aula estrutura cristalina_588048799

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ESTRUTURA
CRISTALINA
Ana Paula A.
Manfridini
Dependendo da composição química ou do
processo de fabricação os átomos nos
processos de solidificação ou nos tratamentos
térmicos podem se arranjar de maneira
ordenada (estrutura cristalina) ou
desordenada (estrutura vítrea).
Estrutura cristalina: compostos de átomos,
moléculas ou íons arranjados de uma forma
periódica em 3 dimensões. As posições que são
ocupadas seguem uma ordenação que se repete ao
longo de grandes distâncias. Distância entre planos
de átomos iguais.
Materiais vítreos (amorfos): compostos por
átomos, moléculas ou íons que não apresentam uma
ordenação de longo alcance. Distância entre planos
atômicos diferentes.
Tipos de sólidos
cristalinos
Tipos de sólidos
cristalinos
A grande maioria dos sólidos é cristalina. Os cristais
encontrados na natureza tiveram um crescimento muito lento
ao longo dos processos geológicos e são geralmente muito
maiores que os produzidos sinteticamente.
Alguns sólidos, como os vidros e as resinas termorrígidas são
totalmente amorfos. Outros, como muitos termoplásticos
apresentam regiões cristalinas em uma matriz amorfa.
vidr
os
borrac
ha
parafi
na
❖ A estrutura física dos materiais sólidos depende
fundamentalmente do arranjo estrutural de seus
átomos, íons ou moléculas.
❖ A grande maioria dos materiais comumente
utilizados em engenharia, particularmente os
metálicos, exibe um arranjo geométrico de seus
átomos bem definido, constituindo uma estrutura
cristalina.
❖ O estudo da estrutura interna dos materiais
necessita da utilização de 7 arranjos atômicos
básicos, que podem representar as estruturas de
todas as substâncias cristalinas conhecidas.
Sólidos
cristalinos
Redes de
Bravais
Idealmente, o arranjo mais estável dos átomos em
um cristal será aquele que minimiza a energia
livre por unidade de volume ou, em outras
palavras, aquele que:
• Preservar a neutralidade elétrica;
• Satisfazer o caráter direcional das ligações
covalentes;
• Minimizar a repulsão íon-íon;
• Ajustar os átomos do modo mais compacto
possível.
Estrutura Cristalina nos Materiais
Metálicos
As ligações metálicas por não apresentarem caráter
direcional, não impõem restrições a átomos
vizinhos e por serem formados por átomos iguais
ou semelhantes, cristalizam-se em estruturas
simples e compactas. Os metais se cristalizam nas
seguintes estruturas:
• Hexagonal Compacta;
• Cúbica de Face Centrada;
• Cúbica de Corpo Centrado.
Conceitos fundamentais
Estrutura cristalina: forma pela qual os átomos,
íons ou moléculas do material estão
espacialmente arranjados.
Rede cristalina: arranjo tridimensional de pontos
que coincidem com as posições dos átomos, íons
ou moléculas centrais do material.
Células unitárias: é a menor estrutura repetitiva
da rede ou estrutura cristalina e define a
estrutura cristalina em termos de sua geometria.
Cúbica de Corpo Centrada -
CCC
Apresenta átomos localizados no vértice do
cubo e no centro do cubo.
Modelo demonstrando
a posição dos átomos
da Estrutura CCC
Célula Unitária –
Estrutura CCC
Cúbica de Corpo Centrada -
CCC
• Nº de átomos dentro da célula
unitária:
 1/8 de átomo nos vértices e 1 no
centro: 8x1/8+1 = 2 átomos
 
Obs: a é chamado de parâmetro de rede e descreve o tamanho e o
formato da célula
Unitária, inclui as dimensões e ângulos entre as arestas.
Cúbica de Corpo Centrada -
CCC
No Coordenação (NC) : número de
vizinhos mais próximos de um dado
átomo em uma dada estrutura espacial.
NC CCC= 8 átomos
 
FEA CCC = 0,68
Estrutura CCC: Fe, Nb,
Cr
Cúbica de Face Centrada -
CFC
Apresenta átomos no vértice do cubo e no centro
das faces.
Estrutura CFC Modelo demonstrando a
posição dos átomos da
Estrutura CFC
Célula unitária
Estrutura CFC
Cúbica de Face Centrada -
CFC• Nº de átomos dentro da célula unitária:
1/8 de átomo nos vértices + 1/2 dos átomos da face:
8 x (1/8) + 6 x (1/2) = 4 átomos
 
