2.0- Cap.s 02 e 03 - SIST.S E ESTRUT.S CRISTALINAS

(1)

2- Cap.s 2 e 3 Sist.s e Estruturas Cristalinas

CCC

CFC

Estruturas Cristalinas

Amorfo

Livro: CIÊNCIA E ENGENHARIA DE MATERIAIS UMA INTRODUÇÃO William D. Callister, Jr.

Associação Brasileira de Incentivo à Ciência

(2)

Cristalografia dos Metais

Os átomos são unidades estruturais de todos os materiais.

São de tamanho microscópico, cerca de 2 a 5 Å (angström).

1 Å = 10

-10

m.

Nanotecnologia

1nm = 10

-9

m

Níveis de energia dos elétrons

Um átomo tem um diâmetro de cerca de 0,1 nm.

O núcleo de um átomo é muito menor - cerca de 0,00001 nm. Átomo de Bohr

em 1913

(3)

Número atômico, Z é o número de prótons encontrados

no núcleo de um átomo.

Cada elemento químico é caracterizado por um número

atómico diferente.

Este número é constante para cada elemento químico.

Em um átomo neutro o número atômico é igual ao

número de elétrons, o mesmo não acontece nos íons.

(4)

Massa atômica é a soma dos prótons com os neutros.

REVISÃO DE CONCEITOS QUÍMICOS E FISÍCOS

Unidade de massa atômica

Na convenção da IUPAC (União Internacional de Química Pura e

Aplicada) realizada em 1961, adotou-se como unidade padrão para

massa atômica o equivalente a 1/12 da massa do isótopo 12 do

elemento carbono.

Massa atômica

A = Z + N

Número atômico

Z = P

(5)

(6)

NANOTECNOLOGIA

A nanotecnologia é a capacidade potencial de criar coisas a partir do mais pequeno.

1nm = 10-9 _m

(7)

Átomo de Ferro: Fe = 2+8+14+2 = 26

Quanto maior o raio atómico, menor a atração que o

núcleo do átomo exerce sobre o elétron que vai adquirir.

(8)

O número máximo de elétrons (z) em cada nível de energia

Camada nº quântico principal nº máximo de elétrons (z= 2n²)

K 1 z = 2 x 1² = 2 L 2 z = 2 x 2² = 8 M 3 z = 2 x 3³ = 18 N 4 z = 2 x 4² = 32 O 5 32 P 6 18 Q 7 2

P.S.: Nas últimas camadas, o numero é diferente do dado pela fórmula pois nelas o número máximo teórico, dado pela fórmula, não condiz com o real, mostrado na tabela.

(9)

Por exemplo, um átomo de cobre tem um elétron de valência o que faz com que ele ceda com muita facilidade esse elétron (elétron livre).

Os átomos com 1, 2 ou 3 elétrons de valência têm uma certa facilidade em cedê-los já que a sua camada de valência está muito incompleta (para estar completa deveria ter 8 elétrons de valência).

Z = 29(prótons), N = 34(nêutrons), 29 Elétrons

(10)

GÁS LÍQUIDO SÓLIDO

(11)

Há 4 tipos de ligações que mantém os átomos dos sólidos sempre

unidos.

1- IÔNICA

2- COVALENTE

3- WAN DER WAALS

4- METÁLICA

Vários desses tipos de ligações são encontradas nos sólidos;

entretanto as ligações metálicas são predominantes nos metais

A eletronegatividade dos átomos é o que determina o tipo de

ligação.

LIGAÇÕES ATÔMICAS:

Uma medida qualitativa da ionicidade de uma ligação química é fornecida

por meio de uma escala de eletronegatividade, também denominada

de caráter ametálico, é uma propriedade periódica que mede a tendência

de um átomo, de uma ligação química, em ganhar elétrons

(12)

ELETROPOSITIVIDADE

(CONTRARIA DE ELETRONEGATIVIDADE)

A eletropositividade está relacionada ao caráter metálico, pois os

metais têm tendência a perder elétrons.

