CIÊNCIA DOS MATERIAIS
Engenharia de Produção – 4° Período
Profª.: Andiara Paulina de Assis
[email protected]
Eng. de Produção - Ciência dos Materiais
UNIDADE DE ENSINO 2
1
UNIDADE 2
ESTRUTURA ATÔMICA DOS MATERIAIS
ESTRUTURA ATÔMICA
DOS MATERIAIS
Cap. 2 - CALLISTER
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UNIDADE DE ENSINO 2
2
ESTRUTURA ATÔMICA
Macroestrutura
pode ser visto a olho nu
Microestrutura
sujeita a observação por microscópio
Estrutura atômica
organização dos átomos ou moléculas
Estrutura subatômica
elétrons e interações com seus núcleos
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ESTRUTURA ATÔMICA
Conceitos Fundamentais
NÚCLEO
Prótons
Nêutrons
ÁTOMO
ELETROSFERA
Elétrons
PARTÍCULA SUBATÔMICAS
MASSA
CARGA
Próton
1 (1,67x10-27 Kg)
+1 (1,60x10-19 C)
Nêutron
1 (1,67x10-27 Kg)
0
Elétron
1 / 1.836 x (1,67x10-27 Kg)
-1 (1,60x10-19 C)
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ESTRUTURA ATÔMICA
Conceitos Fundamentais
Cada elemento químico é caracterizado pelo número de prótons
(P) de seu núcleo, ou seja, seu número atômico (Z).
Átomo neutro ou completo
Número de prótons = Número de elétrons
ÍONS
Número de prótons ≠ Número de elétrons
A massa atômica (A) de um átomo específico pode ser expressa
como a soma das massas dos prótons (P ou Z) e nêutrons (N)
presentes em seu núcleo.
A≈Z+N
*Embora o número de prótons seja o mesmo para átomos de um mesmo elemento o
número de nêutrons pode variar. Átomo com mesmo número de prótons e diferentes
números de neutros, e portanto com massas diferentes, são chamados isótopos.
Representação de elementos
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A
Z
X
carga
5
Estrutura Atômica
MODELO DE BOHR
Orbital eletrônico
N = número quântico principal
Núcleo: Z = número de prótons
Massa atômica: A ≈ Z + N
* Os elétrons circulam ao redor do núcleo atômico em orbitais discretos e a posição de
qualquer elétron específico está mais ou menos bem definida em termos do seu orbital.
* A energia do elétron é quantizada; isto é, aos elétrons só são permitidos valores
específicos de energia.
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CONCEITOS FUNDAMENTAIS
Como os elétrons se distribuem nos átomos?
s
p
d
f
(Q) n=7
(P) n=6
(O) n=5
(N) n=4
(M) n=3
(L) n=2
* Os elétrons tendem a ocupar
os níveis mais baixos de
energia.
(K) n=1
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CONCEITOS FUNDAMENTAIS
Camada de valência
CAMADA DE VALÊNCIA:
É a camada mais externa ocupada pelos elétrons de um átomo.
Os elétrons que ocupam essa camada são chamados de elétrons de valência. Eles são
extremamente importantes, pois participam da ligação entre átomos para formarem
aglomerados atômicos e moléculas. Além disso muitas propriedades físicas e químicas dos
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sólidos estão são baseadas nesses elétrons de valência.
TABELA PERIÓDICA
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ESTRUTURA ATÔMICA DOS MATERIAIS
Ligações
Por que estudar as ligações dos materiais?
A estrutura do sólido é caracterizada pelo tipo de ligação
que mantêm os átomo ou moléculas que o formam unidos,
e por seus arranjos geométricos. Assim, o tipo de ligação
interatômica ou molecular nos permite explicar algumas
propriedades importantes de um material.
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Porque estudar a estrutura dos materiais?
Diamante
Grafita
• Material mais duro conhecido
• Baixa condutividade elétrica
• Transparente
• Usado para triturar e cortar
outros materiais (por exemplo,
vidro)
• Baixa dureza
• Boa condutividade elétrica em
algumas direções
• Opaco
• Elevada resistência e boa
estabilidade química em altas
temperaturas
Composição química: Carbono
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Estrutura atômica e ligações
dos materiais
Porque dois materiais com a mesma composição química
apresentam propriedades tão diferentes?
