Estrutura Atômica e Molecular dos Materiais - Oswaldo Cascudo

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Livro: Materiais de Construção Civil 
Organizador/Editor: Geraldo C. Isaia
Oswaldo Cascudo 
Universidade Federal de Goiás
Estrutura Atômica e Molecular dos Materiais
Capítulo 6
Livro: Materiais de Construção Civil 
Organizador/Editor: Geraldo C. Isaia
Estrutura atômica
•
 
A estrutura de um material pode ser dividida em quatro 
níveis: 
●
 
estrutura atômica;
●
 
arranjo atômico;
●
 
microestrutura; 
●
 
macroestrutura.
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A estrutura do átomo: nêutrons, prótons e 
elétrons
•(a) modelo planetário: núcleo no centro
com elétrons “orbitando “
 
ao seu redor
(d) detalhes do átomo
Modelos simplificados do átomo.
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Conceitos / Definições
●
 
Massa atômica:
É
 
a massa representativa de um átomo, considerando o 
total de prótons e nêutrons.
•
 
Em termos de massa, o que importa, no átomo, é
 
realmente o 
núcleo, porque contém os elementos mais pesados;
A massa do elétron é
 
praticamente desprezível, uma vez que é
 apenas 0,0005 g da massa de um próton ou de um nêutron.
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Conceitos / definições
●
 
Número atômico:
O número atômico
 
indica o número de elétrons ou de prótons 
de cada átomo (considerando o átomo neutro, ou seja, com 
cargas elétricas negativas e positivas iguais). 
•Por exemplo, um átomo de cobre, que contém 29 elétrons e 29 
prótons, tem um número atômico igual a 29. 
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Conceitos / Definições
●
 
Tabela periódica:
Tabela periódica dos elementos.
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Estrutura eletrônica do átomo
●
 
Níveis energéticos ou camadas eletrônicas:
•
 
Os elétrons que circundam o núcleo de um átomo não o fazem 
dentro de um mesmo nível energético;
•
 
Eles respeitam níveis ou grupos quânticos, assim como, dentro 
desses níveis, estão sujeitos a subníveis ou subgrupos específicos.
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Estrutura eletrônica do átomo
●
 
Números quânticos:
•
 
O nível energético ocupado por cada elétron obedece, 
inicialmente, a uma estrutura de níveis ou camadas quânticas 
principais, designada por números quânticos principais (n),,
 
cujos 
valores são: 1, 2, 3, 4, 5, 6 e 7; 
•
 
Esta seqüência diz respeito ao sentido crescente dos níveis 
quânticos –
 
também representada pelas letras K (n
 
=
 
1), L (n
 
=
 
2), 
M
 
(n = 3), N (n = 4), O
 
(n
 
=
 
5), P (n = 6) e Q (n = 7) –, o que significa 
também níveis crescentes de energia; 
•
 
Assim, elétrons que pertençam ao nível quântico K pertencem ao 
primeiro nível quântico (n
 
=
 
1), de menor energia em relação aos 
demais níveis.
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Estrutura eletrônica do átomo
Números máximos de elétrons em um dado nível quântico:•
●
 
Números quânticos
K L M N O P Q
2 8 18 32 32 18 2
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Estrutura eletrônica do átomo
●
 
Subníveis de energia:
Nos átomos dos elementos conhecidos, podem ocorrer 4 
subníveis possíveis (para cada nível quântico), designados 
sucessivamente pelas letras: 
•
 
s (“sharp”);
• p (“principal”);
•
 
d (“diffuse”); 
•
 
f (“fundamental”).
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Estrutura eletrônica do átomo
●
 
Subníveis de energia:
•
 
“s”: é
 
o subnível de menor energia e o número máximo de 
elétrons desse subnível é
 
igual a 2;
• •
 
“p”: tem maior nível energético que “s”
 
e pode ter no máximo 6
elétrons;
•
 
“
 
d ”
 
: tem maior nível energético que “p”
 
e “s”
 
e pode ter um
• máximo de 10 elétrons;
•“
 
f ”
 
: subnível
 
de maior energia em um dado nível, podendo ter, 
no máximo, 14 elétrons.
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Estrutura eletrônica do átomo
●
 
Notação da configuração eletrônica :
Escreve-se o número quântico principal antes da letra 
indicativa do subnível, a qual possui “expoente”
 
que indica o 
número de elétrons contidos nesse subnível.
Exemplo: 3 p5
Significado:
Na camada M (número quântico principal = 3), existe o subnível 
p
 
contendo 5 elétrons.
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Estrutura eletrônica do átomo
●
 
