOCOMPATÍVEIS

As ligas biocompatíveis são ligas à base de Ti, Fe, Ni ou Co empregadas em

implantes ortopédicos e odontológicos. Sua principal característica é a ausência de

reação com os fluidos corpóreos.

Prótese para fêmur: fabricada em liga de Ti com esfera em cerâmica (alumina) e

acetábulo em polietileno de alta densidade.

As ligas á base de Fe foram as primeiras a serem utilizadas em implantes

ortopédicos. Entre elas, destaca-se o emprego dos aços inoxidáveis austeníticos

refinados à vácuo. Este refino tem como objetivo a redução de inclusões não

metálicas presentes no processo de produção convencional.

As ligas á base de Co apresentam propriedades biocompatíveis superiores ás

ligas á base de Fe. Destaca-se o uso da liga ASTM F75, também conhecida como

Vitallium e sua variante mais famosa a liga Haynes 21 (Co-25%Cr-5%Mo).

Mais recentemente, grande parte das próteses ortopédicas é fabricada com

ligas à base de Ti. Isto decorre do fato destas ligas apresentarem elevada resistência

mecânica (em torno de 120 kgf/mm2) e menor densidade. As ligas mais utilizadas são

variantes da liga Ti-6%Al-4%V, refinadas sob vácuo.


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Exemplo 4

SUPERÍMÃS

Os superimãs de Nd-Fe-B são imãs permanentes capazes de desenvolver campos

magnéticos de alta intensidade. São largamente empregados em projetos de

miniaturização de motores elétricos.

Exemplo 5

LIGAS COM MEMÓRIA DE FORMA

As ligas com memória de forma são capazes de voltar a forma original, após terem

sofrido uma deformação, mediante um aquecimento de apenas 30ºC. A liga mais

conhecida por este efeito é a Nitinol (50% Ni e 50% Ti). Outra característica

importante desta liga é a sua capacidade de amortecer vibrações mecânicas. Na

década de 60, variantes da liga Nitinol foram empregadas no desenvolvimento de

hélices de submarinos chamadas de "silent propellers".


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Quando passamos a pensar nas características dos materiais de engenharia, a

primeira questão que vem a tona é:

As propriedades de um material seriam proporcionais à força das ligações entre seus átomos ?

A resposta para esta questão requer uma breve revisão sobre os conceitos de

átomos e de ligações atômicas.

MODELOS ATÔMICOS

Modelo do átomo segundo Bohr

Comparação entre os modelos de Bohr e modelo quântico


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CONCEPÇÃO MODERNA DO ÁTOMO E SUAS SUB-PARTÍCULAS


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Observação de átomos em microscópios de tunelamento (STM)

Em um STM, uma ponta extremamente fina varre uma superfície de alguns

nanômetros ponto-a-ponto e linha por linha. Em cada ponto, uma corrente entre a

ponta e a superfície é medida, esta corrente diminui exponencialmente com o

aumento da distância.

Por meio de um computador, a posição vertical da ponta pode ser ajustada

para uma distância constante. Os ajustes realizados são arquivados e definem uma

matriz de valores que pode ser apresentada com uma figura em tons de cinza. Os

valores da matriz são empregados para deformá-la para uma figura com três

dimensões. As figuras são coloridas de acordo com a altura ou a curvatura.

Apresentam-se a seguir exemplos de superfícies de átomos observados por

meio da microscópia de varredura (STM – Scanning Tunneling Micrscopy):

Átomos de níquel (Ni)

Plano (110) do reticulado CFC

Nota-se a regularidade do arranjo, típica

dos materiais cristalinos.

Don Eigler

(www.almaden.ibm.com/vis/stm)

Defeitos pontuais no cobre (Cu)

Plano (111) do reticulado CFC

Nota-se a deformação circular

provocada pela presença dos defeitos.

Eigler



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MANIPULAÇÃO DE ÁTOMOS NO MICROSCÓPIO DE TUNELAMENTO.


1990

1993

Vista geral de planos no cobre (Cu)

Planos (111) do reticulado CFC

Nota-se a presença de defeitos pontuais.

Eigler


Átomo de xenônio (Xe) sobre a

superfície de níquel (Ni)

Plano (110) de Ni

Eigler



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As ligações químicas podem ser classificadas em ligações fortes e ligações

fracas, sendo que a energia das ligações fortes é cerca de 100 vezes superior à das

ligações fracas.

LIGAÇÕES FORTES

LIGAÇÃO IÔNICA

• Exemplo de ligação puramente iônica: NaCl

• O sódio (Na) transfere um elétron para o cloro (Cl) formando íons Na+ e Cl- com

estruturas eletrônicas estáveis

• Atração eletrostática entre cátions e ânions

• A ligação NÃO apresenta direcionalidade, isto é, a energia de ligação é igual em

todas as direção do cristal

• Relação entre os raios iônicos determina a forma do cristal

• As energias de ligação, entre 3 e 8 eV, são relativamente altas e assim estes

materiais apresentam temperaturas de fusão elevadas.