1. Estruturas cristalinas diferentes
2. Ligações químicas diferentes
Somente ligações covalentes
Diamante
Fulerenos
Ligações covalentes e Van der Waals
Grafita
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Nanotubos
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LIGAÇÃO ATÔMICA NOS SÓLIDOS
Forças e energia de ligação
A energia de ligação para dois átomos ou moléculas,
representa a energia que seria necessária para separar dois
átomos até uma distância de separação infinita.
Existem três tipo diferentes de ligações química (ou ligações
primárias) em materiais sólidos...
IÔNICA
COVALENTE
METÁLICA
Também existe as forças e energias de interação física (ou
ligações secundária). Essas são mais fracas do que as ligações
primárias...
DIPOLO INDUZIDO
DIPOLO PERMANENTE
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LIGAÇÃO PRIMÁRIA
Busca por uma configuração estável...
CONFIGURAÇÃO ELETRÔNICA ESTÁVEL:
Configuração dos gases nobres
Camada de valência estável com oito elétrons (exceção: H, He...).
Alguns átomos dos elementos que não possuem a camada de
valência completos (8 elétrons) assumem configuração eletrônica
estável pelo ganho ou perda de elétrons (formação de íons), ou
então pelo compartilhamento de elétrons com outro átomo. Esta é
a base de algumas reações químicas e também algumas ligações
atômicas nos sólidos.
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Elementos eletropositivos: doam
elétrons para ser tornarem íons
positivos (cátions)
Inerte
Recebe 1e-
Recebe 2e-
Recebe 3e-
Doa 3e-
Doa 2e-
Doa 1e-
Eletronegatividade
Elementos eletronegativos:
recebem elétrons para se tornarem
íons negativos (ânions)
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LIGAÇÃO PRIMÁRIA
Ligação Iônica
• Requer transferência de elétrons.
• Requer grandes diferenças de eletronegatividade
• Exemplo: NaCl
Não metal (Cl)
Não estável
Metal (Na)
Não estável
ELÉTRON
Cátion (Na+)
Estável
Ânion (Cl-)
Estável
Atração de Coulomb
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Metal + Ametal
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LIGAÇÃO PRIMÁRIA
Ligação Iônica - Exemplos
* Os materiais com esse tipo de ligação são
caracteristicamente duros e frágeis e, além
disso, isolantes térmicos e elétricos.
NaCl
MgO
CaF2
CsCl
H
2.1
Li
1.0
Be
1.5
Na
0.9
Mg
1.2
K
0.8
Ca
1.0
Rb
0.8
He
O
F
3.5 4.0
Ne
-
Cl
3.0
Ar
-
Br
2.8
Kr
-
Sr
1.0
I
2.5
Xe
-
Cs
0.7
Ba
0.9
At
2.2
Rn
-
Fr
0.7
Ra
0.9
Ti
1.5
Cr
1.6
Elementos eletropositivos
Fe
1.8
Ni
1.8
Zn
1.8
As
2.0
Elementos eletronegativos
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LIGAÇÃO PRIMÁRIA
Ligações Covalentes
• Requer compartilhamento de elétrons
• Exemplo: Metano (CH4)
C: tem 4 elétrons de valência e
precisa de mais 4
H: tem 1 elétrons de valência e
precisa de mais 1
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Ametal + Ametal
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LIGAÇÃO PRIMÁRIA
Ligações Covalentes - Exemplos
H2
H
2.1
Li
1.0
Be
1.5
Na
0.9
K
0.8
Mg
1.2
Ca
1.0
Rb
0.8
Sr
1.0
Cs
0.7
Ba
0.9
Fr
0.7
Ra
0.9
column IVA
H2O
C(diamond)
SiC
Ti
1.5
Cr
1.6
Fe
1.8
F2
He
-
O
2.0
C
2.5
Ni
1.8
Zn
1.8
Ga
1.6
Si
1.8
Ge
1.8
As
2.0
Sn
1.8
Pb
1.8
F
4.0
Ne
-
Cl
3.0
Br
2.8
Ar
Kr
-
I
2.5
Xe
-
At
2.2
Rn
-
Cl2
GaAs
* O número de ligações covalentes possíveis é determinada pelo número de valência do
átomo (quantos faltem para completar 8 elétrons de valência)... Esse tipo de ligação pode
ser muito forte ou fraca.