Configuração eletrônica de um átomo :
Para se dar a configuração eletrônica de um átomo, colocam-se 
os elétrons, primeiramente, nos subníveis de menor energia.
Exemplo : Sódio (Na) -
 
elemento de n°
 
atômico 11
Na: 1s2 2s2
 
2p6
 
3s1
Estrutura eletrônica do Na, mostrando as camadas ou níveis 
quânticos K, L e M com seus elétrons (em vermelho).
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Estrutura eletrônica do átomo
●
 
Valência do átomo :
A valência de um átomo está
 
relacionada com a habilidade do átomo 
para entrar em combinação química com outros elementos, sendo 
freqüentemente determinada pelo número de elétrons na camada mais 
externa, em especial nos subníveis “s
 
p”.
(ASKELAND, 1994)
•Camada mais externa = camada de valência 
•(importante no tipo de ligação química que átomo desenvolverá)
• Valência baixa (em geral <
 
3) : átomos perdem
 
elétrons 
da camada de valência;
• Valência alta (de 5 a 7) : átomos recebem
 
elétrons 
na camada de valência;
• Valência 4: em geral há
 
compartilhamento
 
de elétrons. 
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Ligações Atômicas
•
 
Ligação iônica;
•
 
Ligação covalente;
•
 
Ligação metálica.
•●
 
Ligações primárias (fortes):
•●
 
Ligações secundárias –
 
forças de van der Waals:
•
 
Moléculas polares;
•
 
Dipolos induzidos;
•
 
Pontes de hidrogênio.
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Ligações Atômicas
•●
 
Ligações primárias (fortes)
•
 
Ligação iônica: a ligação iônica dá-se pela atração entre íons de 
carga elétrica contrária (íons positivos-cátions e íons negativos-ânions), 
motivada por forças coulombianas.
Ligação iônica –
 
ex. do NaCl: a) ionização dos elementos e b) atração e ligação iônica (SHACKELFORD, 1996).
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Ligações Atômicas
•●
 
Ligações primárias (fortes)
•
 
Ligação covalente:
 
a ligação covalente dá-se por meio de uma 
aproximação muito intensa entre dois elementos químicos que vão se 
ligar, de maneira que alguns elétrons da camada de valência de um dos 
átomos circundam o núcleo do outro átomo e vice-versa. Desse modo, 
os elementos não perdem e nem ganham elétrons, mas sim os 
compartilham.
(a)
(b) 
Exemplos de ligação covalente: a) molécula do oxigênio (O2) e b) molécula do metano (CH4).
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Ligações Atômicas
•●
 
Ligações primárias (fortes)
•
 
Ligação metálica: elementos metálicos de baixa valência liberam seus 
elétrons da última camada, de maneira que há
 
a formação de uma “nuvem”
 
de 
elétrons ao redor dos átomos. Assim, com a perda dos elétrons de valência, os 
átomos metálicos remanescentestornam-se íons positivos, pois, com a saída dos 
elétrons da última camada, há
 
um desbalanceamento elétrico, tendo o núcleo uma 
maior quantidade de cargas positivas do que a eletrosfera de cargas negativas. 
Modelo explicativo da ligação metálica, em que se têm os elétrons de valência deixando os seus átomos 
originais para formarem uma “nuvem”
 
eletrônica, que mantém presos (ligados) os íons positivos (oriundos da 
saída dos elétrons) (ASKELAND, 1998).
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Ligações Atômicas
•●
 
Ligações secundárias –
 
forças de van der Waals:
O princípio das ligações secundárias é
 
similar ao da 
ligação iônica, ou seja, dá-se pela atração de cargas 
opostas. 
Entretanto, existe uma diferença básica entre elas. Esta 
diferença reside no fato de que nas ligações secundárias 
não há
 
transferência de elétrons.
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Ligações Atômicas
•●
 
Ligações secundárias –
 
forças de van der Waals:
•
 
Moléculas polares:
 
são moléculas que apresentam um
 
 
desbalanceamento elétrico, ou seja, o centro de carga positiva não é
 coincidente com o centro de carga negativa. Tem-se, portanto, uma 
assimetria na molécula no tocante à
 
configuração das cargas elétricas, o 
chamado dipolo elétrico. 
(a) (b) (c)
Exemplo de molécula polar, o HF (a), em que se tem ligação covalente intramolecular e forças de van der 
Waals
 
intermoleculares –
 
dadas pela atração entre os dipolos (b) e (c) (adaptada de VAN VLACK, 1970). 
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Ligações Atômicas
•●
 
