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CIÊNCIA DOS MATERIAIS Estrutura Cristalina I Fonte: https://www.rmit.edu.au/study-with-us/science/applied-science CONTEÚDO ABORDADO ESTRUTURA DOS SÓLIDOS CRISTALINOS Revisão; Definição; Tipos de estruturas cristalinas; Densidade teórica e fator de empacotamento das estruturas cristalinas; Pontos, direções e planos cristalinos; Densidade e fator de empacotamento linear e planar e distância interplanar; Defeitos cristalinos. 4 2 revisão METAIS: Ligações iônicas (elementos metálicos e ametálicos) e Metálicas (apenas metais) – Capacidade de perder elétrons; POLÍMEROS: Ligações covalentes – Compartilhamento de 1 ou + pares de elétronsentre átomos; CERÂMICAS: Ligações iônicas. No caso dos vidros as ligações são covalentes pois a ≠ de eletronegatividade é pequena e o caráter iônicoé baixo, resultando no compartilhamento de elétrons. Fases: Cristalina, Vítrea e Porosa. Lig. Iônicas – Não Direcionais Lig. Covalentes – Altamente Direcionais Lig. Metálicas – Não Direcionais DEFINIÇÃO COMO OS ÁTOMOS ESTÃO DISTRIBUÍDOS NO ESPAÇO? Os átomos podem estar posicionados no espaço de forma organizada ou desorganizada: ARRANJO ÁTÔMICO CRISTALINO AMORFO Átomos, moléculas ou íons arranjados de uma forma periódica em três dimensões (simetria translacional). As posições ocupadas seguem uma ordenação que se repete para muitas distâncias atômicas (de longo alcance). Átomos, moléculas ou íons que não apresentam uma ordenação de longo alcance (não possuem simetria translacional). Podem apresentar ordenação de curto alcance. São exemplos: os líquidos e os sólidos vítreos. DEFINIÇÃO Diamante CRISTALINOS Grafite Carbono amorfo AMORFO Carvão, fuligem e o carbono derivado de carboneto DEFINIÇÃO 6 INTRODUÇÃO INTRODUÇÃO INTRODUÇÃO INTRODUÇÃO INTRODUÇÃO As propriedades de alguns materiais estão diretamente associadas à sua estrutura cristalina. Ex: magnésio e berílio que têm a mesma estrutura (HC) se deformam muito menos que ouro e prata (CFC) que têm outra estrutura cristalina. Explica a diferença significativa nas propriedades de materiais cristalinos e não cristalinos de mesma composição. Ex: Materiais transparentes, translúcidos opacos e não-cristalinos. As propriedades dos materiais sólidos cristalinos depende da estrutura cristalina, ou seja, da maneira na qual os átomos, moléculas ou íons estão espacialmente dispostos. A diferença no comportamento mecânico de um material sólido é definida no arranjo atômico, e conseqüentemente na sua estrutura cristalina. INTRODUÇÃO Qual a importância da estrutura cristalina? A forma em que os átomos estão “arrumados” na estrutura definirá uma série de propriedades dos materiais. Conhecer quais tipos de arranjo cristalino são estáveis em um material e sua relação com fatores como adição de outros elementos químicos, temperatura e pressão permite que o engenheiro possa modificar suas propriedades dentro de uma faixa de propriedades que serão delimitadas pelas estruturas cristalinas possíveis de se obter. INTRODUÇÃO Alotropia ou Polimorfismo: Nitreto de Boro (BN) Hexagonal Romboédrica Cúbica Wurtzita INTRODUÇÃO ORDENAÇÃO DOS ÁTOMOS Os materiais sólidos podem ser classificados de acordo com a regularidade na qual os átomos ou íons se dispõem em relação à seus vizinhos. Cristal Ordem a longo alcance Ordem a curto alcance Sem ordenamento Vidro Gás INTRODUÇÃO ORDENAÇÃO DOS ÁTOMOS Sem Ordenação: Em gases, como o Ar e outros gases nobres Se confinados, os gases não apresentarão nenhuma ordem entre seus átomos constituintes. Argônio Hélio INTRODUÇÃO ORDENAÇÃO DOS ÁTOMOS Ordenamento a curto alcance: Ângulos, distâncias e simetria com ordenação a curto alcance Ocorre na H2O, que apresenta uma orientação preferencial, no SiO2 e no polietileno em materiais não-cristalinos ou amorfos H2O SiO2 INTRODUÇÃO ORDENAÇÃO DOS ÁTOMOS Ordenamento a longo alcance: Átomos ordenados em longas distâncias