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LIGAÇÃO PRIMÁRIA
Ligações Metálicas
• Os materiais metálicos possuem 1, 2 ou no máximo 3 elétrons de
valência. Esses elétrons não estão ligados particularmente a
qualquer átomo, e se encontram livres para se movimentar por todo
metal (nuvem de elétrons). Eles funcionam como uma “cola” entre
os átomos.
Metal + Metal
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LIGAÇÕES SECUNDÁRIAS
 São ligações fracas em comparação às ligações
primárias ou químicas.
 As forças de ligação (ou interação) surgem a partir de
dipolos atômicos ou moleculares. Através da atração
dos polos com cargas elétricas opostas desses dipolo.
O que são dipolos?
Os dipolos surgem sempre que há alguma separação entre
as partes positivas e negativas de um átomo ou molécula.
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LIGAÇÕES SECUNDÁRIAS
Dipolo permanente
HCl
 Ocorre entre moléculas ou átomos polares.
Ligação de hidrogênio
 Ocorre entre moléculas polares, especificamente entre o hidrogênio e os átomos mais
eletronegativos da tabela periódica (F, O e N);
 Tipo de ligação secundária mais forte.
Dipolo Induzido
 Única interação entre molécula apolares;
 Tipo de interação mais fraca;
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Exercício de fixação
1. Sabendo que um átomo de cálcio (Ca) possui número atômico
igual a 20 e número de nêutrons igual a 21, responda:
a) Qual a massa atômica de um átomo de Ca?
b) Quantos elétrons ele possui?
c) Faça a distribuição eletrônica de um átomo de Ca neutro.
d) Quantos elétrons de valência o átomo de Ca possui?
e) O que seria necessário para esse átomo alcançar a estabilidade?
f) Forneça a distribuição eletrônica do Ca2+ .
2. Qual a camada de valência dos elementos a seguir?
22Ti, 8O, 12Mg, 6C, 17Cl
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Exercício de fixação
3.Quais as principais características das ligações iônica, covalente
e metálica?
4.Qual (ou quais) o tipo de ligação esperada nos materiais
abaixo?
Latão (liga Cobre-Zinco)
Sulfeto de Bário
Cloreto de Sódio
Bronze (liga Cobre-Estanho)
5. Qual a relação entre a intensidade das forças intermoleculares
(ligações secundária) e o estado físico da matéria?
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MUDANÇAS DE ESTADO FÍSICO
Gás
Condensação
Líquido
Fusão
Sublimação
Solidificação
Energia do sistema
Vaporização
Sólido
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25
MUDANÇAS DE ESTADO FÍSICO
Fatores importantes:
Temperatura
• Fornece energia para que as moléculas se
afastem
Pressão
• Exerce força que influencia na proximidade das
moléculas
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INFLUÊNCIA DA PRESSÃO NO ESTADO
FÍSICO DA MATÉRIA
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* Temperatura constante
27
DIAGRAMA DE FASES
Fusão
Condensação
Vaporização
Solidificação
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DIAGRAMA DE FASES
Diagrama de fases da água:
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29
INFLUÊNCIA DA PRESSÃO NO ESTADO
FÍSICO DA MATÉRIA
↑ Pressão
↑ Proximidade entre as moléculas
Engenharia de Produção - Química Geral
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30
DIAGRAMA DE FASES
Diagrama de fases do CO2:
Pressão (atm)
CO2 (l)
CO2 (s)
5
CO2 (g)
1
- 78
- 56
Temperatura (°C)
Engenharia de Produção - Química Geral
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31
Exercícios de fixação
06 - Considerando o diagrama de fases do CO2 responda:
a) Qual o estado físico do CO2 a uma temperatura de - 60 °C
e pressão de 1 atm?
b) Acima de qual pressão é possível obter o CO2 líquido?
c) Considerando a pressão de 73 atm, qual seria a
temperatura mínima (aproximada) para que o CO2
estivesse sob a forma
Eng. de líquida?