Ligações secundárias –
 
forças de van der Waals:
•
 
Dipolos induzidos
 
: 
Ocorrem com moléculas inicialmente simétricas, que, por alguma 
razão, sofrem uma polarização momentânea; formam-se, então, dipolos, 
que se atraem.
Essa alteração momentânea da simetria elétrica é
 
decorrente do 
movimento ao acaso dos elétrons e da vibração atômica; são os 
chamados efeitos de dispersão.
VAN VLACK (1984) 
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Ligações Atômicas
•●
 
Ligações secundárias –
 
forças de van der Waals:
•
 
Ponte de hidrogênio: é
 
um caso particular de atração por moléculas 
polares, em que a carga positiva do núcleo do átomo de hidrogênio de 
uma molécula é
 
atraída pelos elétrons de valência de átomos de
 
 
moléculas adjacentes. O exemplo mais difundido desse tipo de ligação é
 o da água. 
Esquema ilustrativo da atração das moléculas de H2
 
O, na formação da água, por pontes de hidrogênio. Percebe-
 
se a atração entre os núcleos “expostos”
 
de hidrogênio de uma molécula pelos elétrons não compartilhados do 
oxigênio das moléculas adjacentes.
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Espaço interatômico 
•
 
É
 
a distância de equilíbrio entre os átomos;
•
 
É
 
determinado por um balanço entre forças de atração e de 
repulsão;
• Em um metal sólido, o espaço interatômico é
 
igual ao diâmetro 
do átomo ou a duas vezes o raio do átomo;
•
 
Já
 
para os materiais ligados ionicamente, o espaço interatômico 
é
 
a soma de dois diferentes raios iônicos. 
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Energia de ligação
A energia de ligação é, por definição, a energia mínima 
requerida para criar ou para quebrar a ligação.
Ligação Energia de ligação (kJ/mol)
Iônica 625 –
 
1550
Covalente 520 –
 
1250
Metálica 100 –
 
800
Forças de van der Waals < 40
Faixas de energia em função do tipo de ligação atômica.
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Ligações atômicas características 
dos principais materiais
Materiais Tipo de ligaçãopredominante Informações gerais
Metais Metálica
Metais apresentam elevada
 
s 
ductilidade e condutividades elétrica 
e térmica –
 
os elétrons livres 
transferem com facilidade carga 
elétrica e energia térmica.
Cerâmico
e 
Vidros
Iônica, mas às 
vezes aparece em 
conjunto com 
ligações covalentes 
fortes.
Cerâmicas em geral são duras e 
frágeis, com baixa ductilidade e 
baixas condutividades elétrica e 
térmica –
 
não existem elétrons livres, 
e ligações iônicas e covalentes têm 
alta energia de ligação.
Tipos predominantes de ligação em função do tipo de material e outras informações.
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Materiais Tipo de ligação predominante Informações gerais
Polímeros
Covalente, mas às 
vezes existem 
ligações secundárias 
entre cadeias.
Polímeros podem ser pouco dúcteis 
e, em geral, são pobres condutores 
elétricos. Se existirem ligações 
secundárias, podem ter sua 
ductilidade bastante aumentada, 
com quedas de resistência e do 
ponto de fusão.
Semicondutores
Covalente, mas alguns 
compostos 
semicondutores têm 
elevado caráter iônico.
Semicondutores em geral têm 
baixas ductilidade e condutividade 
elétrica em função das ligações 
covalentes e iônicas.
Ligações atômicas características 
dos principais materiais
Tipos predominantes de ligação em função do tipo de material e outras informações (continuação).
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Ligações atômicas características 
dos principais materiais
Tetraedro representando a contribuição relativa de diferentes tipos de ligação para as quatro categorias 
fundamentais de materiais de engenharia (SHACKELFORD, 1996).
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Arranjos atômicos – estrutura dos materiais
Os arranjos atômicos, que propiciam a formação dos materiais, 
podem ser de três tipos básicos, gerando, então, três classes 
estruturais principais: 
•
 
estruturas moleculares;
•
 
estruturas cristalinas;
•
 
estruturas amorfas.
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Arranjos atômicos – estrutura dos materiais
•●
 
Estrutura molecular:
•
 
A estrutura molecular pode ser genericamente caracterizada por um 
agrupamento de átomos;
•
 
Existem grupos limitados de átomos fortemente ligados entre si, 
formando moléculas, e essas moléculas se ligam entre si por meio de 
ligações secundárias.
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Arranjos atômicos – estrutura dos materiais
•●
 
