Sólidos E Suas Propriedades

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UNIVERSIDADE FEDERAL DO PARÁ FACULDADE DE FÍSICA TURMA DE FÍSICA 2010 QUÍMICA GERAL TEÓRICA I PROFESSORA: ANA JULIA DE AQUINO SILVEIRA Alunos: Douglas Gonçalves Bitencourtt Lima Fábio Silva dos Santos Isaac Torres Sales Sidney Gregório de Oliveira Lima 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9. 10. 11. 12. 13. 14. Estados físicos da matéria Definições de sólido Elasticidade Resistência à tensão e compressão Classificação dos sólidos Sólidos cristalinos Propriedades térmicas Propriedades elétricas Semicondutores Supercondutores Magnetismos da matéria Cristais naturais Cristais metálicos Difração por raiosraios-X • A matéria apresenta-se em três diferentes estados físicos: sólido, líquido e gasoso, que dependem do material, da pressão e da temperatura. Veja o exemplo da água: Pressão (mm Hg) 760mmHg Sólido Líquido 4,58mmHg Gás Ponto triplo 0 0,01 Temperatura 100 oC • Um sólido tem volume e forma bem definidos; • O estado sólido é um estado de agregação da matéria onde os átomos (ou íons ou moléculas) estão fortemente unidos e coesos; • Um sólido é algo que não escorre; • É um corpo capaz de suportar uma tensão de cisalhamento. Cola B T1 T2 F = k∆x O arco é esticado horizontalmente, por ser um sólido com a propriedade da elasticidade. • Os sólidos são mais resistentes à compressão que à tensão • Exemplos: templos da Grécia antiga e arcos da Lapa, em Salvador Os blocos do teto estão sujeitos à tensão, por isso tantas colunas Com o teto curvo, os blocos ficam sujeitos à compressão Um sólido é amorfo quando, apesar de ter forte coesão entre suas partículas, estas não formam uma estrutura regular. Bons exemplos são o plástico e o vidro. Em contraste, temos os sólidos cristalinos. A solidificação dos sólidos amorfos não ocorre em uma temperatura fixa, isto é, não existe um ponto de fusão, mas uma faixa de temperatura onde o corpo muda de fase. Por isso considera-se que eles não passam completamente ao estado sólido e alguns autores (Martha Reis, por exemplo) consideram os sólidos amorfos como líquidos. Temperatura Estado líquido Faixa de mudança de fase Estado sólido (?) Q (calor) É todo material que é constituído pela repetição finita de uma mesma estrutura elementar Como se pode determinar se um solido é cristalino ou não? -Idéia de Van Laue: difração de raios X Redes de Bravais, em homenagem a Auguste Bravais, que demonstrou a sua existência em 1848, é a denominação dada às configurações básicas que resultam da combinação dos sistemas de cristalização com a disposição das partículas em cada uma das células unitárias de uma estrutura cristalina, sendo estas células entendidas como os paralelepípedos que constituem a menor subdivisão de uma rede cristalina que conserva as características gerais de todo o retículo, permitindo que por simples replicação da mesma se possa reconstruir o sólido cristalino completo. Para além da sua utilização em cristalografia, as redes de Bravais constituem uma importante ferramenta de análise tridimensional em geometria euclidiana. • É uma rede infinita de pontos discretos com arranjo e orientação exatamente o mesmo visto de qualquer ponto. • Uma rede de bravais (tridimensional) consiste de todos os pontos com vetores R da forma : , onde , e são três vetores, e n1, n2 e n3 são valores inteiros. A estrutura cristalina de um sólido é a designação dada ao conjunto de propriedades que resultam da forma como estão espacialmente ordenados os átomos ou moléculas que o constituem. Note-se que apenas os sólidos cristalinos exibem esta característica, já que ela é o resultado macroscópico da existência subjacente de uma estrutura ordenada ao nível atômico, replicada no espaço ao longo de distâncias significativas face à dimensão atômica ou molecular, o que