• Materiais em que a ligação iônica é predominante: CERÂMICAS


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LIGAÇÃO COVALENTE

• Átomos adjacentes compartilham orbital eletrônico de modo a apresentarem

estruturas eletrônicas estáveis. Este compartilhamento é muito comum na maioria

das moléculas orgânicas. (CH4)

• São fortemente direcionais, em outras palavras, resulta em um determinado ângulo

de ligação, como ilustra a formação de água da figura abaixo. Em uma ligação

covalente ideal, os pares de elétrons são igualmente compartilhados. Na ligação da

H2O, ocorre uma transferência de carga parcial fazendo com que o H fique

levemente positivo e o O levemente negativo. Este compartilhamento desigual

resulta em uma ligação polar. As ligações entre átomos diferentes têm sempre

algum grau de polaridade. Ligações nas quais os dois lados da molécula são

idênticos (H2, N2 ) são apolares.

• Alguns compostos cerâmicos como o BN e o SIC apresentam caráter covalente

predominante. Outro material que tem ligação covalente predominante é o

diamante.


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LIGAÇÃO METÁLICA

• Os metais apresentam 1, 2, e no máximo, 3 elétrons de valência. Estes elétrons

não estão ligados a nenhum átomo em particular.

• Conceito da nuvem eletrônica (Em um dado instante, a última camada está

completa)

• As energias de ligação estão entre 0,7 e 8,8 eV/átomo

• A ligação NÃO apresenta direcionalidade e como conseqüência dos elétrons

“livres”, os metais apresentam boa condutibilidade térmica e elétrica.

• A ligação metálica possui uma ampla faixa de energias de ligação que vão desde o

mercúrio (Hg), com 68 kJ/mol e ponto de fusão de -39°C, até o tungstênio (W)com

849 kJ/mol e ponto de fusão de 3410°C.


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LIGAÇÕES FRACAS (secundárias ou ligações de van der Waals)

• A denominação de ligação de van der Waals é utilizada como designação geral

para todos os tipos de ligações secundárias (fracas). A principal causa para a

ocorrência de ligações fracas é a polarização da molécula. Os dipolos são

classificados em permanentes (moléculas de H2O) ou induzidos (átomos de Ar).

• Os polímeros em geral, e os plásticos e borrachas em particular, têm sua estrutura

formada por longas moléculas covalentes unidas entre si por meio de ligações

dipolares fracas.

Dipolos permanentes

Dipolos induzidos


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EXEMPLO DA FORMAÇÃO DE UM CRISTAL IÔNICO

Forças de atração coulombiana (FA): dependentes do tipo de ligação entre os dois

átomos: 2

1a

FA ∝

Forças de repulsão nuclear: Forças intensas resultantes da repulsão nuclear:

nR abF =

onde: b é uma constante de proporcionalidade e n pode variar entre 9 e 10


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EXEMPLO DA FORMAÇÃO DE UM CRISTAL IÔNICO

• Verifica-se pelas figuras anteriores que a energia de repulsão aumenta

exponencialmente (a9) quando tentamos aproximar dois átomos a uma distância

inferior a a0. Assim, nas ligações fortes (iônica, covalente e metálica) os átomos e

moléculas podem ser representados por um modelo físico denominado MODELO

DE ESFERAS RÍGIDAS


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MATERIAIS DE ENGENHARIA E SUAS LIGAÇÃO QUÍMICAS

Os materiais de engenharia são classificados em quatro grupos principais:

materiais metálicos;

materiais poliméricos;

materiais cerâmicos e

materiais compósitos.

Esta classificação é baseada na estrutura atômica e nas ligações químicas

predominantes em cada grupo. Um quinto grupo que foi incorporado nesta

classificação nas últimas décadas é o grupo dos materiais semicondutores.

1- Materiais metálicos:

Os materiais metálicos são constituídos por um ou mais elementos metálicos

combinados, formando uma liga. Eles apresentam um grande número de elétrons que

não estão ligados a nenhum átomo em particular, formando uma nuvem eletrônica.

Várias propriedades dos metais e ligas estão diretamente relacionadas a este tipo de

ligação atômica. Os metais são excelentes condutores de eletricidade e de calor e não

são transparentes á luz visível. A superfície dos metais, quando polida, tem a

aparência de um espelho (na realidade, os espelhos possuem uma camada de

alumínio metálico do outro lado do vidro que reflete a luz). Os materiais metálicos são

muito usados em aplicações estruturais devido a sua elevada resistência mecânica e

ductilidade (facilidade de conformação).

2- Materiais cerâmicos:

Os materiais cerâmicos são compostos entre elementos metálicos e não-metálicos,

principalmente o oxigênio, o nitrogênio e o carbono, formando os óxidos, os nitretos e

os carbonetos, respectivamente. Existe um grande número de materiais que entram

nesta classificação, entre eles estão a argila, o cimento e o vidro. Estes materiais são,

normalmente, isolantes elétricos, apresentam baixa condutividade térmica e são mais

resistentes ás altas temperaturas e a alguns ambientes agressivos que os metais e os

polímeros. Quando as propriedades mecânicas, os materiais cerâmicos são duros,

porém frágeis (não se deformam).

