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cap6 - Estrutura atômica e molecular dos materiais

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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.
Livro: Materiais de Construção Civil 
Organizador/Editor: Geraldo C. Isaia
A estrutura do átomo: nêutrons, prótons e 
elétrons
•(a) modelo planetário: núcleo no centro
com elétrons “orbitando “ ao seu redor
(d) detalhes do átomo
Figura 1 - Modelos simplificados do átomo.
Livro: Materiais de Construção Civil 
Organizador/Editor: Geraldo C. Isaia
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.
Livro: Materiais de Construção Civil 
Organizador/Editor: Geraldo C. Isaia
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.
Livro: Materiais de Construção Civil 
Organizador/Editor: Geraldo C. Isaia
Conceitos / Definições
● Tabela periódica:
Figura 2 - Tabela periódica dos elementos.
Livro: Materiais de Construção Civil 
Organizador/Editor: Geraldo C. Isaia
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.
Livro: Materiais de Construção Civil 
Organizador/Editor: Geraldo C. Isaia
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.
Livro: Materiais de Construção Civil 
Organizador/Editor: Geraldo C. Isaia
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
Livro: Materiais de Construção Civil 
Organizador/Editor: Geraldo C. Isaia
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”).
Livro: Materiais de Construção Civil 
Organizador/Editor: Geraldo C. Isaia
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.
Livro: Materiais de Construção Civil 
Organizador/Editor: Geraldo C. Isaia
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.
Livro: Materiais de Construção Civil 
Organizador/Editor: Geraldo C. Isaia
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
Figura 3 - Estrutura eletrônica do Na, mostrando as camadas ou 
níveis quânticos K, L e M com seus elétrons (em vermelho).
Livro: Materiais de Construção Civil 
Organizador/Editor: Geraldo C. Isaia
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. 
Livro: Materiais de Construção Civil 
Organizador/Editor: Geraldo C. Isaia
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.
Livro: Materiais de Construção Civil 
Organizador/Editor: Geraldo C. Isaia
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.
Figura 4 - Ligação iônica – ex. do NaCl: a) ionização dos elementos e b) atração e ligação iônica 
(SHACKELFORD, 1996).
Livro: Materiais de Construção Civil 
Organizador/Editor: Geraldo C. Isaia
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) 
Figura 5 - Exemplos de ligação covalente: a) molécula do oxigênio (O2) e b) molécula do metano (CH4).
Livro: Materiais de Construção Civil 
Organizador/Editor: Geraldo C. Isaia
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 remanescentes tornam-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.
Figura 6 - 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).
Livro: Materiais de Construção Civil 
Organizador/Editor: Geraldo C. Isaia
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.
Livro: Materiais de Construção Civil 
Organizador/Editor: Geraldo C. Isaia
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)
Figura 7 - 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). 
Livro: Materiais de Construção Civil 
Organizador/Editor: Geraldo C. Isaia
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)
Livro: Materiais de Construção Civil 
Organizador/Editor: Geraldo C. Isaia
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.
Figura 8 - Esquema ilustrativo da atração das moléculas de H2O, 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.
Livro: Materiais de Construção Civil 
Organizador/Editor: Geraldo C. Isaia
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.
Livro: Materiais de Construção Civil 
Organizador/Editor: Geraldo C. Isaia
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
Quadro 1- Faixas de energia em função do tipo de ligação atômica.
Livro: Materiais de Construção Civil 
Organizador/Editor: Geraldo C. Isaia
Ligações atômicas características 
dos principais materiais
Materiais
Tipo de ligação
predominante
Informações gerais
Metais Metálica
Metais apresentam elevadas
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.
Quadro 2 - Tipos predominantes de ligação em função do tipo de material e outras informações.
Livro: Materiais de Construção Civil 
Organizador/Editor: Geraldo C. Isaia
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
Quadro 2 - Tipos predominantes de ligação em função do tipo de material e outras informações 
(continuação).
Livro: Materiais de Construção Civil 
Organizador/Editor: Geraldo C. Isaia
Ligações atômicas características 
dos principais materiais
Figura 9 - Tetraedro representando a contribuição relativa de diferentes tipos de ligação para as quatro 
categorias fundamentais de materiais de engenharia (SHACKELFORD, 1996).
Livro: Materiais de Construção Civil 
Organizador/Editor: Geraldo C. Isaia
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.
Livro: Materiais de Construção Civil 
Organizador/Editor: Geraldo C. Isaia
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.
Livro: Materiais de Construção Civil 
Organizador/Editor: Geraldo C. Isaia
Arranjos atômicos – estrutura dos materiais
•● Estrutura molecular
Materiais típicos com estrutura molecular:
• Gases: O2, N2, CO2;
• Água: H2O;
• Ácido nítrico: (HNO3);
• Polímeros (em geral);
• Materiais betuminosos;
• Enorme gama de outros gases e líquidos.