é exclusivo dos cristais. • -Capacidade térmica molar: quantidade de energia (J) necessária para aumentar em um grau (K) a temperatura de um mol de um material. Esta propriedade representa a capacidade do material de absorver calor do meio circundante. C = dQ/ dT onde: C é a capacidade térmica molar (J/mol.K) dQ é a variação de energia (J) dT é a variação de temperatura (K) • Frequentemente utiliza-se para essa grandeza o termo calor específico, que é a capacidade térmica por unidade de massa (J / kg K ). • A capacidade térmica molar pode ser medida a volume constante (CV) e a pressão constante (CP) com: CP > CV (no entanto, esta diferença é pequena para a maioria dos materiais sólidos a temperaturas iguais ou abaixo da temperatura ambiente). • A maioria dos materiais sólidos se expande com o aumento da temperatura e se contrai com a sua diminuição. • A variação do comprimento de um sólido com a temperatura segue a relação: (l –lo) / lo = α(Tf –To) f • onde: * lo e lf são o comprimento inicial e final respectivamente; * To e Tf são a temperatura inicial e final respectivamente; * α é o coeficiente linear de expansão térmica (oC-1). • α é uma propriedade que representa a capacidade do material de dilatar-se com o aumento da temperatura. • Condutividade térmica: capacidade de um material de conduzir calor • Condução térmica: fenômeno pelo qual o calor é transportado em um material de regiões de alta temperatura para regiões de baixa temperatura. A condutividade térmica pode ser definida em termos de: q = -k dT/dx onde: * q é o fluxo de calor por unidade de tempo por unidade de área perpendicular ao fluxo (W/m²) * k é a condutividade térmica (W/m-K) * dT/dx é o gradiente de temperatura (K/m). • O sinal de menos na equação significa que o escoamento de calor ocorre da região quente para a região fria. • A equação acima só é válida quando o fluxo de calor for estacionário (fluxo de calor que não se altera com o tempo). É o movimento de cargas elétricas (elétrons ou íons) de uma posição para outra. σ = 1/ρ ρ= n.q.µ µ σ= condutividade elétrica (ohm-1.cm-1) ρ= resistividade elétrica (ohm.cm) n= número de portadores de carga por cm3 q= carga carregada pelo portador (coulombs) [q do elétron= 1,6x10-19 coulombs] µ= mobilidade dos portadores de carga (cm2/V.s) R = ρ . l/A 20 • Pela lei de Ohm: E = ρ.j dx – onde ρ é a resistividade e; – j a densidade de corrente através da seção reta (A) do condutor. j= 1 dq dx . = ne e = ne evd A dt dt – (eq. 2) – Sendo ne a densidade volumétrica de elétrons (de valência) do condutor. – Substituindo a (eq.1) →(eq.2) – e levando o resultado à Lei de Ohm, temos finalmente: vd A E ne e 2 =σ = ⋅τ ρ m 1 Neste caso, ne é independente da temperatura. • Semicondutores conduzem pequenas correntes, que percorrem um pequeno espaço. São semimetais dopados. • Um semimetal pode ser dopado para tornar-se semicondutor, com bário ou fósforo, por exemplo. • A adição desses elementos na estrutura do semimetal causa um excesso ou deficiência de elétrons na sua estrutura, permitindo a passagem de corrente elétrica com um campo elétrico para orientar a corrente. CHIPS PROCESSADORES Um metal à temperatura ambiente tem resistência elétrica pequena, porém não nula. Quando a temperatura baixa, a resistência do metal também diminui. O holandês Heine Kammerlingh-Onnes achava que a resistência deveria diminuir cada vez mais, chegando a zero no zero absoluto. Ele argumentava que as vibrações dos átomos do metal, que dificultam o deslocamento dos elétrons e causam a resistência, deveriam cessar no zero absoluto. Neste caso, a resistência elétrica cairia a zero Kammerlingh-Onnes, trabalhando em seu laboratório em Leiden, começou então a medir a resistividade de metais em baixíssimas temperaturas. De início, o metal escolhido por ele foi o mercúrio que tinha a vantagem de poder