Callister - Engenharia e Ciência dos Materiais

408 Pages·1.22 MB·Portuguese

MATERIALS SCIENCE AND ENGINEERING An Introduction
William D. Callister, Jr. - John Wiley & Sons,Inc., New York,NY,1991.

1. INTRODUÇÃO

1.1 - PERSPECTIVA HISTÓRICA

1.2 - CIÊNCIA E ENGENHARIA DE MATERIAIS

A disciplina de ciência dos materiais envolve investigação das correlações que existem entre as
estruturas e propriedades de materiais. Em contraste, 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. Através de todo este texto nós damos
atenção às correlações entre propriedades dos materiais e elementos estruturais.
"Estrutura" é neste ponto um termo nebuloso que merece alguma explicação. Brevemente,
a estrutura de um material usualmente relaciona-se ao arranjo de seus componentes internos.
Estrutura subatômica envolve elétrons dentro dos átomos individuais e interações com o seu núcleo.
Num nível atômico, estrutura abrange a organização dos átomos ou moléculas entre si. O próximo
reino estrutural maior, que contém grandes grupos de átomos que estão normalmente aglomerados
entre si, é denominado "microscópico", significando aquilo que é submetido à observação direta
usando algum tipo de microscópio. Finalmente, os elementos estruturais que podem ser visto com
ôlho nu são denominados "macroscópicos".
A noção de "propriedade" merece elaboração. Enquanto usado em serviço, todos os
materiais são expostos a estímulos externos que evocam algum tipo de resposta. Por exemplo, uma
amostra submetida a forças irá experimentar deformação, ou uma superfície de metal polido refletirá
luz. Propriedade é um traço (característica) de um material em termos do tipo e magnitude de
resposta a um específico estímulo imposto. Geralmente, definições de propriedades são feitas
independente da forma e tamanho do material.
Virtualmente todas as importantes propriedades de materiais sólidos podem ser grupadas
em 6 diferentes categorias:
(a) mecânica;
(b) elétrica;
(c) térmica;
(d) magnética;
(e) ótica, e
(f) deteriorativa.
Para cada uma existe um tipo característico de estímulo capaz de provocar diferentes respostas.
Propriedades mecânicas relacionam deformação a uma carga ou força aplicada; exemplos incluem
módulo elástico e resistência mecânica.
Para propriedades elétricas, tais como condutividade elétrica e constante dielétrica, o estímulo é um
campo elétrico.
O comportamento térmico de sólidos pode ser representado em termos de capacidade calorífica e
condutividade térmica.
Propriedades magnéticas demonstram a resposta de um material à aplicação de um campo
magnético.
Para propriedades óticas, o estímulo é eletromagnético ou radiação de luz, índice de refração e
refletividade são representativas propriedades óticas.
Finalmente, características deteriorativas indicam a reatividade química de materiais.
Os capítulos que se seguem discutem propriedades que caem dentro de cada uma destas 6
classificações.
Por que nós estudamos materiais? Muitos dos cientistas aplicados ou engenheiros, sejam
eles mecânicos, civis, químicos, ou elétricos, estarão uma vez ou outra expostos a um problema de
projeto envolvendo materiais. Exemplos poderíam incluir uma engrenagem de transmissão, a
superestrutura para um prédio, um componente para refinaria de óleo, ou um "chip" de
microprocessador. Naturalmente, cientistas de materiais e engenheiros são especialistas que estão
totalmente envolvidos na investigação e projeto de materiais.
Muitas vezes, um problema de materiais é um de seleção do material certo dentre muitos
milhares que são disponíveis. Existem vários critérios nos quais a decisão final é normalmente
baseada. Antes de mais nada, as condições em serviço devem ser caracterizadas, de vez que estas
ditarão as propriedades requeridas do material. Somente em ocasiões raras um material possuirá
uma combinação máxima ou ideal de propriedades. Assim pode ser necessário perder uma
característica para ter uma outra. O exemplo clássico envolve resistência mecânica e dutilidade;
normalmente, um material tendo uma alta resistênca mecânica terá apenas uma limitada dutilidade.
Em tais casos, um compromisso razoável entre duas ou mais propriedades pode ser necessária.
Uma segunda consideração de seleção é qualquer deterioração de propriedades de
materiais que pode ocorrer durante operação em serviço. Por exemplo, significativas reduções em
resistência mecânica podem resultar da exposição a temperaturas elevadas ou ambientes corrosivos.
Finalmente, provavelmente a consideração soprepujante é aquela da economia: O que o
produto acabado custará? Pode-se encontrar um material que tenha um conjunto ideal de
propriedades mas seja proibitivamente caro. Aqui de novo, algum compromisso é inevitável. O
custo de uma peça acabada inclui também qualquer despesa incorrida durante a fabricação para
produzir a desejada forma.
Quanto maior for a familiaridade de um engenheiro ou cientista com as várias
características e correlações estrutura-propriedade, bem como técnicas de processamento de
materiais, tanto mais proficiente e confiável ele ou ela será para fazer escolhas judiciosas de materiais
baseadas nestes critérios.

