Estruturas Cristalinas em Química

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UNIVERSIDADE FEDERAL RURAL DO SEMI-ÁRIDO 
Bacharelado em Ciência e Tecnologia
Campus Caraúbas - RN
Química Aplicada à Engenharia
Profa. Dra. Juliana Ricardo de Souza
ESTRUTURAS CRISTALINAS 
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Introdução
O termo “CRISTAL”: também é aplicado a outros minerais com características geométricas definidas.
Diversas substâncias formadas por cristais, têm faces planas e ângulos definidos entre uma face e outra.
Nicolaus Steno (1660): cristais preservam tais ângulos ao crescerem e tal crescimento ocorre com a adição de camadas externas de átomos ou moléculas e não através de um crescimento interno.
Forma geométrica externa: consequência do arranjo interno dos átomos ou moléculas.
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Introdução
Vanadinita
Rutilo
Magnetita
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Introdução
Os materiais SÓLIDOS podem ser classificados de acordo com a regularidade pela qual seus átomos ou íons estão arranjados uns em relação aos outros.
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Introdução
Um MATERIAL CRISTALINO é aquele no qual os átomos estão posicionados em um arranjo repetitivo ou periódico ao longo de grandes distâncias atômicas.
Todos os metais, muitos materiais cerâmicos e certos polímeros formam estruturas cristalinas sob condições normais de solidificação.
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Introdução
Algumas propriedades dos sólidos cristalinos dependem da ESTRUTURA CRISTALINA do material, ou seja, da maneira segundo a qual os átomos, íons ou moléculas estão arranjados no espaço.
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Introdução
Na descrição das estruturas cristalinas, os átomos (ou íons) são considerados como esferas sólidas com diâmetros bem definidos. Isto é conhecido como MODELO ATÔMICO DA ESFERA RÍGIDA.
As vezes, o termo REDE CRISTALINA é usado no contexto das estruturas cristalinas; nesse sentido, rede cristalina significa um arranjo tridimensional de pontos que coincidem com as posições dos átomos. 
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Células Unitárias
Células Unitárias são pequenos grupos de átomos que formam um padrão repetitivo.
Ela é a unidade estrutural básica que define a estrutura cristalina em virtude de sua geometria e das posições dos átomos no seu interior.
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Sistemas Cristalinos
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Sistemas Cristalinos
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Estruturas Cristalinas Compactas
Auguste Bravais sugeriu a existência de 14 tipos de arranjos cristalinos, porém, alguns desses ocorrem com maior frequência que outros. 
A maioria dos elementos, principalmente aqueles com caráter metálico elevado, transforma-se de líquido para sólido assumindo estruturas altamente densas.
Auguste Bravais (1811 – 1863)
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Estruturas Cristalinas Compactas
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Estruturas Cristalinas Compactas
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Estruturas Cristalinas Compactas
Uma avaliação mais aprofundada dos arranjos cristalinos de Bravais revela que as estruturas:
Cúbica de Corpo Centrado (CCC), 
Cúbica de Face Centrada (CFC) e 
Hexagonal Compacta (HC) 
são aquelas que permitem maior grau de EMPACOTAMENTO ATÔMICO.
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Cúbica Simples
O arranjo CÚBICO SIMPLES (CS), apesar de pertencer às estruturas cúbicas, não permite alto grau de empacotamento. 
Entretanto, a análise desse arranjo é importante no estudo das outras estruturas cúbicas. 
Nesse arranjo atômico, existe apenas um átomo em cada vértice do cubo.
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Cúbica Simples
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No arranjo CÚBICO DE CORPO CENTRADO (CCC) existe um átomo em cada vértice de um cubo e um outro átomo no centro do mesmo.
Esta estrutura pode ser encontrada no cromo, vanádio, zircônio, tungstênio, bário, nióbio, lítio, potássio, etc.
Cúbica de Corpo Centrado
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Cúbica de Corpo Centrado
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O arranjo CÚBICO DE FACE CENTRADA (CFC) caracteriza-se por exibir os mesmos átomos nos vértices, encontrados nos outros dois arranjos cúbicos anteriores, e mais um átomo em cada face do cubo. 
A estrutura cúbica de face centrada é a estrutura do alumínio, cálcio, chumbo, níquel, cobre, platina, prata, ouro, etc.
Cúbica de Faces Centradas
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Cúbica de Faces Centradas
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A estrutura HEXAGONAL COMPACTA (HC) é formada por dois hexágonos sobrepostos e entre eles existe um plano intermediário de três átomos. 
Nos hexágonos, existem seis átomos nos vértices e um outro no centro.
Hexagonal Compacta
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Hexagonal Compacta
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Hexagonal Compacta
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Hexagonal Compacta
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Exemplos
Enxofre cristalizado produz belas ‘agulhas´ que ocorrem em uma cristalização MONOCLÍNICA.
A imagem foi obtida após uma solidificação de enxofre fundido.
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Exemplos
Este é um mineral conhecido como ESTIBINA, composto de sulfeto de antimônio (III), Sb2S3, é uma das maiores amostras do mundo e está exposta no American Museum of Natural History.