ser altamente purificado. O resultado da experiência foi surpreendente. Ao atingir 4,2 Kelvins a resistência elétrica do fio de mercúrio caiu subitamente a zero! Não foi caindo gradualmente, como pensava Onnes, nem foi para infinito, como queria Kelvin. A supercondutividade demorou ser encontrada uma teoria que explicase satisfatoriamente esse fênomeno. Só em 1957 John Bardeen, Leon Cooper e Robert Schrieffer propuseram uma teoria (a Teoria BCS). O chamado Efeito Meissner, descoberto em 1933 por W. Meissner e R. Ochsenfeld. Essa propriedade importante para caracterizar o supercondutor. Efeito Meissner, descoberto em 1933 por W. Meissner e R. Ochsenfeld. Supercondutores que apresentam um completo efeito Meissner são ditos do tipo I. Essa propriedade é muito importante e serve para caracterizar o supercondutor, além de dar uma pista para as tentativas teóricas de explicar o fenômeno. • A demonstração clássica do efeito Meissner consiste em fazer um ímã permanente flutuar sobre a superfície de um supercondutor. As linhas do campo magnético são impedidas de penetrarem no supercondutor e tomam uma forma semelhante a que teriam se houvesse outro ímã idêntico dentro do material supercondutor (ímã "imagem"). Dessa forma, o ímã sofre uma repulsão que compensa seu peso e "levita" sobre o supercondutor. existem dois tipos de supercondutor. Nos supercondutores do tipo I, o efeito Meissner é total, enquanto nos supercondutores do tipo II há uma pequena penetração das linhas de campo magnético para dentro do material • últimos • • Em 1957 apos 46 anos Jhon Bardeen ,Leon Cooper e Robert Schieffer apresentaram um modelo teorico que concordava muito bem com as observações experimentais nos supercondutores.Esses modelo ficou conhecido com modelo do BCS . A temperatura na qual o material fica supercondutor, chamada de temperatura crítica, TC, é uma medida do tamanho do "gap" de energia. Em um supercondutor típico, como aqueles conhecidos até a década de 80, a energia do "gap" é bem pequena, da ordem de 0,01 eletron-volts. Por isso, as temperaturas críticas desses supercondutores são tão baixas. A teoria BCS teve enorme sucesso, explicando muito bem o comportamento dos materiais supercondutores conhecidos até a década de 80 do século passado. Os experimentos de Oerstd, Ampère e outros mostram que correntes elétricas produzem campos magnéticos semelhantes aos produzidos pelos ímãs. Essa constatação fez com que os físicos suspeitassem que os campos dos imãs também fossem produzidos por correntes elétricas. Ampère sugeriu que o magnetismo dos ímãs seria o resultado dos campos originados por minúsculas correntes elétricas circulares (figura 01) no interior do imã. Ampère estava parcialmente certo: é É verdade que o campo magnético é criado pelos elétrons, que fazem parte dos átomos mas de que alguns materias se comportavam como imãs. No século XX foi possível elucidar esse mistério Fig.01 após a descoberta dos componentes do átomo e à criação de uma nova teoria – a mecânica quântica, capaz de explicar determinados comportamentos dessas particulas. Se supusermos o elétron em movimento circular (fig.02) em torno do núcleo (movimento orbital), teremos o caso de uma espira circular de corrente que produz um campo magnético B₀ , no centro da espiral, e é perpendicular ao plano dela. Assim, cada elétron comporta-se como uma espira que produz campo magnético. B₀ Fig.02 Além do campo magnético orbital, o elétron produz o outro campo magnético (B ),que pode ser imaginado (classicamente) como o resultado da rotação e do elétron em torno de si mesmo.Esse campo e denominado campo magnético de spin . Em átomos, íons ou moléculas em geral, por um mecanismo só explicado pela mecânica quântica, os elétrons se distribuem em pares (fig.03) de modo que, em cada par, um dos elétrons produz campo em sentido