1.3 - CLASSIFICAÇÃODE MATERIAIS

Materiais sólidos têm sido convenientemente agrupados em 3 classificações básicas:
(a) metais;
(b) cerâmicas, e
(c) polímeros
Este esquema é baseado principalmente na constituição química e estrutura atômica, e muitos
materiais caem num distinto grupamento ou num outro, embora existam alguns intermediários.Em
adição, existem 2 outros grupos de importantes materiais de engenharia:
(d) compósitos, e
(e) semicondutores.
Compósitos consistem de combinações de 2 ou mais diferentes materiais, enquanto que
semicondutores são utilizados por causa de suas desusuais características elétricas. Uma breve
explanação dos tipos de materiais e características representativas é oferecida no texto. Capítulos
subsequentes exploram em algum detalhe os vários elementos estruturais e propriedades para cada
um.

(a) METAIS

Materiais metálicos são normalmente combinações de elementos metálicos. Eles têm grande número
de elétrons não localizados, isto é, estes elétrons não estão amarrados a particulares átomos. Muitas
propriedades de metais são diretamente atribuíveis a estes elétrons.Metais são extremamente bons
condutores de eletricidade e de calor e não são transparentes à luz visível: a superfície de um metal
polido tem aparência lustrosa. Além disso, metais são bastante fortes, ainda deformáveis, que
respondem pelo seu extensivo uso em aplicações estruturais.

(b) CERÂMICAS

Cerâmicas são compostos entre elementos metálicos e não-metálicos: eles são muito frequentemente
óxidos, nitretos e carbetos. A larga faixa de mateiais que caem dentro desta classificação inclui
cerâmicas que são compostas de minerais de argilas, cimento e vidro. Estes materiais são
tipicamente isolantes à passagemde eletricidade e de calor, e sãomais resistentes a altas
temperaturas e ambientes rudes do que metais e polímeros. Com relação ao comportamento
mecânico, cerâmicas são duras mas muito frágeis.

(c) POLÍMEROS

Polímeros incluem os materiais familiares plástico e borracha. Muitos deles são compostos
orgânicos que são quimicamente baseados em carbono, hidrogênio, e outros elementos não
metálicos; além disto, êles têm muito grandes estruturas moleculares. Estes materiais têm tipicamente
baixas densidades e podem ser extremamente flexíveis.

(d) COMPÓSITOS

Têm sido engenheirados um número de materiais compósitos que consitem mais doque um tipo de
material. Fiberglass é um exemplo familiar, no qual fibras de vidro são embutidas dentro de um
material polimérico. Um compósito é projetado para exibir uma combinação das melhores
características de cada um dos materiais componentes. "Fiberglass" adquire resistência mecânica das
fibras de vidro e flexibilidade do polímero. Muitos dos recentes desenvolvimentos de material têm
envolvido materiaiscompósitos.

(e) SEMICONDUTORES

Semicondutores têm propriedades elétricas que são intermediárias entre os condutores elétricos e os
isolantes. Além disso, as características elétricas destes materiais são extremamente sensíveis à
presença de diminutas concentrações de átomos impurezas, cujas concentrações podem ser
controladas ao longo de muito pequenas regiões espaciais. Os semicondutores tornou possível o
advento do circuito integrado que revolucionou totalmente a eletrônica e as indústrias de
computadores (sem mencionar as nossas vidas) ao longo das 2 décadas passadas.