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UNIDADE DE ENSINO 2
MATERIAIS SÓLIDOS
Os materiais sólido podem ser classificados quanto predominância
de ligações que mantêm seus átomos, íons ou moléculas unidas...
 Sólidos Metálicos: formados por cátions unidos por um “mar” de
elétrons.
 Sólidos Iônicos: construídos pela atração mútua de cátions e
ânions.
 Sólidos Moleculares: conjunto de moléculas discretas mantidas
unidas por forças intermoleculares.
 Sólidos Reticulares: formados por átomos ligados a seus vizinhos
por covalência.
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SÓLIDOS IÔNICOS
A força de ligação iônica depende muito da carga do íon formado
Exemplo: - NaCl → íons de carga +1 e -1 – Tf → 80 °C
- MgO → íons de carga +2 e -2 – Tf → 2.852 °C
CÉLULAS UNITÁRIAS DE NaCl
- Rígidos, quebradiços, elevados ponto de fusão e ebulição
*Típico de materiais cerâmicos
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SÓLIDOS RETICULARES
LIGAÇÃO COVALENTE
FORMA CRISTALINA DO QUARTZO
- Duros, rígidos, quebradiços,
elevados pontos de fusão e
ebulição
*Típico de materiais e cerâmicos e alguns poliméricos
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SÓLIDOS METÁLICOS
Nos metais: a força de ligação
aumenta a medida que o número de
elétrons disponíveis para a ligação
aumenta
Propriedades físicas variam
Sódio Na Pf = 98 °C
Cromo Cr Pf = 1890 °C
Tungstênio W Pf = 3400 °C
- São geralmente: maleáveis, dúcteis, lustrosos, condutores
térmicos e elétricos
*Metais de transição (subníveis d semipreenchidos):
ligações covalentes complementares (além da ligação metálica)
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SÓLIDOS MOLECULARES
Gelo
H2O(l) ↔ H2O(s)
Parafina (sólido amorfo)
- Baixos pontos de fusão e ebulição
*Típico de materiais poliméricos
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ESTRUTURA DE MATERIAIS
SÓLIDOS
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ESTRUTURAS ATÔMICAS
Classificação de materiais sólidos quanto à regularidade segundo a
qual os átomos ou íons se arranjam uns em relação aos outros:
CRISTALINO
NÃO-CRISTALINO
A organização ou arranjo dos
átomos formam um padrão
repetitivo ao longo de grandes
distâncias atômicas
Não possuem arranjos atômicos
regular e sistemático ao longo de
grandes distâncias atômicas.
Também chamado de amorfos.
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ARRANJO ATÔMICO
Materiais cristalinos...
• átomos se organizam em arranjos periódicos
• típicos de:
-Metais
-Muitas cerâmicas
-Alguns polímeros
SiO2 cristalina
Quartzo
Materiais não-cristalinos...
• átomos não se organizam em arranjos periódicos
• ocorrem em: -Algumas cerâmicas
-Polímeros
•Pode ser consequência de: - resfriamento rápido
- presença de impurezas
"Amorfo" = não-cristalino
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SiO2 não-cristalino
Vidro de quartzo
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ESTRUTURA CRISTALINA
Existe um número extremamente grande de estruturas cristalinas
diferentes, todas elas possuindo uma ordenação atômica
MODELO ATÔMICO DA ESFERA RÍGIDA
Os átomos (ou íons) são considerados
esferas sólidas com diâmetro bem
definido
CÉLULA UNITÁRIA
Pequenas entidades que se repetem
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ESTRUTURA CRISTALINA
Célula Unitária
menor subdivisão da estrutura cristalina, que se
repetem segundo um padrão.
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Estrutura cristalina
SISTEMA CRISTALINO
Cúbica
a=b=c, α=β=γ=90°
Tetragonal
a=b≠c, α=β=γ=90°
Hexagonal*
a=b≠c, α=β=90°,γ=120°
Ortorrômbica
a≠b≠c, α=β=γ=90°
Monoclínica
a≠b≠c, α=γ=90°≠ β
Romboédrica
a=b=c, α=β=γ≠90°
Triclínica
a≠b≠c, α≠β≠γ≠90°
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44
Estrutura cristalina
REDES DE BRAVAIS
Os sistemas cristalinos são apenas entidades geométricas. Quando posicionamos
átomos dentro destes sistemas formamos redes (ou estruturas) cristalinas.
