Sólidos metálicos. Fe Hg

Sólidos metálicos

Fe

Quais são?

Metais Não-metais

Sólidos metálicos → partilha de e-_{’s por muitos átomos iguais}

(muitos átomos e poucos electrões). → Energias de ionização baixas.

Propriedades → Condutividade eléctrica (↓ com T↑). → Condutividade térmica.

→ Maleabilidade (fazer folhas). → Ductibilidade (fazer fios). → Brilho (“metálico”).

Estruturas dos metais

Mosaico de grãos cristalinos

Propriedades mecânicas dependem das dimensões dos grãos (p.e., dureza, flexibilidade, etc.)

Estruturas dos metais

Estruturas cristalinas dos grãos:

Hexagonal compacta (HC), NC = 12

Cúbica de faces centradas (CFC), NC = 12

Cúbica de corpo centrado (CCC), NC = 8 + 6

Todos os átomos iguais

Esferas rígidas

Estruturas dos metais → empilhamento de esferas

Mais compacto: 6 vizinhos Menos compacto: 4 vizinhos

Estruturas dos metais → empilhamento de esferas

2ª camada (2 alternativas)    3ª camada

Átomos da 3ª camada

directamente sobre os da 1ª

→ estrutura ABAB

Estrutura hexagonal compacta (HC)

Cada átomo tem 12 vizinhos próximos: NC = 12

   2ª camada 3ª camada A B C

Átomos da 3ª camada não ficam directamente sobre os da 1ª →

estrutura ABCABC

A B C

Estrutura cúbica de faces centradas (CFC)

CFC e HC são estruturas compactas melhor aproveitamento do espaço

Percentagem de espaço ocupado?

V

_cubo

= a

3 Quantas esferas? pertence a 2 cubos pertence a 8 cubos

8 × ⅛ = 1

6 × ½ = 3

4 esferas

3 3

3

16

3

4

4

r

r

V

_esferas











a ↔ r ?

b = 4 r b2 _{= 2 a}2 _{(velho Pitágoras)} 2 a2 _{= (4 r)}2

 

a

 

1

r



_{ }

r

2

4

4

2

2 1 2 1 2 2 3

2

64

3 3

r

a

V

_cubo





%

74

100

64

3

2

16

100

2

64

3

16

100

2 3 2 3 3 3





















r

r

V

V

cubo esferas

Estrutura cúbica de corpo centrado (CCC)

NC = 8 + 6

Estrutura cúbica de corpo centrado (CCC)

Percentagem de espaço ocupado?

2 esferas: 8 × ⅛ + 1 = 2

3 3

3

8

3

4

2

r

r

V

_esferas











 

a





r

r













 

4

3

4

3

2 12 1 2 2 3

3

64

3 3

r

a

V

_cubo





%

68

100

3

64

3

8

100

3

64

3

8

100

2 3 2 3 3 3





















r

r

V

V

cubo esferas

 

2 2 2 2 2 2 2 2 2

₄

₂

₃

2

4

a

a

a

r

a

c

c

a

b

r

b



























Li CCC HC Be HC Na CCC Mg HC Al CFC K CCC Ca CFC CCC Sc HC CFC Ti HC CCC V CCC Cr CCC Mn * Fe CCC CFC Co HC CFC Ni CFC Cu CFC Zn HC Ga * Rb CCC Sr CFC HC CCC Y HC CFC Zr HC CCC Nb CCC Mo CCC Tc HC Ru HC Rh CFC Pd CFC Ag CFC Cd HC In * Sn * Sb * Cs CCC Ba CCC La-Lu Hf HC CCC Ta CCC W CCC Re HC Os HC Ir CFC Pt CFC Au CFC Hg * Tl HC CCC CFC Pb CFC Bi * Po * Fr Ra Ac-Lr La HC,HC CFC Ce HC CFC Pr CFC HC, HC Nd CFC HC, HC Pm — Sm * CCC Eu CCC Gd HC Tb HC Dy HC Ho HC Er HC Tm HC Yb HC Lu HC Ac CFC Th CFC CCC Pa * U * CCC Np * Pu * CFC CCC Am — Cm — Bk — Cf — Es — Fm — Md — No — Lr —

Teoria das bandas

Banda de energia

(muitos níveis com DE muito pequeno): Quase-contínuo

1 2 3 4 5 ... n

DE₂ DE₁ ₂ 1 _{A B} H H H H E2 E1 r0

Teoria das bandas

Para n átomos:

Bandas de energia (permitidas) e hiatos (gaps, ou bandas proibidas)

1s 2s 2p Energia r r₀ r₁

1s 2s 2p Energia r r₀ r₁ Níveis de energia à distância r₀ Bandas permitidas Bandas proibidas Nível permitido

Teoria das bandas

Para n átomos:

Bandas de energia (permitidas) e hiatos (gaps, ou bandas proibidas)

1s 2s 2p Energia r r₀ r₁ Níveis de energia à distância r₀ Bandas permitidas Bandas proibidas Nível permitido

Teoria das bandas

Para n átomos:

Bandas de energia (permitidas) e hiatos (gaps, ou bandas proibidas)

Níveis de energia à distância r₁ Bandas permitidas SOBREPOSTAS Banda proibidas Nível permitido

Teoria das bandas

banda de condução, 3p vazia bandas proibidas banda de valência, 3s semi-preenchida e

sobreposição com a banda de condução, 3p vazia banda, 2p completamente preenchida nível 2s, preenchido nível 1s, preenchido

É o caso do Na (e dos metais alcalinos em geral)

Banda incompletamente preenchida Níveis de E vazios facilmente acessíveis para os e-_’s Condutividade eléctrica Brilho metálico