1.4 - NECESSIDADES DE MATERIAIS MODERNOS

A despeito do tremendo progresso que tem sido feito no entendimento e desenvolvimento de
materiais dentro dos poucos anos passados, remanescem desafios tecnológicos requerindo materiais
mesmo mais sofisticados e especializados. Algum comentário é apropriado nesta consideração para
completar a perspectiva de materiais.
Energia é um interesse corrente. Existe uma reconhecida necessidade para encontrar
novas e econômicas fontes de energia e, em adição, usar as fontes atuais mais eficientemente.
Materiais desempenharão sem dúvida um papel significativo nestes desenvolvimentos. Por exemplo,
a conversão direta de energia solar em energia elétrica tem sido demonstrada. Células solares
empregam materiais bastante complexos e caros. Para assegurar uma tecnologia viável, materiais
que são altamente eficientes neste processo de conversão ainda menos custosos devem ser
desenvolvidos.
Energia nuclear mantém alguma promessa, mas as soluções para muitos problemas que
remanecem irá necessariamente envolver materiais, desde combustíveis até estruturas de recipientes
para instalações para guarda de resíduos radioativos.
Além disto, qualidade ambiental depende da nossa capacidade para controlar a poluição
do ar e da água. Técnicas de controle da poluição empregam vários materiais. Em adição, os
métodos de processamento e refino de materiais têm que ser melhorados de maneira que eles
produzam menor degradação ambiental, isto é, menor poluição e menos despojo da paisagem a
partir da mineração de matérias primas.
Significativas quantidades de energia são envolvidas no transporte. Redução de peso dos
veículos transportadores (automóveis, aeronaves, trens, etc.), bem como o aumento das
temperaturas de operação dos motores, melhorarão eficiência de combustível. Novos materiais
estruturais de alta resistência e baixa densidade remanescem para serem desenvolvidos, bem como
materiais que têm maiores capacidades de temperatura, para uso em componentes de motores.
Muitos materiais que nós usamos são derivados de recursos que não são renováveis, isto
é, não capazes de serem regenerados. Estes incluem polímeros, para os quais a matéria prima
principal é o óleo, e alguns metais. Estes recursos não renováveis estão se tornando gradualmente
esgotados, o que implica na necessidade descobrir reservas adicionais ou o desenvolvimento de
novos materiais tendo propriedades comparáveis e impacto ambiental menos adverso. Esta última
alternativa é um grande desafio para os cientistas de materiais e engenheiros de materiais.
MATERIAIS SCIENCE AND ENGINEERING: An Introduction - William D. Callister, Jr.,
Second Edition, John Wiley & Sons, Inc., New York,NY,1991.

2. ESTRUTURA ATÔMICA E LIGAÇÃO INTERATÔMICA

2.1 - INTRODUÇÃO

Algumas das importantes propriedades de materiais sólidos depende dos arranjos geométricos dos
átomos, e também das interações que existem entre os átomos ou moléculas constituintes. Este
Capítulo, por meio de preparação para subsequentes discussões, considera vários conceitos
fundamentais e importantes, isto é:
(a) estrutura,
(b) configurações eletrônicas em átomos e na tabela periódica, e
(c) os vários tipos de ligações interatômicas primárias e secundárias que mantém juntos os átomos
que compõem um sólido.
Estes tópicos são revistos brevemente, sob a suposiçào de que um pouco do material é familiar ao
leitor.

