Ciência e tecnologia dos materiais - arranjos atômicos (aula2)

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Ciência e tecnologia do materiais 
Arranjos Atômicos 
Prof (a): Jania Betania A. da Silva 
Por que Estudar ? 
• Não se pode prever se um determinado material terá alta ou 
baixa resistência, ou será dúctil ou frágil, baseando-se 
simplesmente na natureza de suas ligações; 
 
• Os arranjos de átomos e íons também desempenham um 
importante papel nas propriedades de um material; 
 
• Através do arranjo dos átomos é possível explicar porque o 
magnésio e o berílio puros são mais quebradiços e frágeis do que 
o ouro e a prata; 
 
• A ordem assumida pelos arranjos de átomos explica porque 
alguns materiais cerâmicos e poliméricos são opticamente 
transparentes e outros se apresentam opacos. 
 
 
Cristalinidade 
Ordem de curto e longo alcance? 
• Nos diferentes estados da matéria, podemos encontrar 
três tipos de arranjos atômicos ou iônicos: 
 
• Sem ordem: Os átomos preenchem aleatoriamente o 
espaço disponível; 
 
• Ordem de curto alcance: O arranjo espacial dos átomos 
se estende apenas aos vizinhos mais próximos de cada 
átomo; 
 
• Ordem de longo alcance: O arranjo atômico espacial 
estende-se a distâncias maiores (acima de 100 nm). 
 
Sem Ordem ............ 
• Nos gases monoatômicos, como o Argônio (Ar) os átomos ou 
íons não possuem arranjo ordenado: 
 
Arranjo atômico do argônio 
 Gás argônio 
Ordem de curto alcance.... 
• Os vidros inorgânicos, usados em recipientes e janelas consistem 
em vidros a base de sílica (SiO2); 
 
• Tais materiais são ditos amorfos, assim como os gases e os 
líquidos. 
 
Estrutura bidimensional para a sílica não cristalina 
Vidros 
Ordem de longo alcance........ 
• A maioria dos metais e ligas, muitas cerâmicas e alguns polímeros 
possuem uma estrutura, na qual os átomos formam uma ordem 
repetitiva, regular e tridimensional. 
• Tais materiais são ditos cristalinos (Ex: Quartzo) 
 
Estrutura bidimensional para a sílica cristalina 
 Quartzo Sílica-gema na cor turquesa 
Materiais amorfos: princípios e aplicações 
tecnológicas 
• Em geral, a maioria dos materiais tende a formar arranjos 
periódicos, uma vez que esta configuração maximiza a 
estabilidade termodinâmica do material; 
 
• Os materiais amorfos tendem a se formar quando a cinética do 
processo de fabricação não permite a organização dos átomos 
em arranjos periódicos; 
 
• A exemplo dos vidros inorgânicos, muitos plásticos também 
são amorfos, embora possam conter pequenas porções de 
material cristalino; 
EX: Nos polímeros durante o processamento, as cadeias ficam 
emaranhadas entre si, como um “espaguete”. 
 
Estruturas Cristalinas 
 
 Por que cristal? 
Antigos gregos: pedaços de quartzo encontrados em regiões frias era 
um tipo especial de gelo - Krystallos eram congelados de maneira tão 
forte que não se fundiam mais. 
Cristal – Estrutura cristalina 
• Termo “cristal”: também aplicado a outros minerais com 
características geométricas definidas. 
• Diversas substâncias formadas por cristais, com faces 
planas e ângulos definidos entre uma face e outra. 
• 1660, Nicolaus Steno: 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: conseqüência do arranjo 
interno dos átomos ou moléculas. 
Rutilo 
Magnetita 
EMPACOTAMENTO EM SÓLIDOS 
• Dois tipos de ligação: Direcionais e Não-direcionais. 
Direcionais: Covalentes e Dipolo-Dipolo; Arranjo deve satisfazer os 
ângulos das ligações direcionais Sólidos Covalentes; 
• Não-direcionais: Metálica, Iônica, van der Walls; 
Arranjo depende de aspectos geométricos e da garantia de neutralidade 
elétrica; Sólidos Metálicos; Sólido Iônicos. 
Covalentes/Moleculares 
Ex.: Diamante, Gelo 
Iônicos 
Ex.: NaCl 
Metálicos 
Ex.: Pb, Ni 
SISTEMAS CRISTALINOS 
Estruturas Cristalinas são formadas por unidades básicas e 
repetitivas denominadas de Células Unitárias; 
 
1. Célula Unitária - menor arranjo de átomos que pode representar 
um sólido cristalino; 
 
2.Existem 7 sistemas cristalinos básicos que englobam todas as 
substâncias cristalinas conhecidas. 
Classificação das 14 Células Unitárias de Bravais, baseada nos 
7 Sistemas Cristalinos 
CÉLULAS UNITÁRIAS DE BRAVAIS 
PRINCIPAIS ESTRUTURAS CRISTALINAS 
• Maioria dos elementos metálicos (90%) cristaliza-se com 
estruturas altamente densas: 
• Cúbica de Corpo Centrado (CCC) 
• Cúbica de Face Centrada (CFC) 
• Hexagonal Compacta (HC) 
Dimensões das células cristalinas metálicas são pequenas: 
Aresta de uma célula unitária de Fe à temperatura ambiente é 
igual a 0,287 nm; 
 