A eletropositividade aumenta com o aumento do raio atômico,

ou seja, na Tabela Periódica, a eletropositividade aumenta da

direita para a esquerda e de cima para baixo:

(13)

LIGAÇÃO IÔNICA

LIGAÇÃO IÔNICA: Atração mútua entre íons positivos e negativos

(atração eletrostática)

Exemplos: NaCl, Cloreto de Sódio: Na

+

_{+ Cl}

-

_NaCl

MgCl

₂

,Cloreto de Magnésio: Mg

2+

_+2CL

-

_MgCl

2

(14)

LIGAÇÃO IÔNICA

(15)

LIGAÇÃO COVALENTE (atração magnética)

Formada entre não metais compartilhamento de elétrons entre 2 átomos

Ex: H

₂

O e CH

₄ Molécula de água H₂O O: 2,6 H: 1 Molécula de Metano – CH₄ C: 2,4 H:1

Camadas com nº máximo: 2,8,18,32,9,2

(16)

LIGAÇÃO COVALENTE - MOLECULARES

(17)

Química Orgânica

é a parte da química que estuda os

Compostos de carbono (formação de cadeias).

Compostos diferentes como açúcar e o vinagre têm os mesmos elementos

QUÍMICA ORGÂNICA

Derivados do Petróleo:

 Combustíveis

 Polímeros

Teor de enxofre máximo de 10 mg/kg (S-10).

O Diesel S-10 tem número de cetano de 48 contra 46 do Diesel S-50. O número de cetano mede a qualidade de ignição

(18)

Ligações de Van der Waals:

Polarização eletrônica das moléculas (ligações covalentes)

baixa T de fusão e resistência mecânica, mais fraca das ligações

Ligações de Van der Walls

Átomos

(19)

Devido a mobilidade dos elétrons das últimas órbitas (valência), os metais são bons condutores de calor e eletricidade

LIGAÇÕES METÁLICAS - ELÉTRONS DE VALÊNCIA

Elétrons de valência

(20)

20

7 SISTEMAS CRISTALINOS E 14 REDES BRAVAIS

Cúbico

(a=b=c e ===90°) (a=bc e ===90°) Tetragonal

ORTORRÔMBICO (abc e ===90°) (abc e ==90° e 90°)MONOCLÍNICO TRICLÍNICO (abc e 90°) HEXAGONAL (a1=a2=a3c e ==90° e =120°) ROMBOÉDRICO (a=b=c e ==90°)

(21)

Os metais são materiais cristalinos, ou seja, os seus átomos seguem organização espacial conforme

posições definidas e conforme um determinado Sistema Cristalino. Os principais são:

(22)

CRISTALINO

= ESTRUTURA COM ÁTOMOS ORDENADOS

CÉLULA UNITÁRIA

= O MAIS SIMPLES MODELO CUJA REPETIÇÃO

NO ESPAÇO GERA A ESTRUTURA CRISTALINA

Sistema cúbico simples a=b=c

a= parâmetro da rede

Nenhum metal solidifica seguindo o sistema cúbico simples

(23)

ESTRUTURA CRISTALINA CÚBICA SIMPLES - CS

Qual a Relação de “a” com “r”?

ESTRUTURA CRISTALINA CÚBICA SIMPLES - CS

Qual a Relação de “a” com “r”?

a = parâmetro da rede

R = raio do átomo

a = 2r

Volume = a

3

= 8r

3

a

_CS

= 2r

Distância atômica, angstrom, 1 Å = 10-10_{m = 10}-8_cm

Angstrom é a unidade de medida comumente utilizada para lidar

com grandezas da ordem do átomo ou dos espaçamentos entre dois planos cristalinos

(24)

QUAL A PARTICIPAÇÃO EM VOLUME DE

CADA ÁTOMO NA CÉLULA UNITÁRIA?

(25)

25

ESTRUTURA CRISTALINA CÚBICA SIMPLES



Apenas 1/8 de cada átomo cai

dentro da célula unitária, ou

seja, a célula unitária contém

apenas 8x1/8 = 1 átomo.



Essa é a razão que os metais

não cristalizam na estrutura

cúbica simples (devido ao baixo

empacotamento atômico).

Parâmetro da rede a

(26)

26

ESTRUTURA CRISTALINA CÚBICO SIMPLES -

CS

ESTRUTURA CRISTALINA CÚBICO SIMPLES -

CS

FATOR DE EMPACOTAMENTO, FE = VOLUME DOS ÁTOMOS VOLUME DA CÉLULA UNITÁRIA

Parâmetro da rede a

1/8

FE = 8 X 1/8 X 4/3  R3

a3

VOLUME DA CÉLULA UNITÁRIA, a3 = 8R3

FE= 4/3  R3_{= 0,52 ou 52%}

(27)

DIREÇÕES E PLANOS CRISTALOGRÁFICOS

Direção compacta Plano compacto? Plano compacto (três direções compactas) x y z [111]

(28)

ESTRUTURA CRISTALINA CÚBICO SIMPLES- CS

3 direções compactas: x,y e z

Nenhum plano compacto

Quantas direções compactas e quantos planos compactos

existem no Cúbico Simples?