ESTRUTURA ATÔMICA

2.2 - CONCEITOS FUNDAMENTAIS

Cada átomo consiste de um núcleo muito pequeno composto de prótons e neutrons, que são
circundados por elétrons em movimento. Tanto elétrons quanto prótons são eletricamente
carregados, a magnitude da carga sendo 1,60 x 10-19C, que é negativa em sinal para elétrons e
positiva para prótons; neutrons são eletricamente neutros. As massas destas partículas subatômicas
são infinitesimalmente pequenas; prótons e neutrons têm aproximadamente a mesma massa, 1,67 x
10-27kg, que é significativamente maior do que aquela de um elétron, 9,11 x 10-31 kg.
Cada elemento químico é caracterizado pelo número de prótons no núcleo, ou o número
atômico (Z). Para um átomo eletricamente neutro ou completo, o número atômico também é igual
ao número de elétrons. Este número atômico varia em unidades inteiras desde 1 para o hidrogênio
até 94 para o plutônio, o de número atômico mais alto dentre os elementos que ocorrem na natureza
(naturalmente).
A massa atômica (A) de um átomo específico pode ser expressa como a soma das
massas dos prótons e dos neutrons. Embora onúmero de prótons é o mesmo para todos os átomos
de um dado elemento, o número de neutrons (N) pode ser variável. Assim, átomos de alguns
elementos têm 2 ou mais diferentes massas atômicas, sendo eles denominados isótopos. O peso
atômico corresponde à média pesada das massas atômicas de isótopos que ocorrem naturalmente.
A unidade de massa atômica (u.m.a., ou amu em inglês) pode ser usada para cálculos de peso
atômico. Foi estabelecida uma escala na qual 1 u.m.a. é definida como 1/12 da massa atômica do
isótopo mais comum do carbono, carbono 12 (isto é, 12C) (A = 12,00000). Dentro deste
esquema, as massas de prótons e neutrons são ligeiramente maiores do que a unidade, e

A (cid:150) Z + N (2.1)

O peso atômico de um elementoou peso molecular de um composto podeser especificado com base
em u.m.a. por átomo (ou molécula) ou em massa por mol de material. Num mol de uma substância
existem 6,023 x 1023 (número de Avogadro) átomos ou moléculas. Estes dois esquemas de peso
atômico estão relacionados entre si através da seguinte equação:
1 u.m.a./átomo (ou molécula) = 1 g/mol

Por exemplo, o peso atômico do ferro é 55,85 u.m.a./átomo, ou55,85g/mol. Algumas vezes o uso
de u.m.a. por átomo ou molécula é conveniente; em outras ocasiões g (ou kg)/mol é preferido; este
último é usado neste livro.

2.3 - ELÉTRONS EM ÁTOMOS

Modelo Atômico de Bohr

Durante a última parte do século dezenove verificou-se que muitos fenômenos envolvendo elétrons
em sólidos poderíam ser explicados em termos de mecânica clássica. O que aconteceu foi o
estabelecimento de um conjunto de princípios e leis que governam sistemas de entidades atômicas e
subatômicas, que ficaram conhecidos como mecânica quântica. Um entendimento do
comportamento de elétrons em átomos e sólidos cristalinos necessariamente envolve a discussão de
conceitos de mecânica quântica. Entretanto, uma exploração detalhada destes princípios está além
do escopo deste livro, e apenas um tratamento muito superficial e simplificado é dado.
Um dos primeiros frutos da mecânica quântica foi o simplificado modelo atômico de
Bohr, no qual elétrons são supostos revolver ao redor do núcleo do átomo em orbitais discretos, e
a posição de qualquer particular elétron é mais ou menos bem definida em termos de seu orbital.
Este modelo do átomo está representado na Figura 2.1.

Figura 2.1 - Representação esquemática do átomo de Bohr.

Um outro importante princípio de mecânica quântica estipula que as energias de elétrons
são quantizadas; isto é, elétrons são permitidos ter apenas valores específicos de energia. Um
elétron pode mudar de energia, mas ao fazer isto efetua um salto quântico quer a um outro permitido
nível de energia mais alto (com absorção de energia) ou a um nível de energia mais baixo (com
emissão de energia). Às vezes é conveniente pensar que estes níveis permitidos de energias de
elétrons como estando associado com níveis de energia ou estados de energia. Estes estados não
variam continuamente com energia, isto é, estados adjacentes são separados por energias finitas.
Por exemplo, permitidos estados para o átomo de hidrogênio de Bohr estão representados na
Figura 2.2a. Estas energias são tomadas como sendo negativas, enquanto que a referência zero é o
elétron não ligado ou o elétron livre. Naturalmente, o elétron livre associado com o átomo de
hidrogênio preencherá apenas um destes estados.