atômicas formam uma estrutura tridimensional REDE CRISTALINA Metais, muitas cerâmicos e alguns polímeros formam estruturas cristalinas sob condições normais de solidificação INTRODUÇÃO ORDENAÇÃO DOS ÁTOMOS Ordenamento a longo alcance: A REDE é formada por átomos se repete regularmente REDE conjunto de pontos espaciais que possuem vizinhança idêntica. Na rede a relação com vizinhos é constante: - simetria com os vizinhos; - distâncias define o parâmetro de rede; - ângulos entre arestas PARÂMETROS DE DEFINEM UM CRISTAL Exemplo esquemático de rede INTRODUÇÃO ORDENAÇÃO DOS ÁTOMOS Como os cristais se formam?? Na solidificação ou por saturação de uma solução. Solidificação: Cristais se formam no sentido contrário a retirada de calor Saturação de uma solução: Fonte: Costa, I.S.; Andrade, F. R.D. Experimentos didáticos de cristalização. TERRÆ DIDATICA 10-2:91-104 2014 Mais baixa energia livre Maior empacotamento INTRODUÇÃO CÉLULA UNITÁRIA As estruturas ideais apresentam baixa energia e maior empacotamento, já as reais compreendem os defeitos possíveis nas ideais. As estruturas ideais compreendem diferentes sistemas cristalinos CÉLULA UNITÁRIA: menor subdivisão da rede cristalina que retém as características de toda a rede. Arranjo de átomos em um cristal Rede cristalina Célula unitária INTRODUÇÃO CÉLULA UNITÁRIA Representação da célula unitária CFC: INTRODUÇÃO CÉLULA UNITÁRIA As estruturas ideais compreendem: diferentes sistemas cristalinos ângulos α, β, γ tamanho das arestas a, b, c - sistemas cristalinos: 7 diferentes - redes de Bravais: 14 diferentes : Existem 14 tipos diferentes: redes de Bravais, agrupadas em sete tipos de estruturas cristalinas (sistemas cristalinos). INTRODUÇÃO CÉLULA UNITÁRIA - SISTEMAS CRISTALINOS INTRODUÇÃO CÉLULA UNITÁRIA - SISTEMAS CRISTALINOS INTRODUÇÃO CÉLULA UNITÁRIA: 7 Sistemas cristalinos e 14 redes de Bravais Metais cristalizam preferencialmente: - hexagonal - CCC - CFC - CS muito raro METAIS Ligação metálica não-direcional: não há restrições quanto ao número e posições dos vizinhos mais próximos. Estrutura cristalina dos metais têm geralmente um número de vizinhos grandes e alto empacotamento atômico. Romboédrico Hexagonal INTRODUÇÃO CÚBICA: Ex. Fluorita (CaF2) HEXAGONAL: Ex. Berílio (Be3Al2Si6O18) Hanksita [Na22K(SO4)9(CO3)2 Cl] TETRAGONAL: Ex. Zirconita [ZrSiO4] Vulfenita [Pb(MoO4)] 26 INTRODUÇÃO ORTORRÔMBICO: Ex. Aragonita (CaCO3) MONOCLÍNICO: Ex. Manganita [MnO(OH)], Ortoclase [(KAlSi3O8)] TRÍCLÍNICO: Ex. Microclina [KAlSi3O8] Rodonita [(Mn, Fe, Mg, Ca)SiO3] INTRODUÇÃO NÚMERO DE ÁTOMOS POR CÉLULA UNITÁRIA É o número específico de pontos da rede que define cada célula unitária. Átomo no vértice da célula unitária cúbica: partilhado por sete células unitárias em contato somente 1/8 de cada vértice pertence a uma célula particular. Átomo da face centrada: partilhado por duas células unitárias INTRODUÇÃO NÚMERO DE ÁTOMOS POR CÉLULA UNITÁRIA – SISTEMA CÚBICO Cúbico Simples (CS) Cúbico de corpo centrado (CCC) Cúbico de face centrada (CFC) 1 Átomo 2 Átomos 4 Átomos Sistema - Rede de Bravais Número de átomos na célula unitária image3.jpeg image4.jpeg image5.jpeg image6.jpeg image7.jpeg image8.jpeg image9.jpeg image10.png image11.png image12.png image13.jpeg image14.jpeg image15.jpeg image16.png image17.jpeg image18.jpeg image19.jpeg image20.jpeg image21.jpeg image22.jpeg image23.jpeg image24.jpeg image25.png image26.jpeg image27.jpeg image28.jpeg image29.jpeg image30.png image31.jpeg image32.png image33.png image34.png image35.png image36.png image37.jpeg image38.jpeg image39.jpeg image40.png image41.jpeg image42.jpeg image43.png image51.jpeg image44.jpeg image45.jpeg image46.png image47.jpeg image48.png image49.jpeg image50.jpeg image60.jpeg image61.png image62.gif image52.jpeg image53.jpeg image54.jpeg image55.jpeg image56.jpeg image57.png image58.png image59.jpeg image63.pngimage64.png image65.png image66.jpeg