Estrutura molecular
Materiais típicos com estrutura molecular:
•
 
Gases: O2
 
, N2
 
, CO2
 
;
•
 
Água: H2
 
O;
•
 
Ácido nítrico: (HNO3
 
);
•
 
Polímeros (em geral);
• Materiais betuminosos;
• Enorme gama de outros gases e líquidos.
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•Característica principal dos materiais de estrutura molecular :
Apresentam forças de atração intramoleculares muito fortes, ao 
passo que as ligações intermoleculares são do tipo forças de van 
der Waals. 
Arranjos atômicos – estrutura dos materiais
•●
 
Estrutura molecular
Em geral, as ligações fortes que caracterizam as estruturas moleculares 
são as ligações covalentes, mas ligações iônicas podem existir.
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Arranjos atômicos – estrutura dos materiais
•●
 
Estrutura cristalina:
•
 
A estrutura cristalina é
 
caracterizada quando existe uma 
organização na disposição espacial dos átomos que constituem 
determinado arranjo atômico.•
 
Há
 
uma regularidade estrutural, com a repetição, nas três 
dimensões, de uma unidade básica, chamada de célula unitária.
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Arranjos atômicos – estrutura dos materiais
•●
 
Estrutura cristalina
•
 
Cristalinidade:
O conceito de cristalinidade se aplica à
 
estrutura interna de um material 
cujo arranjo atômico gera um modelo tridimensional ordenado e 
repetitivo.
Há, dessa forma, uma regularidade na estrutura interna do material, com 
a repetição, nas três dimensões, de uma unidade básica, chamada de 
célula unitária.
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Arranjos atômicos – estrutura dos materiais
•
 
Célula unitária :
 
é
 
uma subdivisão do reticulado cristalino, na qual são 
mantidas as características gerais de todo o reticulado. Em outras 
palavras, trata-se de um pequeno volume (a unidade básica) que contém 
todas as características encontradas no cristal como um todo.
Ilustração esquemática de um reticulado cristalino com o destaque para a célula unitária (região em azul) 
(ASKELAND, 1998).
•●
 
Estrutura cristalina
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Arranjos atômicos – estrutura dos materiais
•●
 
Estrutura cristalina
•
 
Sistemas cristalinos:
Arranjo atômico ordenado e regular permitindo que 
configurações atômicas gerem reticulados cuja unidade básica 
forme uma figura geométrica. 
••
 
Tal nível de organização permitiu uma classificação da estrutura 
cristalina em sete sistemas cristalinos principais, conforme a 
geometria do cristal.
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Arranjos atômicos – estrutura dos materiais
Sistema Comprimentos axiais e ângulos
Geometria da 
célula unitária
Cúbico a = b = c, α
 
= β
 
= γ
 
= 90º
Tetragonal a = b ≠
 
c, α
 
= β
 
= γ
 
= 90º
Ortorrômbico a ≠
 
b ≠
 
c, α
 
= β
 
= γ
 
= 90º
Sistemas cristalinos e os parâmetros do reticulado.
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Sistema Comprimentos axiais e ângulos
Geometria da 
célula unitária
Romboédrico a = b = c, α
 
= β
 
= γ ≠ 90º
Hexagonal a = b ≠
 
c, α
 
= β
 
= 90º, γ
 
= 120º
Sistemas cristalinos e os parâmetros do reticulado (continuação).
Arranjos atômicos – estrutura dos materiais
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Arranjos atômicos – estrutura dos materiais
Sistema Comprimentos axiais e ângulos
Geometria da 
célula unitária
Monoclínico a ≠
 
b ≠
 
c, α
 
= γ
 
= 90º
 
≠ β
Triclínico a ≠
 
b ≠
 
c, α ≠ β ≠ γ ≠ 90º
Sistemas cristalinos e os parâmetros do reticulado (continuação).
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Arranjos atômicos – estrutura dos materiais
•●
 
Estrutura cristalina
•
 
Sistemas e reticulados cristalinos:
Os 7 diferentes sistemas cristalinos possuem variações de sua 
configuração básica, de modo que mais 7 possibilidades de
 
 
configuração atômica se somam às 7 opções básicas (vistas 
anteriormente), gerando então 14 tipos possíveis de reticulados 
cristalinos, aos quais se dá
 
o nome de reticulados de Bravais.
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Arranjos atômicos – estrutura dos materiais
Reticulados cristalinos de Bravais
 
–
 
7 sistemas cristalinos e 14 reticulados característicos dos materiais 
cristalinos. Os pontos em vermelho representam os átomos.
•Reticulados 
de Bravais
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Arranjos atômicos – estrutura dos materiais
•●
 