oposto ao do outro e desse modo ambos se anulam. Porém, há casos em que os átomos possuem elétrons que não formam pares; consequentemente, o átomo produz um campo total não nulo, comportando-se como um minúsculo ímã elementar. Substâncias com essa propriedade denominam-se substâncias paramagnéticas. Exemplos: alumínio, cálcio, magnésio, cromo, oxigênio e platina. Nas substâncias paramagnéticas , há um grande número de ímãs elementares orientados em todos os sentidos (fig.04). Dessa maneira, no total há um anulamento do campo de um potente ímã (fig.05). O campo do ímã (B₀) provocará um alinhamento parcial dos ímãs elementares, levando a amostra a se magnetizar sendo atraída pelo ímã. Fig.04 N S N F S (a) -F Fig.05 S N F S -F N (b) Um fator que dificulta o alinhamento dos ímãs elementares é a agitação térmica. À medida que aumenta a temperatura , diminuir a temperatura ou aumentar B₀. • Inicialmente percebeu-se que os ímãs atraem com facilidade pedaços de ferro ou aço. Com o passar do tempo, observou-se que há outras substâncias de comportamento semelhante ao do ferro, como o cobalto, o níquel, o gadolínio e o disprósio. Essas substâncias foram chamadas então de ferromagnéticas. • Esse fenômeno é semelhante ao paramagnetismo. A diferença é que nos materiais paramagnéticos, na ausência de um campo magnético externo, os ímãs elementares estão orientados em todos os sentidos, enquanto nos materiais ferromagnéticos há um alinhamento espontâneo dos ímãs elementares num dado sentido. Mesmo na ausência de um campo externo, pode-se escolher uma pequena amostra de um cristal de ferro, de modo que os ímãs elementares tenham a orientação da figura 05. • Se os ímãs elementares estão espontaneamente alinhados, como explicar o fato de podermos encontrar substâncias Fig.05 ferromagnéticas ou mesmo o ferro que não produzem campo magnético ? • Numa amostra macroscópica que não produz campo magnético, há um número muito grande de domínios orientados em várias direções e sentidos. Dessa forma, macroscopicamente há um anulamento dos campos. Cada domínio tem dimensões lineares da ordem de 0,1 mm, e dentro de cada domínio há um número muito grande de átomos,variando de 10¹⁷a 10²¹. Fig.06 • Consideremos uma amostra de material ferromagnético inicialmente desmagnetizada e vamos submetê-la a um campo externo B₀, cuja intensidade aumenta com tempo (isso pode ser feito, por exemplo, colocando-se a amostra no interior de um solenóide cuja corrente vai aumentando). O campo magnético B no interior da amostra é dado por: B = B₀ + B₁ onde B₁ é o campo produzido pela amostra (campo de magnetização). Se fizermos um gráfico de B₁ em função de B₀ obteremos uma curva semelhante à da figura 07. B₁ B₀ X Magnetização por rotação dos domínios Deslocamento irreversível das fronteiras dos domínios Deslocamento reversível das fronteiras dos domínios 0 B₀ Fig.07 • Esse gráfico mostra primeiro os processos dominantes de magnetização em cada região da curva. Ele indica também que há um valor máximo para B₁, denominado campo de saturação e representado por B₀. Para desmagnetizar uma amostra de material ferromagnética, podese fazer o seguinte: aquecer até atingir a temperatura superior ao seu ponto Curie e depois resfriá-la novamente. Se a magnetização da amostra for muito intensa, pode-se conseguir desmagnetizá-la martelando-a várias vezes. A vibração provocada pelas marteladas provoca a desmagnetização. Talvez um martelo?! Amostra a ser desmagnetizada • Representa um solenóide percorrida por uma corrente de intensidade i que produz uma campo B₀. Ao colocar no interior do solenóide um núcleo de material ferromagnético (fig.08), este se magnetizará,tornando o campo resultante B muito mais intenso do que o campo original B₀. B₀ i i Fig.08 • Como vimos, um elétron, ao executar seu movimento orbital em torno do