(29)

Estrutura Cristalina Cúbica de Faces Centradas - CFC

a= 3,66Aº

O parâmetro da rede do Ferro puro à temperatura de 1.200ºC é de aproximadamente de 3,66Aº.

Relação de “a” com “R”:

(4R)

2

=2a

2

(30)

ESTRUTURA CÚBICA DE FACES CENTRADAS - CFC

6 DIREÇÕES COMPACTAS (DIAGONAIS DAS FACES) 4 PLANOS COMPACTOS

Direções compactas Planos compactos

Quantas direções compactas? Quantos planos compactos?

FE = (8x1/8 +6x1/2) 4/3 R

3

_{= 0,74 ou 74%}

(4R/2)

3

FE = volume dos átomos

volume da célula unitária

(31)

METAIS CFC

Com tantas direções e planos compactos, o cisalhamento de

planos atômicos ocorre com facilidade, consequentemente

os metais “CFC” são menos resistentes, mais dúcteis, mais

condutores de calor e de eletricidade.

Metais “CFC” : Au, Ag, Cu, Al, Ni, Pb e Fe

.

Sequência de Empilhamento: ABC, ABC, ABC

Azul, Amarelo e Vermelho...

(32)

Material Condutividade Elétrica [(

.m)

-1

_]

Prata 6,8 x 10

7

Cobre puro 6,0 x 10

7

Ouro 4,3 x 10

7

Alumínio 3,8 x 10

7

Constantan 2,0 (S.m/mm

2

₎

Mercúrio 1,0044

Grafite 0,07

Fio de cobre

Tabela de Condutividades Elétricas e Resistividade

Pepita de ouro

A unidade de resistividade é m = 106 mm2/m

Ouro

(33)

Estrutura Cristalina Cúbica de Corpo Centrado- CCC

a= 2,86A°

Relação de “a” com “R”:

O parâmetro de rede do Ferro puro, a temperatura ambiente, é de 2,86Aº.

(4R)

2

=a

2

+ 2a

2

= 3a

2

(34)

ESTRUTURA CÚBICA DE CORPO CENTRADO - CCC

Fator de Empacotamento:

FE = volume dos átomos

volume da célula unitária

FE = (8x1/8 +1) 4/3R

3

= 0,68 ou 68%

(4R/

3)

3 Direções Compactas SIM Planos Compactos NÃO

4 DIREÇÕES COMPACTAS

(DIAGONAIS DO CUBO)

NENHUM PLANO COMPACTO

1/8 de átomo

(35)

METAIS CCC

Como se trata de um sistema com poucas direções

compactas e nenhum plano compacto, o cisalhamento

de planos atômicos é mais difícil, conseqüentemente

os metais “ccc” são mais resistentes, menos dúcteis,

menos condutores de calor e eletricidade.

(36)

ESTRUTURA CRISTALINA HEXAGONAL COMPACTA- HC

A  B  A 

Sequência de empilhamento: AB, AB, AB...

Quantas direções compactas e planos compactos? 3 DIREÇÕES COMPACTAS

1 PLANO COMPACTO (O PLANO DA BASE)

FE = volume dos átomos volume da célula unitária

FE = 0,74 ou 74%

Portanto os metais “HC” são dúcteis somente no plano da base e resistente em todos os outros planos (difícil de sofrer deformação).

(37)

ESTRUTURA HEXAGONAL COMPACTA, HC

F

(38)

(39)

Tabela Periódica – Aplicações - Sistemas Cristalinos

Dos 116 elementos conhecidos hoje, 81 são metálicos

Pb nº atômico 82 Au nº atômico 79 (alquimia, pedra filosofal)

(40)

ALQUIMIA

Alquimia é uma prática antiga que combina elementos de

Química, Antropologia, Astrologia, Magia, Filosofia, Metalurgia,

Matemática, Misticismo e Religião.