Estrutura cristalina
•
 
Direções de planos cristalinos:
A descrição mais completa da estrutura cristalina passa pela 
identificação das direções e dos planos no cristal, o que se faz por 
meio de um sistema de eixos cartesianos aplicados na célula unitária.
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•
 
Índices de Miller: 
Para a determinação exata das direções e dos planos no cristal foi 
criada uma notação apropriada que é
 
chamada de índices de Miller.
Os índices de uma direção estão relacionados com as coordenadas de 
um ponto com relação à
 
origem do sistema de eixos. Assim, a direção
 [100] corresponde a um vetor paralelo ao eixo x, enquanto que a 
direção
 
[010] corresponde a um vetor paralelo ao eixo y. No caso dos 
planos, os índices correspondem ao inverso do valor das interseções do 
plano com os eixos. Deste modo um plano
 
(100) corresponde a um 
plano paralelo aos eixos y e z enquanto que um plano
 
(010) 
corresponde a um plano paralelo aos eixos x e z .
Arranjos atômicos – estrutura dos materiais
•●
 
Estrutura cristalina
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Arranjos atômicos – estrutura dos materiais
•●
 
Descrição das direções no cristal:
Descrição das direções no cristal, utilizando-se como exemplo um reticulado ortorrômbico simples (VAN 
VLACK, 1970).
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Arranjos atômicos – estrutura dos materiais
•●
 
Ilustrações esquemáticas dos planos:
Ilustrações esquemáticas dos planos (010) e (110) (regiões sombreadas em vermelho),
 
respectivamente 
partes (a) e (b) da figura, para o sistema cristalino cúbico simples (adaptada de VAN VLACK, 1970).
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Arranjos atômicos – estrutura dos materiais
●
 
Alotropia e Polimorfismo
•
 
Polimorfismo:
 
fenômeno no qual um sólido (metálico ou não 
metálico) pode apresentar mais de uma estrutura cristalina, dependendo 
da temperatura e da pressão. 
Exemplo: a sílica (SiO2) como quartzo, cristobalita e tridimita.
•
 
Alotropia:
 
polimorfismo em elementos puros.
Exemplos: 
•
 
o diamante e o grafite são constituídos por atómos de carbono 
arranjados em diferentes estruturas cristalinas;
•
 
o ferro com as variações de sua estrutura entre o sistema cúbico de 
corpo centrado (ccc) e cúbico de faces centradas (cfc). 
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Arranjos atômicos – estrutura dos materiais
●
 
Formas alotrópicas do ferro:
Células unitárias cúbica de corpo centrado –
 
ccc
 
(a) e cúbica de faces centradas –
 
cfc (b), 
representando duas diferentes formas alotrópicas do ferro. As esferas e suas frações designam, 
respectivamente, os átomos de ferro e suas partes contidas na célula unitária.
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Arranjos atômicos – estrutura dos materiais
●
 
Materiais típicos de estrutura cristalina:
Alguns exemplos:
••
 
O ferro e os aços de construção: são exemplos clássicos de materiais 
cristalinos, que se alternam entre as formas alotrópicas estruturais cúbicas de 
corpo centrado (ccc) –
 
em temperatura ambiente –
 
e de face centrada (cfc);
•• A areia natural: constituída essencialmente de sílica em sua forma cristalina, 
que é
 
o quartzo de estrutura trigonal (romboédrica), a areia constitui um exemplo 
de material natural cristalino;
• Os compostos principais do cimento Portland, assim como seus 
derivados hidratados: em geral, são fases cristalinas -
 
silicatos de cálcio 
anidros C3S e C2S; as fases aluminato e ferroaluminato C3A e C4AF; compostoshidratados da pasta de cimento -
 
o hidróxido de cálcio, a etringita, o monossulfato, 
e alguns tipos de C –
 
S –
 
H.
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Arranjos atômicos – estrutura dos materiais
●
 
Estrutura não cristalina – amorfa:
Materiais de estrutura amorfa
 
ou vítrea, ao nível de seus arranjos 
atômicos, são aqueles em que os átomos não apresentam qualquer 
tipo de regularidade ou organização em termos de sua disposição 
espacial, ou, caso exista algum ordenamento, ele ocorre a curto 
alcance (em pequenas distâncias). 
Conceito de “amorfismo”: diz respeito a uma estrutura interna 
“sem forma”. Se aplicado aos materiais em geral, em suas diversas 
configurações atômicas, são amorfos:
• os gases;
• os líquidos;
• os sólidos não-cristalinos como o vidro.
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Arranjos atômicos – estrutura dos materiais
●
 