Provavelmente foi formada a 130 milhões de anos, originando camadas compactas de estibina e regiões onde foi possível surgir longos e belos cristais.
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Exemplos
Metal BISMUTO tem um padrão de cristalização que facilita muito para conseguir belas imagens.
A manufatura de tais peças é algo que fascina os entusiastas, e quase sempre o elemento recompensa com um padrão de cores iridescentes.
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Exemplos
IODO em cristais, cuja amostra foi purificada por sublimação e recristalização.
O vapor de iodo tem uma coloração rosa e neste caso é possível ver uma coloração escura, quase metálica, nos cristais de iodo.
Os cristais parecem ser grandes pela proximidade da fotografia.
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Cálculos 
Uma das mais importantes características de uma estrutura cristalina é o FATOR DE EMPACOTAMENTO ATÔMICO (FEA).
O FEA é a soma dos volumes das esferas de todos os átomos no interior de uma célula unitária (assumindo o modelo atômico de esferas rígidas) dividida pelo volume de célula unitária.
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Cálculos CFC
FEA = 0,74
VÍDEO
https://www.youtube.com/watch?v=J28C3qGPxmo
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Cálculos CCC
FEA = 0,68
https://www.youtube.com/watch?v=SlQ2FjhM5KM
VÍDEO
https://www.youtube.com/watch?v=SlQ2FjhM5KM
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Cálculos HC
1/6
https://www.youtube.com/watch?v=bU33ATF_b2g
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Cálculos HC
1/6
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Cálculos HC
c/a = 1,63 (ideal)
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Cálculos de 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)
O conhecimento da estrutura cristalina de um sólido metálico permite o cálculo de sua massa específica teórica (ρ).
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Cálculos de Massa Específica
Exemplo: O cobre possui um raio atômico de 0,128 nm, uma estrutura cristalina CFC e um peso atômico de 63,5 g/mol. Calcule a sua massa específica teórica e compare sua resposta com sua massa específica medida.
Massa específica medida = 8,94 g/cm3.
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Polimorfismo e Alotropia
Alguns metais, assim como alguns ametais, podem ter mais do que uma estrutura cristalina, um fenômeno conhecido como POLIMORFISMO.
Quando encontrada em sólidos elementares, essa condição é frequentemente denominada ALOTROPIA.
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Polimorfismo e Alotropia
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Polimorfismo e Alotropia
(a) diamante, (b) grafite, (c) diamante hexagonal (Lonsdaleite), (d) C60 (fulereno), (e) C540, (f) C70, (g) carbono amorfo, (h) nanotubo de carbono
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Polimorfismo e Alotropia
A grafita é o polimorfo estável sob condições ambientais.
O diamante é formado sob pressões extremamente elevadas.
Já o ferro possui uma estrutura cristalina CCC, à T ambiente, que se altera para uma estrutura CFC (912°C).
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Estruturas Cristalinas Compactas
É a forma mais eficiente de empacotamento de esferas ou átomos do mesmo tamanho.
FEACFC = FEAHC = 0,74
Ambas as estruturas cristalinas podem ser geradas pelos empilhamento desses planos compactos, uns sobre os outros, a diferença entre as duas está na sequência desse empilhamento.
Planos Compactos de Átomos
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Materiais Cristalinos e Não Cristalinos
 Monocristais
Em um sólido cristalino, quando o arranjo periódico e repetido dos átomos é perfeito ou se estende por toda a amostra, sem interrupções, o resultado é um MONOCRISTAL.
Materiais Cristalinos e Não Cristalinos
 Materiais Policristalinos
A maioria dos sólidos cristalinos são compostos por um conjunto de muitos cristais pequenos ou grãos, tais materiais sãochamados de POLICRISTALINOS. 
(a) Núcleos cristalinos pequenos;
(b) Crescimento dos cristalitos; 
(c) Ao término da solidificação, grãos tendo formas irregulares se formado. 
(d) A estrutura do grão, linhas escuras estão nos contornos de grão. 
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Difração de Raios X
 O Fenômeno da difração
 
A difração ocorre quando uma onda encontra uma série de obstáculos regularmente espaçados que são capazes de dispersar a onda e que possuem espaçamentos comparáveis em magnitude ao comprimento de onda. 
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Difração de Raios X
Se a LEI DE BRAGG não for satisfeita, a interferência será de natureza não-construtiva e será produzido um feixe de difração de intensidade muito baixa. Ela especifica quando a difração irá ocorrer para células unitárias que possuem átomos posicionados somente nos vértices.
Para átomos situados em outras posições, podem produzir uma dispersão fora de fase. O resultado é a ausência de alguns feixes difratados que deveriam estar presentes. 
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Difração de Raios X
Padrão de difração (difratograma) para uma amostra de chumbo pulverizado:
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Sólidos Não Cristalinos
SÓLIDOS NÃO CRISTALINOS ou AMORFOS são sólidos carentes de um arranjo atômico regular e sistemático ao longo de distância atômicas relativamente grandes. 
Dióxido de silício cristalino 
Dióxido de silício não cristalino 
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