Cúbica de Face Centrada -
CFC
No Coordenação (NC): 12
átomos
(4 átomos nos vértices ao seu
redor +
4 átomos da face de trás + 4
átomos da
face da frente)
FEA:
0,74
Estrutura CFC: Cu, Au, Ag,
Al
Estrutura Hexagonal
Compacta
Estrutura
HC
Modelo demonstrando a
posição dos
átomos da estrutura HC.
Estrutura Hexagonal
Compacta
No Coordenação (NC): 12
átomos
FEA:
0,74
Razão c/a =
1,633
Nº de átomos dentro da célula
unitária:
(1/6) x 12 + (1/2) x 2 + 3 = 6 átomos
 Polimorfismo e
AlotropiaDois cristais são ditos polimorfos quando, embora tenham
estruturas cristalinas diferentes, apresentam a mesma
composição. Quando encontrado em sólidos elementares,
esta condição é conhecida por alotropia.
Ferr
o
Titâni
o
Hibridização
sp3
Hibridização
sp2
ρ = nA
 VCNA
Onde:
n= número de átomos por célula unitária
A= massa molar
VC= volume da célula unitária
NA = número de Avogadro (6,02x1023 átomos/
mol)
Cálculo da densidade teórica de um sólido
metálico
Densidade dos
materiais
1. Calcular o volume de uma célula unitária CFC em
termos do raio atômico R.
 
Exercíci
os
2. Mostre que o fator de empacotamento atômico
para a
estrutura cristalina CFC é de 0,74.
3. O cobre possui um raio atômico de 0,128nm (1,28 Å ),
uma
estrutura cristalina CFC, e uma massa molar de 63,5 g/
mol. Calcule a sua densidade e compare a resposta com
sua densidade medida experimentalmente (8,94g/cm3).
4. O ferro passa de ccc para cfc a 910 ºC. Nesta
temperatura os raios atômicos são respectivamente ,
1,258 Å e 1,292 Å. Qual a variação de volume
percentual provocada pela mudança de estrutura?
⬥ Vccc= 2a3 Vcfc= a3
accc= 4R/ (3)1/2 acfc = 2R (2)1/2
 Vccc= 49,1 Å3 Vcfc= 48,7 Å3
V%= 48,7 - 49,1 /48,7 = - 0,8% de variação
Para o cálculo foi tomado como base 2 células unitárias ccc, por isso
Vccc= 2a3
uma vez que na passagem do sistema ccc para cfc há uma
contração de volume.
CCC CFC HC
N° átomos 2 4 6
Rel.parâmetro
rede
a = 4R/√3 a = 2R√2 c/a = 1,633
FEA 0,68 0,74 0,74
Estrutura Cristalina nos Materiais
Iônicos
A estrutura cristalina dos materiais iônicos, por exemplo nos
cerâmicos, depende das características dos íons que o
compõem:
❖ a magnitude da carga elétrica em cada um dos íons
correspondentes;
determinado pela neutralidade
da carga
❖ Os tamanhos relativos dos cátions e dos ânions.
Estruturas estáveis são aquelas com o maior número de
vizinhos de carga oposta.
O nº de coordenação está relacionado com a razão entre o raio
do cátion e do ânion.
Números de coordenação e geometrias para várias razões entre
os raios do cátion e do ânion (rc/ra)
Algumas substâncias, em particular materiais orgânicos, não
apresentam uma simples transição entre as fases cristalina
(sólida) e isotrópica (líquida). Eles apresentam uma nova
fase que possui propriedade mecânica e de simetria
intermediária entre as fases sólida e líquida. Por esta razão,
esta nova fase é chamada de cristal líquido.
Cristal
Líquido
Novos
materiais
Os cristais-líquidos são utilizados como sensores de
pressão e temperatura, e como visores de televisão,
notebooks, palm tops, celulares, calculadoras etc...
São utilizados em tais dispositivos, pois as fracas
interações intermoleculares características dos cristais-
líquidos os tornam sensíveis a variações de
temperatura, pressão e campos magnéticos.
Cristal
Líquido
Novos
materiais
Vidros
Metálicos
Fonte da imagem: (Reprodução/Universidade de
Yale)
• Quando um metal líquido é resfriado abaixo da sua temperatura de
fusão, inicia-se um processo de nucleação dos átomos, que se
posicionam de modo a formar uma estrutura ordenada que se repete
por todo o volume do material; o sólido assim formado é chamado de
cristal. Esse processo é o que geralmente ocorre em metais.
• Entretanto, sob certas condições, é possível a obtenção de ligas
metálicas, a partir do estado líquido, cujos átomos, ao invés de se
agruparem ordenadamente, o fazem de modo aleatório. Esses sólidos
são chamados de VIDROS. (W.B. Castro; B.A. Luciano)
Taxa de resfriamento
superior a106 ºC/s
Novos
materiais
Vidros
Metálicos
• Como os vidros metálicos são constituídos por elementos
metálicos, eles apresentam elevada condutividade elétrica e
térmica, assim como são dúcteis.
• Não são transparentes, nem frágeis. Mostram qualidades
particulares como a facilidade de magnetização, elevada
dureza, resistência à corrosão e expansão térmica reduzida.
• Aplicação: lâmina de barbear, vasos de reatores, células
eletrolíticas, bio-implantes, fabricação de transformadores
elétricos, componentes de relógio, artigos esportivos,
transdutores magnéticos...
Novos
materiais