Ordenamento em pequenas distâncias e em grandes distâncias:
Exemplos de ordenamento atômico para a estrutura do B2
 
O3
 
. (a) caso do vidro, que é
 
um sólido não 
cristalino, com ordenamento apenas em pequenas distâncias; (b) caso do cristal, que é
 
um sólido 
cristalino, com ordem em grandes distâncias, além de pequenas distâncias (VAN VLACK, 1970).
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Arranjos atômicos – estrutura dos materiais
●
 
Diferentes arranjos atômicos de materiais:
Diferentes arranjos atômicos de materiais. a) gás inerte, sem nenhum ordenamento regular de átomos 
(estrutura amorfa); b) e c) vapor de água e estrutura do vidro, com ordem em pequenas distâncias 
(estruturas amorfas); e d) metal, com um ordenamento regular de átomos que se estende por todo o 
material (estrutura cristalina) (ASKELAND, 1998).
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Fases dos materiais
•Fase :
 
trata-se de uma ou mais partes do material que resguarda 
homogeneidade do ponto de vista estrutural, ou seja, que mantém 
um arranjo atômico próprio;
•Material unifásico e homogêneo:
 
material que possui como um 
todo um mesmo arranjo atômico;
•Material polifásico:
 
caso coexistam em um mesmo material 
partes com identidades estruturais próprias, o material será
 bifásico, trifásico ou, de modo genérico, polifásico (ou multifásico), 
em função do número de partes estruturalmente homogêneas 
(fases) existentes nesse material.
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Organizador/Editor: Geraldo C. Isaia
Fases dos materiais
●
 
Fases impuras –
soluções sólidas ou estruturas de cristais mistos:
Fases impuras pressupõem a
 
formação de soluções sólidas (ou 
estruturas de cristais mistos), na qual átomos de um soluto (em 
menor quantidade) conseguem se “dissolver”
 
em uma estrutura 
principal, com átomos de solvente.
Exemplos de soluções sólidas aplicadas aos metais:
•
 
solução sólida substitucional;
•
 
solução sólida intersticial.
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Fases dos materiais
•●
 
Fases impuras –
 
soluções sólidas ou estruturas de cristais mistos
Soluções sólidas em metais:
•
 
O aço : é
 
um exemplo de material que desenvolve uma solução sólida (em 
uma de suas formas alotrópicas), na qual átomos de carbono se dissolvem na 
estrutura do ferro. 
O aço tem maiores resistência, limite de escoamento e dureza que o ferro 
puro.
•
 
O latão: é
 
outro exemplo de material “impuro”, em que o zinco é
 acrescentado à
 
estrutura do cobre.
O latão é
 
mais duro, mais resistente e mais dúctil do que o cobre. 
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Fases dos materiais
•●
 
Fases impuras –
 
soluções sólidas ou estruturas de cristais mistos
Solução sólida substitucional:
Ocorre quando o átomo do soluto tem dimensões e estruturas 
eletrônicas semelhantes ao átomo do solvente. Dessa forma, podem 
ocorrer substituições de alguns átomos da matriz do solvente por
 
 
átomos “semelhantes”
 
do soluto, formando-se uma solução sólida 
substitucional. 
Exemplos: 
• o bronze: sua estrutura forma uma solução sólida substitucional de 
estanho na matriz do cobre;
• o latão: consiste em uma estrutura de cristal misto, com átomos de zinco 
substituindo parte dos átomos de cobre na matriz do cobre.
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Fases dos materiais
●
 
Fases impuras –
 
exemplo de solução sólida em metal do tipo substitucional:
Solução sólida substitucional característica do latão, em que se
 
têm os átomos de zinco (soluto) 
substituindo, de forma aleatória, os átomos de cobre do solvente (modelo de descrição planar, sendo os 
átomos de zinco os círculos escuros e os átomos de cobre os círculos claros) (VAN VLACK, 1970).
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Fases dos materiais
•●
 
Fases impuras –
 
soluções sólidas ou estruturas de cristais mistos
Solução sólida intersticial:
Ocorre quando a dissolução se dá
 
não por substituição entre 
átomos, mas sim pela inserção de novos átomos do soluto em
 
 
interstícios ou espaços entre átomos do solvente. 
Assim os átomos a serem inseridos devem ter devem ter dimensões 
iguais ou inferiores aos interstícios entre os átomos do solvente.
Exemplo: 
• o aço de construção: correspondente ao ferro em sua forma alotrópica 
de ferro γ
 
(chamada de austenita). 
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Fases dos materiais
•●
 