3- Materiais poliméricos:

Os materiais poliméricos incluem as famílias dos plásticos e borrachas. A maiorias

deles são compostos orgânicos e são quimicamente baseados em carbono,

hidrogênio e outros elementos não-metálicos e, além disso, apresentam longas

estruturas moleculares. Os polímeros são materiais tipicamente flexíveis (alta

ductilidade) e de baixa densidade.

4- Materiais compósitos:

Os materiais compósitos, em sua maioria, são formados por mais de um tipo de

material. Apesar de ser uma frente recente de desenvolvimento de novos materiais,

os compósitos são empregados pelo homem há muito tempo. Muitos materiais de

origem natural: a madeira e os ossos são compósitos. Um exemplo típico de um

compósito desenvolvido pelo homem é a fibra de vidro (Fiberglass) que consiste de

fibras de vidro envolvidas por um material polimérico (uma resina epóxi tipo Araldite).


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Os materiais compósitos são desenvolvidos para apresentar as melhores

propriedades de cada um dos materiais que o compõem. A fibra de vidro adquire a

resistência do vidro e a flexibilidade do polímero. Um grande números de novos

materiais recentemente desenvolvidos são compósitos.

5- Materiais semicondutores:

Os materiais semicondutores apresentam propriedades elétricas intermediárias

entre os condutores e os isolantes elétricos. Além disso, as características elétricas

destes materiais são extremamente sensíveis á presença de concentrações mínimas

de impurezas atômicas, as quais são muito bem controladas. Os materiais

semicondutores possibilitaram o desenvolvimento do transistor e dos circuitos

integrados, que revolucionaram a indústria eletrônica nas últimas três décadas.

Caráter da ligação atômica para as quatro classes de materiais de engenharia Classe de materiais

Caráter predominante

da ligação

Exemplos: Características

Metálicos

Metálica Ferro (Fe) e ligas ferrosas

Elevada temperatura de fusão Alta condutividade térmica e elétrica opacidade

Cerâmicas e vidros

Iônica / covalente

Sílica (SiO2) cristalina, e não-cristalina

Elevada temperatura de fusão Translúcidos Baixa condutividade térmica e elétrica

Polímeros

Covalente e van der Waals

Polietileno (C2H4) Baixa temperatura de fusão Translúcidos Baixa condutividade térmica e elétrica

Semicondutores

Covalente ou covalente / iônica

Silício (Si) ou sulfeto de Cádmio (CdS)

Condutividade elétrica dependente da temperatura


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RELAÇÃO ENTRE A LIGAÇÃO QUÍMICA, ENERGIA DE LIGAÇÃO E PROPRIEDADES TÉRMICAS

Temperatura de fusão e coeficiente de dilatação térmica

Tomando-se a curva de energia de ligação em função da distância interatômica,

podemos associar a temperatura de fusão de um metal com a “profundidade” da

curva. Ou seja, quanto maior energia necessária para a separação de uma ligação

metálica (ET0), maior a temperatura de fusão para aquele metal.

Outra característica relevante destas curvas é que quanto maior for energia

necessária para a separação da ligação (ET0), menor serão os espaçamentos

interatômicos para um dado nível de energia.

Assim, por exemplo, se tomarmos um metal cuja energia de ligação seja

elevada, sua temperatura de fusão será elevada e as distâncias interatômicas para um

determinado nível de energia serão pequenas, resultando em um pequeno coeficiente

de dilatação térmica. Estas relações podem ser verificadas pelas figuras abaixo:

Na figura acima verifica-se, com base em dados experimentais, a relação entre

temperatura de fusão (ou energia de ligação) com o coeficiente de dilatação térmica.

A figura divide as substâncias analisadas pelo tipo de ligação presente (metálica,

covalente e iônica).


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A tabela abaixo apresenta relaciona a energias de ligação de algumas

substâncias com a temperatura de fusão, de acordo com o tipo de ligação química.

Energia de ligação

Tipo da ligação

Substância [KJ/mol] [eV/átomo, íon ou molécula]

Temperatura de fusão

[°C] Iônica NaCl 640 3.3 801 MgO 1000 5.2 2800 Covalente Si 450 4.7 1410 C

(diamante) 713 7.4 > 3550

Metálica Hg 68 0.7 -39 Al 324 3.4 660 Fe 406 4.2 1538 W 849 8.8 3410 Van der Waals Ar 7.7 0.08 -189 Cl2 31 0.32 -101 Pontes de hidrogênio

NH3 35 0.36 -78

H2O 51 0.52 0

Com base no exposto nestas aulas, podemos concluir que a energia de ligação

química relaciona-se com as seguintes propriedades:

temperatura de fusão,

coeficiente de dilatação ou expansão térmica,

módulo de elasticidade (E) e

a transparência ou opacidade.

É importante notar que a resistência mecânica de um material (limite de

escoamento ou o limite de resistência) não está relacionada com a energia de ligação

deste. De fato, a resistência mecânica é governada por defeitos presentes na

estrutura cristalina, como veremos adiante.

ligacoes

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