Aula 3 MSP Estrutura Cristalina Metais site Ligia

Estrutura Cristalina

- arranjo (organização espacial)

- empacotamento espacial

- grupos repetitivos (células unitárias)

ESTO006-17 : MATERIAIS E SUAS

PROPRIEDADES

UNIVERSIDADE FEDERAL DO ABC

Centro de Engenharia, Modelagem e Ciências Sociais Aplicadas (CECS)

Sólidos amorfos e cristalinos

Comparação das estruturas químicas de (a) sílica amorfa  vidro e (b) sílica cristalina  quartzo. https://www.acs.org/content/acs/en/education/resources/highschool/chemmatters/past-issues/archive-2014-2015/candymaking.html

Estrutura em Escala Atômica

Segundo a distribuição espacial dos átomos, moléculas ou íons, os sólidos podem ser classificados em:

Cristalinos:

As posições ocupadas seguem uma ordenação de longo alcance (que se repete para grandes distâncias atômicas).

Amorfos:

Podem apresentar ordenação de curto alcance.

• Todos os minerais verdadeiros (os demais são chamados “mineraloides”)

ESTRUTURA DOS SÓLIDOS – MATERIAIS CRISTALINOS

Estrutura Cristalina: Introdução

•

A grande maioria dos metais e ligas metálicas

Farina, A. B. – VIII Concurso MetMat - 2009

V Concurso MetMat - 2006

Macrocristal de Bismuto Liga de Cobre-Aluminio 50-50%

ESTRUTURA DOS SÓLIDOS – MATERIAIS CRISTALINOS

Estrutura Cristalina: Introdução

• Boa parte dos materiais cerâmicos – podem ser 100% ou parcialmente

cristalinos

ESTRUTURA DOS SÓLIDOS – MATERIAIS CRISTALINOS

Estrutura Cristalina: Introdução

• Muitos polímeros têm estrutura parcialmente cristalina (semicristalinos) –

quase nunca são 100% cristalinos

PET (politereftalato de etileno)

ESTRUTURA DOS SÓLIDOS – MATERIAIS CRISTALINOS

Estrutura Cristalina: Introdução

PP (polipropileno)

Monocristal de PE (polietileno)

• Materiais orgânicos de baixo peso molecular

Cristal líquido - 4’-(octiloxi)-4-bifenil-carbonitrila (8OCB) no estado sólido

ESTRUTURA DOS SÓLIDOS – MATERIAIS CRISTALINOS

Estrutura Cristalina: Introdução

Estrutura Cristalina: Conceitos

Nos materiais cristalinos, denomina-se

estrutura cristalina

a

maneira como átomos, moléculas ou íons se encontram

espacialmente arranjados.

Reticulado cristalino

Reticulado Cristalino: conjunto de pontos, que podem corresponder a átomos ou grupos de átomos, que se repetem no espaço tridimensional com uma dada periodicidade. Nota de aula A ESTRUTURA É A MANEIRA OCMO OS ÁTOMOS SE ORGANIZAM RETICULADO É O CONJUNTO DE PONTOS (ATOMOS OU

GRUPOS DE ÁTOMOS) QUE SE REPETEM NO ESPAÇO

TRIDIMENSIONAL

Reticulado: arranjo tridimensional de pontos no qual cada ponto tem a mesma vizinhança.

Arranjo...organização espacial

Sólidos Cristalinos apresentam

arranjos tridimensionais

Matriz que se repete

Estruturas simples (metais)

Estruturas complexas (polímeros)

Representação dos átomos: Modelo de Esferas Rígidas

Os átomos ou íons são representados como esferas de diâmetro fixo.

• Esferas perfeitas • Maciças

• Indivisíveis

• Diferentes elementos = diferentes raios das esferas (raio atômico)

• Raio atômico ou iônico = distância

do centro do átomo até seu orbital mais externo

Vamos trabalhar melhor a idéia de célula unitária... 

Célula unitária: é o menor agrupamento de átomos

representativo de uma determinada estrutura cristalina

específica.

- Estrutura Cristalina e redes cristalinas

- Célula unitária

Arranjos regulares tridimensionais

Estrutura Cristalina: Conceitos

Padrão repetitivo/Unidade estrutural básica

(menor arranjo atômico que pode representar um sólido cristalino)

- A forma externa de um cristal: conseqüência do arranjo interno dos átomos das moléculas reflete a sua estrutura interna.

- Clivagem de um cristal em planos paralelos cada vez menores leva até uma célula original primitiva: Célula Unitária.

Repetir isso na aula com o NaCl

Vanaditina Pb₅(VO₄)₃Cl Sistema Cristalino Hexagonal

Parei aqui

Padrão geométrico repetitivo

Qual o elemento fundamental de repetição?

(Menor unidade que pode ser usada para construir o todo)

Arranjo aparentemente confuso

Arranjo mais ordenado

Célula unitária ou primitiva

Célula unitária

Ordem e períodos de repetição podem ser destacados

Célula unitária ou primitiva

Célula unitária ou primitiva

2 por

Qual das células unitárias é a correta?