Figura 2.2 - (a) Os 3 primeiros estados de energia de elétron para o átomo de hidrogênio de Bohr.
(b) Estados de energia de elétron para as 3 primeiras cascas do átomo de hidrogênio mecânico-
ondulatório. (Adaptado a partir de W.G. Moffatt, G.W.Pearsall,and J. Wullf, The Structure and
Properties of Materials, Vol.I, Structure, p. 10, Copyright , 1964 por John Wiley & Sons, New
York, Reimpresso por permissão de John Wiley & Sons, Inc.).
Assim o modelo de Bohr representa uma primeira tentativa para descrever elétronsem
átomos, em termos tanto da posição (orbitais dos elétrons) quanto da energia (níveis de energia
quantizados).

Modelo Atômico Mecânico-Ondulatório

Verificou-se eventualmente que o modelo atômico de Bohr tinha algumas limitações significativas por
causa de sua incapacidade de explicar vários fenômenos envolvendo elétrons. A resolução destas
deficiências foi encontrada com o desenvolvimento do que se tornou conhecido como a mecânica
ondulatória (uma subdivisão da mecânica quântica), e um mais adequado modelo do átomo. No
modelo mecânico-ondulatório, considera-se que um elétron exibe características tanto de onda
quanto de partícula, e o movimento de um elétron é descrito por matemática que governa o
movimento de onda.
Uma importante consequência da mecânica de onda é que elétrons não são mais tratados
como partículas se movendo em orbitais discretos; em vez disto, considera-se posição como
decorrente da probabilidade deum elétron estar em várias localidades ao redor do núcleo. Em
outras palavras, posição é descrita por uma distribuição de probabilidade ou nuvem de elétron. A
Figura 2.3 compara entre si os modelos de Bohr e de mecânica-ondulatória para o átomo de
hidrogênio. Ambos estes modelos são usados ao longo de todo o curso neste livro; a escolha
depende de qual dos 2 modelos torna a explicação mais simples.

Figura 2.3 - Comparação dos modelos atômicos de (a) Bohr e (b) mecânico-ondulatório em termos
de distribuição de elétron. (Adaptado de Z.D. Jastrzebski, The Nature and Properties of
Engineering Materials , 3a. Edição, p.4 , Copyright 1987 por JohnWiley & Sons, New York,
Reimpresso por permissão de John Wiley & Sons,Inc.).

Números Quânticos

Usando a mecânica ondulatória, todo elétron num átomo é caracterizado por4 parâmetro,
denominados números quânticos. O tamanho, forma e orientação espacial da densidade de
probabilidade de um elétron são especificados por 3 números quânticos. Além disto, os níveis de
energia de Bohr se separa em subcamadas de elétrons, e números quânticos ditam o número de
estados dentro de cada subcamada. Camadas são especificiadas por um número quântico
principal n, que pode tomar valores inteiros começando com a unidade; algumas vezes estas
camadas são designadas pelas letras K, L, M, N, O, e assim por diante, que correspondem,
respectivamente, a n = 1, 2, 3, 4, 5, ....., como indicado na Tabela 2.1. Dever-se-ía também notar
que este número quântico, e somente êle, está também associado com o modelo de Bohr.

Tabela 2.1 - O número de Estados de Elétrons Disponíveis em Algumas das Camadas e
Subcamadas de Elétrons.
O segundo número quântico, l, significa subcamada, que é denotada por uma letra
minúscula - um s, p, d, ou f. Em adição , o número de camadas para os vários valores de n estão
representados na Tabela 2.1. O número de estados de energia para cada subcamada é determinado
pelo número quântico, m . Para uma subcamada s existe um único estado de energia, enquanto que
l
para subcamadas p, d, e f, existem 3, 5 e 7 estados, respectivamente (Tabela 2.1). Na ausência de
um campo magnético externo, os estados dentro de cada subcamada são idênticos. Entretanto,
quando um campo magnético é aplicado estes estados de subcamadas se dividem, cada estado
assumindo uma energia ligeiramente diferente.
Associado a cada elétron se encontra um momento de spin, que deve estar orientado ou
para cima ou para baixo. Relacionado a este momento de spin encontra-se o quarto número
quântico, m , para o qual são possíveis 2 valores ( + 1/2 e -1/2), um para cada uma das
s
orientações de spin.
Assim o modelo de Bohr foi refinado mais uma vez pela mecânica ondulatória, na qual a
introdução de 3 novos números quânticos dá origem a subcamadas eletrônicas dentro de cada
camada. Uma comparação entre estes dois modelos com base nisto é ilustrada nas Figuras 2.2a e
2.2b, para o átomo de hidrogênio.
Um diagrama completo de nível de energia para as várias camadas e subcamadas usando
o modelo de mecânica ondulatória é mostrado na Figura 2.4. Vale a pena notar várias
características do diagrama. Primeiro, quanto menor for o número quântico principal, tanto menor o
nível de energia; por exemplo, a energia de um estado 1s é menor do que aquela de um estado 2s,
que por sua vez é menor do que aquela de um estado 3s. Segundo, dentro de cada camada a
energia de uma subcamada cresce com o valor do número quântico l. Por exemplo, a energia de um
estado 3d é maior do que aquela de um estado 3p, que é maior do que aquela de um estado 3s.
Finalmente, pode haver superposição em energia de um estado numa camada com estados numa
camada adjacente, que é especialmente verdadeiro de estados d e f; por exemplo, a energia de um
estado 3d é maior do que aquela para um estado 4s.