núcleo, produz campo magnético. No entanto, uma amostra com um grande número de elétrons produzindo um grande número de campos de sentidos oposto, resultam em seu cancelamento. Quando a amostra é colocada numa região onde há um campo magnético B₀, esse campo atua sobre os elétrons, aumentando a velocidade daqueles que giram num dado sentido e diminuindo a velocidade dos que gira em sentido oposto; consequentemente, o efeito final é a amostra passar a produzir um campo magnético B₁, de sentido oposto ao do campo externo B₀. Esse efeito é Material chamado de diamagnético. diamagnético • Ex: Água,cobre, prata e bismuto. B₁ N • • • São chamados Cristais naturais ,sólidos que apresentam uma organização especial de átomos que constituem a molécula do solido,essa característica pertence apenas aos sólidos naturalmente cristalinos Diferentemente dos sólidos amorfos,os sólidos cristalinos apresentam em toda a sua estrutura uma organização especial que diferem entre si,porem é tentador achar que os cristalinos se separam totalmente dos amorfos,modo mais comum de encontrar sólidos cristalinos na natureza é através do ligamento desses com rochas,fato que acontece muito na natureza e o inverso também é verdadeiro como por exemplo a areia de quartzo e topázio que são sólidos amorfos grudados em sólidos cristalinos As Diferentes características dos cristais se deve ao momento de formação de cada um visto que as diferentes pressões e temperaturas formam cristais diferentes podendo até ser o mesmo elemento químico,um exemplo clássico é o carbono que dependendo das condições de temperatura e pressão pode gerar substancias muito distintas indo do grafite ao diamante • Célula unitária é como são chamadas as menores partes que caracterizam um solido cristalino ao identificar a célula unitária de um determinado solido,é possível recriar esse solido do tamanho desejado • O tamanho das células unitárias depende das valências,dimensões e graus de ionização dos átomos ou moléculas que formam esses sólidos • Cristal metálico As características fundamentais dos cristais metálicos é o brilho prateado,refletividade,alta condutibilidade termina e elétrica.Outra grande característica é a flexibilidade que esses matérias possuem,podendo ser riscados,martelados e dobrados sem se romperem bons exemplos desses matérias são prata,ouro e platina • Os Raios X são principalmente usado nessas estruturas para que a refração desses raios permita um estudo aprofundado de suas características químicas e físicas • No principio os raio x eram usados em sólidos comuns,porem suas estruturas não permitiam uma difração foi ai que os cristais começaram a ser usados,pelo fato de permitirem uma ótima difração dos raios x • Hoje em dia se usa raios x em cristais para determinar a forma da estrutura cristalina,visto que ao incidir um raio x em uma estrutura cristalina desconhecida a parti da medida do ângulo de difração do raio incidente.Esse recurso é muito utilizado pra analisar estruturas de proteínas • Como as moléculas dos cristais são organizadas o ângulo incidente tem a mesma inclinação do ângulo Difratado • Para que a incidência do raio X de certo é necessário que satisfaça a lei de Bragg • ND=2d . SenX • Onde N=Numero inteiro D=Comprimento de onda d=Distancia entre planos X=Ângulo incidente FONSECA, Martha Reis da. Completamente Química, Química Geral. 1. ed. São Paulo, FTD, 2005. HALLIDAY, David. RESNICK, Robert. WALKER, Jearl. Fundamentos de Física. vol. 2. 7. ed. Rio de Janeiro, LTC, 2006. HEWITT, Paul G. Física Conceitual. 9.ed. Porto Alegre, Bookman, 2002. KOTZ, John C. TREICHEL JR, Paul M. Química geral e reações químicas. vol. 1. 1. ed. São Paulo, Cengage Learning, 2008. NUSSENZVEIG, H. Moysés. Um curso de Física Básica. vol. 2. 4. ed. São Paulo, Edgar Blücher, 2002. http://srozane.googlepages.com/Solidos.pdf