+ + + + + + + + + +

-Corrente eléctrica (por convenção)

+

-Potencial eléctrico → e-_{’s ganham velocidade → aumenta a E → níveis acessíveis}

Banda de valência incompletamente preenchida

Brilho e condutividade

1010 105 100 10-5 10-10 10-15 10-20 Condutividade / -1 m-1 Cobre e ouro Ferro Chumbo Bismuto

Silício e Germânio com impurezas Ferrites Silício Cloreto de sódio Vidro Diamante Sílica fundida Poliestireno Condutores Semicondutores Isolantes

bandas proibidas banda de valência, completamente preenchida

níveis completamente ocupado por electrões banda de condução, vazia

DE

bandas proibidas banda de valência, completamente preenchida

níveis completamente ocupado por electrões banda de condução, incompletamente preenchida ou

sobreposta com a banda de valência

Re Ta Ag Pd Rh Ru Y Sr Rb Cu Ni Sc Ca K Ti V Cr Mn Fe Co Zn Zr Nb Mo Tc Cd Cs Ba La Hf W Os Ir Pt Au Hg 0 1000 2000 3000 4000 P on to d e fu sã o / K Re Ta Ag Pd Rh Ru Y Sr Rb Cu Ni Sc Ca K Ti V Cr Mn Fe Co Zn Zr Nb Mo Tc Cd Cs Ba La Hf W Os Ir Pt Au Hg 0 50 100 150 200 250 E n er gi a d e co es ão / k ca l m ol -1 Energia de coesão Ponto de fusão Níveis antiligantes Níveis ligantes

Grau de preenchimendo da banda d

Semipreenchida:

Máximo de níveis ligantes ocupados e níveis antiligantes vazios

Avaliação de Propriedades Físicas

PF, PE, viscosidade, dureza, etc.

PF

Substâncias

moleculares

H₂O, O₂, etc. Forças intermoleculares: Lig. H > Forças vdW

Forças de vdW: Nº de e-’s (a) excepto

para moléculas pequenas (< 15 e-_’s)

muito polares (m).

Metais

Fe, Co, Zn, etc.

Sólidos Iónicos

NaCl, CaCl₂, etc.

Energia reticular, U

(atracção entre iões opostos)

grau de preenchimento da banda d

Sólidos

Covalentes

diamante, grafite (C), SiO₂, Si, Ge, ZnS, etc.

ligações covalentes direccionais (3D)

Ligas metálicas

Propriedade Variação

do metal para a liga

Exemplos e excepções Importância especial

Temperatura de fusão diminui Fe puro – 1540°C

Fe + 3%C – 1150 a 1250°C Excepção importante:

o P.F. do Cu é aumentado ao formar uma liga com o Ni.

Torna mais fácil a fusão e a moldagem de peças metálicas. A liga de Wood (Bi, Pb, Sn e Cd) funde a 71°C e é usada em alarmes automáticos contra incêndios.

Resistividade eléctrica aumenta A presença de 0,004% P aumenta a resistividade do Cu puro em 5%. Cu puro – 1,67 m cm Cu + 30% Zn – 6,2 m cm Aplicação em aquecedores eléctricos de resistência.

Propriedades muito diferentes dos metais puros Importância tecnológica

Por exemplo:

Preparam-se por fusão conjunta dos metais

Ligas metálicas Misturas metálicas (polifásicas) Soluções sólidas (monofásicas) Compostos intermetálicos Grânulos discretos (metais mutuamente insolúveis), p.e. Bi-Cd

Soluções sólidas de substituição

Soluções sólidas intersticiais

Ocupação pelo “soluto” de posições na rede cristalina do “solvente”

Ocupação pelo “soluto” de cavidades

intersticiais na rede cristalina do “solvente”

Metais reagem entre si (c’s ≠s) e originam compostos bem

Liga de Substituição

– substituição de posições da rede cristalina

por átomos de outro(s) metais

Liga Intersticial

– átomos não metálicos ocupam os interstícios da

rede cristalina (hidrogénio, carbono ou azoto)



se o raio do não metal for inferior ao raio do interstício a solubilidade

desse elemento corresponde ao preenchimento de todos os interstícios

Soluções Sólidas – a liga é constituida por uma só fase, isto é, os constituintes não se conseguem distingir. Estas soluções formam-se por arrefecimento da mistura fundida.

 Os metais permanecem dissolvidos uns nos outros, designando-se por solvente o constituinte em maior quantidade e soluto o que se encontra em menor quantidade

Estrutura ordenada Estrutura desordenada

Soluções sólidas de substituição

Pb Ag Pd Pt Au Ni Al 0 50 100 0.7 0.85 1 1.15 1.3 rM/rCu So lu bi li da de M áx im a (% a tó m ic a)

r_M’s, c’s, estruturas cristalinas, nº e-_{’s valência}

semelhantes

Liga intersticial

- forma-se

quando um átomo de raio

suficientemente pequeno se

aloja num "buraco" intersticial

de uma estrutura de metal.



Exemplos de pequenos

átomos:

hidrogénio, boro,

carbono e azoto

.



Apresentam importância industrial, como por exemplo,

alguns carbonetos e nitretos de metais de transição.

Metais com elementos não metálicos (p.e.: H, C, N)

Compostos Intermetálicos - formam-se quando se fundem conjuntamente certos metais, que reagindo entre si fomam compostos bem definidos em que os elementos se encontram em proporções fixas.

Exemplo: Mg₃Sb₂; Mg₂Sn

 Formam-se quando a diferença de electronegatividades é elevada . Normalmente tendem a tornar-se frágeis comparativamente aos metais puros.