Fases impuras –
 
exemplo de solução sólida em metal do tipo intersticial:
Solução de carbono na austenita cfc. O maior interstício no ferro γ
 
tem quase o tamanho 
de um átomo de carbono, favorecendo o estabelecimento de uma solução sólida 
intersticial (VAN VLACK, 1984).
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Fases dos materiais
•●
 
Fases impuras –
 
exemplo de solução sólida em metal do tipo intersticial:
Solução sólida intersticial –
 
carbono no ferro cfc
 
(VAN VLACK, 1984).
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Imperfeições estruturais
O que é
 
um defeito ?
É
 
uma imperfeição ou um “
 
erro”
 
no arranjo periódico regular 
dos átomos de um cristal.
Os defeitos podem significar irregularidades:
• na posição dos átomos;
•
 
quanto ao tipo de átomo.
•
 
O tipo e o número de defeitos dependem do material, do meio ambiente, e das 
circunstâncias sob as quais o cristal foi processado.
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Imperfeições estruturais
•●
 
Tipos de imperfeições em sólidos cristalinos:
•
 
Defeitos pontuais
 
→ associados com 1 ou várias posições atômicas;
¾ Tipos: vazio, átomo intersticial, átomo substitucional, defeito de Frenkel e 
defeito de Schottky;
•Defeitos de linha
 
(discordâncias) → uma dimensão;
¾ Discordância em cunha (em aresta);
¾ Discordância helicoidal (em aresta).
•
 
Defeitos de superfície ou planares (fronteiras)
 
→ duas dimensões;
¾ Superfície do material;
¾ Contorno de grão.
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Imperfeições estruturais
●
 
Defeitos pontuais:
•
 
Descontinuidades localizadas no reticulado, envolvendo 1 
ou vários átomos;
•
 
Decorrentes do movimento atômico quando os átomos 
ganham energia pelo aquecimento do material (durante o 
seu processamento);
•Também podem advir de impurezas ou são criados 
intencionalmente quando da produção de ligas;
•
 
Tipos: vazio (ou vacância), presença de átomos 
substitucionais
 
ou intersticiais, defeito de Frenkel
 
e defeito 
de Schottky.
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Organizador/Editor: Geraldo C. Isaia
Imperfeições estruturais
•
 
Defeito de Frenkel:
“Ocorre quando um íon se desloca de sua posição normal 
no reticulado para ocupar um interstício no cristal, 
deixando vazia sua posição original.”
•
 
Defeito de Schottky:
“Trata-se de um vazio gerado não pela saída de um átomo, 
mas sim pela ausência de um par de íons de cargas 
elétricas opostas. Nesse caso, é
 
gerado um par de 
vazios ou formam-se vários pares de vazios no 
reticulado. É
 
um defeito típico dos materiais ligados 
ionicamente (com a preservação da neutralidade elétrica 
no cristal).”
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Imperfeições estruturais
●
 
Defeitos pontuais -
 
exemplos:
Defeitos pontuais: a) vazio, b) átomo intersticial, c) átomo substitucional pequeno, d) átomo 
substitucional grande, e) defeito de Frenkel
 
e f) defeito de Schottky
 
(ASKELAND, 1994).
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Imperfeições estruturais
●
 
Defeitos de linha - discordâncias:
•
 
As discordâncias estão associadas com a cristalização e 
com a deformação (origem: térmica, mecânica ou devida à
 supersaturação de defeitos pontuais).
A presença desse tipo de defeito explica, em boa parte dos 
casos, a deformação, a falha e a ruptura dos materiais.
As discordâncias podem ser: 
•
 
em cunha (ou em aresta);
•
 
helicoidais (ou em espiral);
• mistas.
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Organizador/Editor: Geraldo C. Isaia
Imperfeições estruturais
●
 
Defeitos de linha -
 
discordâncias:
(a)
(b)
Ilustrações das discordâncias (a) em aresta (cunha) e (b) em espiral (helicoidal) (ANDERSON et
 
al., 
1997; SHACKELFORD, 2000).
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Imperfeições estruturais
•
 
As discordâncias têm forte relação com as deformações 
plásticas (permanentes) em sólidos cristalinos. 
•
 
O movimento de discordâncias explica um efeito físico 
particularmente relevante nos metais que é
 
o
 
 
escorregamento
 
(de cristais), que, por sua vez, esclarece 
o escoamento
 
e a ductilidade
 
característicos do material 
metálico. 
●
 
Defeitos de linha -
 
discordâncias:
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Imperfeições estruturais
●
 