Figura 2.4 - Representação esquemática das energias relativas dos elétrons para as várias camadas
e subcamadas (fonte: K.M.Ralls, T.H.Courtney, e J. Wulff, Introduction to Materials Science and
Engineering, p. 22 Copyright 1976 by John Wiley & Sons,New York, Reprinted by permission of
John Wiley & Sons).

Configurações Eletrônicas

A discussão precedentes tratou principalmente dos estados eletrônicos - valores de energia que
são permitidos aos elétrons. Para determinar a maneira na qual estes estados são preenchidos com
elétrons, nós usamos o princípio de exclusão de Pauli, um outro conceito mecânico-quântico.
Este princípio estipula que cada estado eletrônico pode manter não mais do que 2 elétrons, que
devem ter spins opostos. Assim, as subcamadas s, p, d e f podem acomodar cada uma,
respectivamente, um total de 2, 6, 10 e 14 elétrons; Tabela 2.1 sumaria um número máximo de
elétrons que podem ocupar cada uma das primeiras 4 camadas.

Tabela 2.1 - O número de estados eletrônicos disponíveis em algumas das Camadas e Subcamadas
Eletrônicas.
Naturalmente, nem todos os estados possíveis num átomo são preenchidos com elétrons.
Para muitos átomos, os elétrons preenchem os mais baixos possíveis estados de energia nas
camadas e subcamadas eletrônicas, 2 elétrons (tendo spins opostos) por estado. A estrutura de
energia para um átomo de sódio é representada esquematicamente na Figura 2.5. Quando todos os
elétrons ocupam as energias mais baixas possíveis de acordo com as precedentes restrições, diz-se
que um átomo está no estado do chão. Entretanto, transições de elétrons para estados de energia
superiores são possíveis, como discutido nos Capítulos 19 e 22. A configuração eletrônica ou
estrutura de um átomo representa a maneira na qual estes estados são ocupados. Na notação
convencional o número de elétrons em cada subcamada é indicado por um superscrito após a
designação camada-subcamada. Por exemplo, a configurações eletrônicas para hidrogênio, hélio e
sódio são, respectivamente, 1s1, 1s2, e 1s22s22p63s1. Configurações eletrônicas para alguns dos
elementos mais comuns estão listadas na Tabela 2.2; uma tabulação para todos os elementos está
contido no Apêndice B.

Figura 2.5 - Representação esquemática dos estados de energia preenchidos para um átomo de
sódio.

Tabela 2.2 - Uma Listagem das Configurações Eletrônicas para Alguns dos Elementos Comuns.