Livro: Materiais de Construção Civil 
Organizador/Editor: Geraldo C. Isaia
•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.
Livro: Materiais de Construção Civil 
Organizador/Editor: Geraldo C. Isaia
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.
Livro: Materiais de Construção Civil 
Organizador/Editor: Geraldo C. Isaia
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.
Livro: Materiais deConstrução Civil 
Organizador/Editor: Geraldo C. Isaia
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.
Figura 10 - Ilustração esquemática de um reticulado cristalino com o destaque para a célula unitária (região 
em azul) (ASKELAND, 1998).
•● Estrutura cristalina
Livro: Materiais de Construção Civil 
Organizador/Editor: Geraldo C. Isaia
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.
Livro: Materiais de Construção Civil 
Organizador/Editor: Geraldo C. Isaia
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
Quadro 3 - Sistemas cristalinos e os parâmetros do reticulado.
Livro: Materiais de Construção Civil 
Organizador/Editor: Geraldo C. Isaia
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
Quadro 3 - Sistemas cristalinos e os parâmetros do reticulado (continuação).
Arranjos atômicos – estrutura dos materiais
Livro: Materiais de Construção Civil 
Organizador/Editor: Geraldo C. Isaia
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
Quadro 3 - Sistemas cristalinos e os parâmetros do reticulado (continuação).
Livro: Materiais de Construção Civil 
Organizador/Editor: Geraldo C. Isaia
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.
Livro: Materiais de Construção Civil 
Organizador/Editor: Geraldo C. Isaia
Arranjos atômicos – estrutura dos materiais
Figura 11- Reticulados cristalinos de Bravais – 7 sistemas cristalinos e 14 reticulados característicos dos 
materiais cristalinos. Os pontos em vermelho representam os átomos.
•Reticulados 
de Bravais
Livro: Materiais de Construção Civil 
Organizador/Editor: Geraldo C. Isaia
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.
Livro: Materiais de Construção Civil 
Organizador/Editor: Geraldo C. Isaia
• 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
Livro: Materiais de Construção Civil 
Organizador/Editor: Geraldo C. Isaia
Arranjos atômicos – estrutura dos materiais
•● Descrição das direções no cristal:
Figura 12 - Descrição das direções no cristal, utilizando-se como exemplo um reticulado ortorrômbico 
simples (VAN VLACK, 1970).
Livro: Materiais de Construção Civil 
Organizador/Editor: Geraldo C. Isaia
Arranjos atômicos – estrutura dos materiais
•● Ilustrações esquemáticas dos planos:
Figura 13 - 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).
Livro: Materiais de Construção Civil 
Organizador/Editor: Geraldo C. Isaia
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).
Livro: Materiais de Construção Civil 
Organizador/Editor: Geraldo C. Isaia
Arranjos atômicos – estrutura dos materiais
● Formas alotrópicas do ferro:
Figura 14 - 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.
Livro: Materiais de Construção Civil 
Organizador/Editor: Geraldo C. Isaia
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; compostos
hidratados 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.
Livro: Materiais de Construção Civil 
Organizador/Editor: Geraldo C. Isaia
Arranjos atômicos – estrutura dos materiais● Diferentes arranjos atômicos de materiais:
Figura 15 - 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).
Livro: Materiais de Construção Civil 
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Arranjos atômicos – estrutura dos materiais
● Ordenamento em pequenas distâncias e em grandes distâncias:
Figura 16 - Exemplos de ordenamento atômico para a estrutura do B2O3. (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).
Livro: Materiais de Construção Civil 
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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.
Livro: Materiais de Construção Civil 
Organizador/Editor: Geraldo C. Isaia
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:
Figura 17 - 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  (chamada de austenita).
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Fases dos materiais
•● Fases impuras – exemplo de solução sólida em metal do tipo intersticial:
Figura 18 - Solução de carbono na austenita cfc. O maior interstício no ferro  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:
Figura 19 - 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;
 Tipos: vazio, átomo intersticial, átomo substitucional, defeito de Frenkel e 
defeito de Schottky;
•Defeitos de linha (discordâncias) → uma dimensão;
 Discordância em cunha (em aresta);
 Discordância helicoidal (em aresta).
• Defeitos de superfície ou planares (fronteiras) → duas dimensões;
 Superfície do material;
 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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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:
Figura 20 - 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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Imperfeições estruturais
● Defeitos de linha - discordâncias:
(a)
(b)
Figura 21 - 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
Figura 22 - 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
 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.
 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).
 Com a novidade, tem-se como expectativa que materiais com o novo “tipo” 
estrutural venham a apresentar diferentes propriedades mecânicas e elétricas.
 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

Outros materiais