Defeitos de superfície ou planares:
Envolvem fronteiras (defeitos em duas dimensões) e 
normalmente separam regiões dos materiais de diferentes 
estruturas cristalinas ou orientações cristalográficas.
Podem ser:
•
 
Superfície (externa) do material;
•
 
Contorno de grão.
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Imperfeições estruturais
•
 
Superfície do material: a parte externa superficial representa uma 
região do material onde o reticulado cristalino termina abruptamente. 
Assim, os átomos da camada superficial não têm coordenação 
atômica adequada, assim como a ligação atômica é
 
interrompida, 
podendo, inclusive, ser incompleta. Isto porque os átomos de 
superfície têm seus vizinhos apenas de um lado e, por isso, possuem 
maior energia e estão menos firmemente ligados do que os átomos 
internos. Por conta desses fatores, a superfície exterior
 
dos materiais 
é
 
normalmente mais reativa
 
do que a parte interna.
•
 
Contorno de grão: tênue região de fronteira que representa a 
transição entre os grãos. Os grãos são partes da superfície do 
material em que existe homogeneidade quanto à
 
orientação dos 
cristais, ou seja, dentro de um grão o arranjo atômico é
 
sempre o 
mesmo, com as células unitárias sob uma única orientação.
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●
 
Defeitos de superfície ou planares –
 
contorno de grão:
Imperfeições estruturais
Identificação de “porções”
 
do material com orientações cristalinas particulares (os grãos) e de uma 
região de transição entre os grãos (os contornos de grão) (adaptada de ASKELAND, 1998).
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Considerações Finais
¾ Na descrição estrutural dos sólidos (tradicional), há duas situações possíveis: 
1a) o material é ordenado a grandes distâncias, apresentando, portanto, 
estrutura cristalina (mesmo que contenha imperfeições e defeitos); ou 2a) trata-
se de um material de estrutura amorfa, ou seja, de um sólido não-cristalino.
¾ Porém, uma descoberta marcante ocorrida em 8 de abril de 1982, 
coordenada pelo pesquisador Dany Schechtman, propõe a quebra dessa 
dualidade tradicional, sugerindo a existência de um estado estrutural 
intermediário chamado de “quase-cristal” ou “semicristal” (do inglês, 
quasicrystal).
¾ Com a novidade, tem-se como expectativa que materiais com o novo “tipo”
estrutural venham a apresentar diferentes propriedades mecânicas e elétricas.
¾ Os conceitos de materiais quasicrystals, materiais funcionais e memória dos 
materiais, entre outros, são novidades que podem trazer alterações futuras no 
que tange à abordagem, à classificação e à compreensão estrutural dos 
materiais de modo geral.
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Organizador/Editor: Geraldo C. Isaia
Bibliografia Consultada
•AGOPYAN, V. Ciência dos materiais. São Paulo, Escola Politécnica da 
Universidade de São Paulo, Depto. de Engenharia de Construção Civil, s.d. 
(Notas de aula –
 
PCC 331).
•ANDERSON, J. C. et al. Materials Science. 4. ed. London: Chapman & Hall, 
1997.
•ASKELAND, D. R. The science and engineering of materials. 2. ed. London: 
Chapman & Hall, 1990.
•______. The science and engineering of materials. 3. ed. Boston: PWS 
Publishing Company, 1994.
•______. The science and engineering of materials. 3. ed. London: Chapman 
& Hall, 1998.
•BOLINA, C.; COSTA, E.; SANTOS, M. S. Polímeros. 2006. 30 p. Escola de 
Engenharia Civil, Universidade Federal de Goiás, Goiânia, 2006. (não 
publicado).
Livro: Materiais de Construção Civil 
Organizador/Editor: Geraldo C. Isaia
•CALLISTER Jr., W. D. Materials science and engineering: an introduction. 
2. ed. New York: John Wiley
 
& Sons, 1991.
•COLPAERT, H. Metalografia dos produtos siderúrgicos comuns. 3. ed. 
São Paulo: Edgard Blücher, 1974.
•SHACKELFORD, J. F. Introduction to materials science for engineers. 4. 
ed. New Jersey: Prentice Hall / Simon & Schuster, 1996.
•______. Introduction to materials science for engineers. 5. ed. New 
Jersey: Prentice Hall, 2000.
•VAN VLACK, L. H. Princípio de ciências dos materiais. São Paulo: Edgard 
Blücher, 1970.
•______. Princípios de ciência e tecnologia dos materiais; tradução de 
Edson Monteiro. 4. ed. Rio de Janeiro: Campus, 1984.
Referências
	Estrutura Atômica e Molecular dos Materiais
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