Neste ponto, comentários referentes a estas configurações eletrônicas são necessárias.
Primeira, os elétrons de valência são aqueles que ocupam a camada preenchida mais externa.
Estes elétrons são extremamente importantes; como será visto, eles participam na ligação entre os
átomos para formar agregados atômicos e moleculares. Além disto, muitas das propriedades físicas
e químicas de sólidos estão baseadas nestes elétronsde valência.
Em adição, alguns átomos têm o que é denominado "configurações eletrônicas estáveis";
isto é, os estados dentro da camada eletrônica mais externa ou de valência estão completamente
preenchidos.
Normalmente isto corresponde à ocupação justamente dos estados s e p para a camada
mais externa por um total de 8 elétrons, como num neônio, argônio e criptônio; uma exceção é o
hélio, que contém apenas 2 elétrons 1s. Estes elementos (Ne, Ar, Kr, e He) são gases inertes ou
nobres, que são virtualmente não reativos quimicamente. Alguns átomos dos elementos que têm
camadas de valência não preenchidas assumem configurações eletrônicas estáveis por ganho ou
perda de elétrons para formar íons carregados, ou pelo compartilhamento de elétrons com outros
átomos. Esta é a base para algumas reações químicas, e também para ligação atômica em sólidos,
como explicado na Seção 2.6.

2.4 - A TABELA PERIÓDICA

Todos os elementosforam classificados de acordo com a configuração eletrônica na tabela
periódica (Figura 2.6). Aqui, os elementos estão situados, com crescente número atômico, em 7
filas horizontais denominadas períodos. O arranjo é tal que todos os elementos que são dispostos
numa dada coluna ou grupo têm similares estruturas de elétrons de valência, do mesmo modo que
similares propriedades químicas e físicas. Estas propriedades mudam gradualmente e
sistematicamente, movendo-se horizontalmente através cada período.

Figura 2.6 - A tabela periódica dos elementos. Os números entre parêntesis são pesos atômicos dos
isótopos mais estáveis ou comuns.

Os elementos posicionados no Grupo 0, o grupo da extrema direita, são gases inertes, que
têm camadas eletrônicas preenchidas e configurações eletrônicas estáveis. Os elementos dos Grupos
VIIA e VIA têm 1 e 2 elétrons a menos , respectivamente, para terem estruturas estáveis. Os
elementos do Grupo VIIA (F, Cl, Br, I e At) são às vezes denominados halogêneos. Os metais
alcalinos e alcalino-terrosos (Li, Na, K, Be, Mg, Ca, etc.) são denominados como do Grupo IA e
IIA, tendo, respectivamente, 1 e 2 elétrons a mais do que o necessário para estruturas estáveis. Os
elementos dos 3 períodos longos, Grupos IIIB até IIB, são denominados metais de transição, que
possuem estados eletrônicos partialmente preenchidos e em alguns casos 1 ou 2 elétrons na próxima
camada de energia mais alta. Grupos IIIA, IVA e VA (B, Si, Ge, As, etc.) exibem características
que são intermediárias entre as dos metais e as dos não-metais em virtude de suas estruturas de
elétron de valência.
Como pode ser notado a partir da tabela periódica, muitos elementos realmente se
incluem na classificação de metal. Estes são algumas vezes denominados elementos eletropositivos,
indicando que êles são capazes de ceder seus poucos elétrons de valência para se tornarem íons
positivamente carregados. Além disso, os elementos situados à direita da tabela são
eletronegativos; isto é, eles prontamente aceitam elétrons para formar íons negativamente
carregados, ou às vezes êles compartilham elétrons com outros átomos. A Figura 2.7 exibe os
valores de eletronegatividade que foram atribuídos aos vários elementos arranjados na tabela
periódica. Como uma regra geral, a eletronegatividade aumenta ao se mover da esquerda para a
direita e de base para o topo da tabela periódica.

Figura 2.7 - Os valores de eletronegatividade para os elementos. (Re-impresso a partir de Linus
Pauling, The Nature of Chemical Bond, 3a. edição. Copyright 1939 e 1940, Copyright da 3a.
Edição, 1960, por Cornell University. Usado por permissão do publicante, Cornell University
Press).

LIGAÇÃO ATÔMICA EM SÓLIDOS

2.5 - FORÇAS DE LIGAÇÃO E ENERGIAS DE LIGAÇÃO

Um entendimento de muitas propriedades físicas de materiais é previsto através do conhecimento
das forças interatômicas que ligam os átomos entre si. Talvez os princípios de ligação atômica sejam
melhor ilustrados pela consideração da interação entre dois átomos isolados à medida que êles são
colocados em estreita proximidade um do outro a partir de uma distância infinita de separação entre