Existem quatro objetivos principais na sua prática. Um deles seria

a transmutação dos metais inferiores ao ouro

O Alquimista – Pintura de Sir William Fettes Douglas (1822 – 1891)

A transmutação do Chumbo em Ouro

Au = 2, 8, 18, 32, 18, 1

Pb = 2, 8, 18, 32, 18, 4

(41)

SISTEMAS CRISTALINOS

(terminologia)

SISTEMAS CRISTALINOS

(terminologia)

PORTUGUÊS ESPANHOL INGLÊS

CCC- Cúbico de Corpo

Centrado CC- Cúbica Centrada BCC- Body Centered Cubic CFC- Cúbico de Face

Centrada CCCCentradas- Cúbica de Caras FCC- Face Centered Cubic HC- Hexagonal

(42)

42

RAIO ATÔMICO E ESTRUTURA CRISTALINA DE ALGUNS

METAIS

RAIO ATÔMICO E ESTRUTURA CRISTALINA DE ALGUNS

METAIS

Fonte: DIETER, G.E. Metalurgia Mecânica.

(43)

Diamante

Diamante versos Grafite

Grafite Grafite

Ambos formados pelo elemento C Ligações covalentes

(44)

Diamante versos Grafite

O diamante, uma das formas alotrópicas do carbono, é o mais duro dos minérios conhecidos, o que lhe confere usos tecnológicos especiais na construção de ferramentas abrasivas. Outra característica é o seu elevado índice de refração, proporcionando-lhe um brilho peculiar devidamente explorado na confecção de joias.

Após longo período de tempo, o diamante converte-se naturalmente em grafite, alótropo termodinamicamente mais estável, sob as condições ambiente.

Brilhante

(45)

Centro Tecnológico da GE no Rio - 02 de Novembro de 2014

Parque Tecnológico da Universidade Federal do Rio de Janeiro (UFRJ) é um dos maiores pólos do tipo no mundo.

"A GE é uma das maiores multinacionais do mundo e terá no Rio de Janeiro uma equipe de 160 pesquisadores dedicados a desenvolver inovações em áreas como petróleo e gás, energia, aviação e turbinas"

(46)

Centro de Software da FCA é inaugurado na Rua do Apolo

(47)

FCA INAUGURA CENTRO DE PESQUISA E

DESENVOLVIMENTO EM PERNAMBUCO

Fiat Chrysler Automobiles (FCA)

OBRIGADO

Roborace é um campeonato de automobilismo de carros autônomos e elétricas.

(48)

Os metais são materiais cristalinos, ou seja, os seus átomos seguem organização espacial conforme

posições definidas e conforme um determinado Sistema Cristalino. Os principais são:

(49)

Os isótopos são dois átomos do mesmo elemento químico com

números de massa (A) diferentes e números atômicos (Z) iguais.

A diferença se encontra no número de nêutrons. Os isótopos podem

diferir em algumas características, como a densidade.

(50)

REVISÃO DE CONCEITOS QUÍMICOS E FISÍCOS

A massa - padrão usada actualmente é

1/12 da massa do átomo de carbono-12.

(51)

Química Inorgânica ou química mineral

estuda os elementos

químicos que não possuem o carbono coordenados em cadeias.

As chamadas "substâncias inorgânicas" são divididas em 4

grupos denominados:

Ácidos

Bases ou hidróxidos

Sais

Óxidos.

QUÍMICA INORGÂNICA

Os ácidos possuem pH menor que 7, enquanto as bases possuem pH maior que 7.

(52)

Toda substância que libera íons de hidrogênio (H

+

_{) em meio aquoso;}

Formam soluções aquosas condutoras de eletricidade;

Possuem sabor azedo;

Possuem várias utilizações nos meios de saúde, alimentar, industrial e

beleza.

Ácidos

(53)

Ácidos

Todos os ácidos são moleculares, ou seja, formados por ligações covalentes em que há compartilhamento de elétrons.

(54)

Ácido sulfúrico

O ácido sulfúrico, H₂SO₄, é um ácido mineral forte. É solúvel na água em qualquer concentração.

O ácido sulfúrico tem várias aplicações industriais e é produzido em quantidade maior do que qualquer outra substância (só perde em quantidade para a água). A produção mundial em 2001 foi de 720 milhões de toneladas, com um valor aproximado de 8 bilhões de dólares.

O principal uso engloba a fabricação de fertilizantes, o processamento de minérios, a síntese química, o processamento de efluentes líquidos e o refino de petróleo.

Uma característica peculiar ao ácido sulfúrico é quanto ao seu comportamento relacionado à concentração.

Quando diluído (abaixo de concentrações molares de 90%), a solução assume caráter de ácido forte e não apresenta poder desidratante.

Por outro lado, quando é concentrado (acima de 90%), deixa de ter caráter ácido e acentua-se o seu poder desidratante. Soluções concentradas deste ácido