- Número de coordenação (NC): número de

vizinhos mais próximos

na

rede trimensional

Colocar isso na nota de aula para eu já saber a resposta

Colocar isso na nota de aula para eu já saber a resposta

Metais

Cúbica Simples (CS)

Estrutura raro devido ao empacotamento pobre

NC=?

Cúbica de Corpo Centrado (CCC)

NC=?

Estrutura Cristalina dos Metais

Explicar com os modelos meus na mão

Cúbica de Face Centrada (CFC)

NC=?

Estrutura Cristalina dos Metais

Hexagonal Compacto (HC)

• Seqüência de planos ABAB...

Projeção 2D

A sites

B sites

A sites

Estrutura Cristalina dos Metais

a

c

Exemplo de metais HC:

cádmio, cobalto, zinco.

Empilhamento de dois planos compactos.

Empilhamento de planos compactos formando uma estrutura HC.

Plano compacto formado por esferas rígidas (A). Observam-se dois tipos de interstícios, que são assinalados como B e C.

Hexagonal Compacto (HC)

Estrutura Cristalina dos Metais

NC=?

Estrutura Cristalina: Hexagonal Compacta (HC)

Estrutura Cristalina: Hexagonal Compacta (HC)

Estrutura Cristalina: Hexagonal Compacta (HC) NC= 12 A B A A B

-

Número de átomos associados a cada célula unitária (N)

-

Número de Coordenação (NC)

- Relação entre raio (R) e aresta (a)

- Fator de Empacotamento Atômico (FEA)

- Volume da Célula em Função de R (Vc)

Vc

Ve

unitária

célula

da

total

volume

esferas

das

total

volume

FEA



















Estrutura Cristalina dos Metais

Características Importantes de um Estrutura Cristalina

Escrever as características na lousa e deixar espaço para as

fórmulas -> colocar as formulas ao longos dos próximos slides

mostrando o que serve para CFC, para CCC ou para os dois

- Número de átomos associados

Compartilhado por 8 células unitárias Compartilhado por 2 células unitárias

átomos

4

2

1

.

6

8

1

.

8





- Relação raio aresta

a

2

2R

a



- FEA

Características Importantes de um Estrutura Cristalina

Cúbica de Face Centrada (CFC)

- O número de coordenação é igual a 12.

Fator de empacotamento atômico (FEA)

V

V

FEA



74

,

0

)

2

16

(

3

4

4

3

4

4































R

R

a

R

FEA





2

16

R

a

Vc





3

4

4

R

Ve





FEA = 0,74 ou 74% da célula unitária encontra-se ocupada

Características Importantes de um Estrutura Cristalina

Características Importantes de um Estrutura Cristalina

Cúbica de Corpo Centrada (CCC)

Os átomos se tocam ao longo da diagonal do cubo

• A relação entre o raio atômico, R, e a aresta do cubo, a, é dada

por:

• O número de átomos por célula unitária é igual a 2.

• O número de coordenação é igual a 8.

• FEA = 0,68

3

4R

a



Características Importantes de um Estrutura Cristalina

Características Importantes de um Estrutura Cristalina

Hexagonal Compacta (HC)

a

c

• c/a = 1,633 (ideal).

• O número de átomos por célula unitária é igual a 6.

• O número de coordenação é igual a 12.

Estrutura Cristalina de Metais



O conhecimento da estrutura cristalina permite o cálculo da

densidade (



):

n= número de átomos da célula unitária

A= massa atômica

Vc= volume da célula unitária

NA= Número de Avogadro (6,02 x 10

_átomos/mol)

VcNA

A

n





Estrutura Cristalina de Metais

Cálculo de Densidade

EXERCÍCIO



Cobre têm raio atômico de 0,128nm (1,28 Å), uma estrutura

CFC, uma massa atômica de 63,5 g/mol. Calcule a densidade

do cobre.

EXERCÍCIO



Cobre têm raio atômico de 0,128nm (1,28 Å), uma estrutura

CFC, uma massa atômica de 63,5 g/mol. Calcule a densidade

do cobre.

Resposta: 8,89 g/cm



Polimorfismo: fenômeno no qual um sólido

(metálico ou não metálico)

pode apresentar

mais de uma estrutura cristalina

, dependendo da

temperatura e da pressão.

Por exemplo, a sílica, SiO

como quartzo e cristobalita

Estrutura Cristalina: Polimorfismo e Alotropia

Figure 3. (a)–(e) are α-quartz, α-cristobalite, β-quartz, and β–cristobalite. Cheng, H. P., Journal of Computer-Aided Materials Design 13(1):161-183 · October 2006



Alotropia: polimorfismo em elementos puros.

Exemplo: o diamante e o grafite são constituídos por átomos de carbono

arranjados em diferentes estruturas cristalinas.

Diamante Grafite

Hibridização sp3 Hibridização sp2



Alotropia: polimorfismo em elementos puros.

Exemplo: Alguns Metais