Existem apenas 14 redes que permitem preencher o espaço 3D.
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Estrutura cristalina
Estruturas Cúbicas
Cúbica Simples
(CS)
contêm 8 x 1/8 =
1 átomo/célula
Cúbica de Corpo Centrado
(CCC)
contêm (8 x 1/8) + 1 =
2 átomos/célula
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Cúbica de Face Centrada
(CFC)
contêm (8 x 1/8 ) + (6 x 1/2) =
4 átomos/célula
46
ALOTROPIA E POLIMORFISMO
Diversos elementos, bem como compostos químicos apresentam mais
de uma forma cristalina, dependendo de condições como pressão e
temperatura envolvidas.
*Geralmente as transformações
polimorficas são acompanhadas
de mudanças na densidade e
mudanças de outras propriedades
físicas.
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ALOTROPIA E POLIMORFISMO
CCC
Estanho (Sn)
CFC
CCC
TCC
CCC
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48
MASSA ESPECÍFICA TEÓRICA
Conhecendo a estrutura cristalina de um sólido é possível
calcular sua massa específica (densidade)...
ρ = massa específica
n = número de átomos associados a cada célula unitária
A = peso atômico
Vc = volume da célula unitária
NA = número de Avogadro (6,023 x 1023 átomos/mol)
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MASSA ESPECÍFICA TEÓRICA
Exemplo
Estrutura cristalina do Cobre
• Estrutura = CFC: 4 átomos/célula
• Peso atômico = 63.55 g/mol
• Vc = 4.75 x 10-23 cm 3
Resultado: teórico
Comparado ao real:
r Cu = 8.88 g/cm 3
r Cu = 8.94 g/cm 3
ρ = massa específica
n = número de átomos associados a cada célula unitária
A = peso atômico
Vc = volume da célula unitária
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NA = número de Avogadro (6,023 x 1023UNIDADE
átomos/mol)
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50
Exercícios de fixação
07 – Qual é a diferença entre uma estrutura cristalina e uma
estrutura amorfa?
08 – Cite dois fatores que podem influenciar a formação de
uma estrutura amorfa.
09 – O que é uma célula unitária?
10 – Quais as classificações dos materiais sólidos quanto a
predominância de ligações que os mantêm unidos?
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Exercícios de fixação
11 – Sabendo que o volume de uma célula unitária de um
material cristalino qualquer é 1,99 x 10-23 cm3 e seu peso
atômico 55,85 g/mol. Diga em qual estrutura cristalina
abaixo ele seria mais denso.
CS
CCC
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CFC
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Exercícios de fixação
12 – Dados as respectivas informações sobre cada material,
ordene-os em ordem crescente de densidade.
Material A
Vc = 1,48 x 10-22 cm3
A = 22,99 g/mol
Estrutura: CCC
Material C
Vc = 2,73 x 10-23 cm3
A = 194,09 g/mol
Estrutura: CS
Material B
Vc = 7,46 x 10-23 cm3
A = 6,94 g/mol
Estrutura: CFC
Material D
Vc = 9,13 x 10-21 cm3
A = 58,93 g/mol
Estrutura: CFC
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UNIDADE DE ENSINO 2
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Bibliografia
• ATKINS, P.; JONES, L.; CARACELLI, I. Princípios de química:
questionando a vida moderna e o meio ambiente. (Capítulo
5)
• BOWN, T. L.; LEMAY, H. E.; BURSTEN, B. E.; BURDGE, J.R.
Química – A ciência central. São Paulo: Pearson Prentice
Hall, 2005. (Capítulo 11)
• CALLISTER, W. D. Ciências e engenharia de materiais: uma
introdução. Rio de Janeiro: LTE, 2002. (Capítulo 3)
• VAN WLACK, L. H. Princípios de ciências de materiais. 4 ed.
Rio de Janeiro: Campus. 1984. (Capítulo 3)
• SMITH, W. F. Princípios de ciências e engenharia de
materiais. Lisboa - Portugal: MacGraw-Hill, 1998. (Capítulo
3)
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