• Sólidos Cristalinos de 1 único elemento: 
 52% - estrutura cúbica 
28% - estrutura hexagonal 
20 % - outros 5 tipos estruturais 
 Tipos de Cristais 
Cristais Cúbicos 
•Cúbico simples (CS) 
 
•Cúbico de corpo centrado (CCC) 
•Cúbico de face centrada (CFC) 
 
•Cristais Hexagonais 
•Hexagonal simples (HS) 
•Hexagonal compacto (HC) 
FATOR DE EMPACOTAMENTO 
• Fator de Empacotamento (F.E.): nível de ocupação por 
átomos de uma estrutura cristalina; 
N = Número de átomos que efetivamente ocupam a célula; 
 VA = Volume do átomo (4/3.π.r3); 
 r = Raio do átomo; 
VC = Volume da célula unitária. 
ESTRUTURA - Cúbica Simples - CS 
• No de átomos dentro da célula unitária 1/8 de átomo em 
cada vértice: 8x1/8=1 átomo 
 Volume da célula 
Fator de Empacotamento 
ESTRUTURA CFC - Metais (Al, Cu, Au, Ag) 
• No de átomos dentro da célula unitária; 
 1/8 de átomo nos vértices e 1/2 nas faces: 8x1/8+3=4 átomos 
Volume da célula 
Fator de Empacotamento 
Vc = 16r
3√2 
F.E = N. VA/ Vc 
F.E = 0,74 
a = 2r√2 
ESTRUTURA CCC - Metais (Fe, Nb, Cr) 
• No de átomos dentro da célula unitária ? 
• 1/8 de átomo nos vértices e 1 no centro: 8x1/8+1 = 2 
átomos. 
• Volume da célula 
Fator de Empacotamento 
ESTRUTURA – Hexagonal Simples- HS 
Nº de átomos dentro da célula unitária? 
1/6 de átomo nos vértices e 1/2 nas faces: 12x1/6+1=3 átomos 
Volume da célula 
Fator de Empacotamento 
ESTRUTURA Hexagonal Compacta–HC 
metais (Ti, Mg, Zn) 
No de átomos dentro da célula unitária; 
1/6 de átomo nos vértices e 1/2 nas faces e 3 no interior: 
12x1/6+1=3 + 3 átomos = 6 
Volume da célula 
Fator de Empacotamento 
SEQÜÊNCIA DE EMPILHAMENTO 
Fator de Empacotamento das estruturas cúbicas e 
hexagonais: 
CS – 0,52 
CCC - 0,68 
CFC - 0,74 ⇐ 
 HS - 0,60 
HC - 0,74 ⇐ 
 Cálculo da densidade dos Metais 
• O conhecimento da estrutura cristalina permite o cálculo da 
densidade. 
n = número de átomos associados a 
cada célula unitária 
A = peso atômico 
Vc = volume da célula unitária 
NA = 6,02 X 10
23 átomos/mol 
 Ex: O cobre possui um raio atômico de 
0,128 nm, uma estrutura cristalina CFC e 
um peso atômico de 63,5 g/mol. Calcular 
sua densidade: 
ALOTROPIA OU POLIMORFISMO 
• Fenômeno onde uma substância apresenta variações de 
arranjos cristalinos em diferentes condições dos elementos 
químicos conhecidos, 40 % apresentam variações alotrópicas 
POLIMORFISMO DO Fe 
Ferro Puro 
POLIMORFISMO DO CARBONO 
Carbono 
Exercícios 
À TEMPERATURA AMBIENTE, O ESTRÔNCIO EXIBE ESTRUTURA 
CFC. AO SER AQUECIDO ACIMA DE 557 ºC, ESSE ARRANJO ATÔMICO 
TRANSFORMA-SE EM CCC. 
DETERMINE A VARIAÇÃO DE VOLUME QUE ENVOLVE ESSA 
TRANSFORMAÇÃO ALOTRÓPICA. CONSIDERE QUE O RAIO 
ATÔMICO PERMANECE CONSTANTE. 
Antes da transformação: 
Após a transformação: 
POLIMORFISMO DO Ti 
Baixa densidade, boa 
resistência mecânica, alta 
resistênciaà fadiga e à 
corrosão; 
Modificação do 
comportamento mecânico é 
obtido com a adição de 
elementos de liga ao titânio; 
 Elementos de liga podem 
mudar a estabilidade das 
estruturas cristalinas. 
Estrutura cristalina dos materiais Cerâmicos 
• A estrutura cristalina das cerâmicas é mais complexa que a 
dos metais; 
 
Muitas cerâmicas exibem uma combinação de ligações iônica e 
covalente; 
• Estruturas cristalina dos materiais cerâmicos 
 Tipo AX 
Ex: sal-gema (NaCl) 
 
Tipo AmXp 
Ex: Fluorita (CaF2) 
 
 
Tipo AmBnXp 
Ex: Titanato de Bário (BaTiO3) 
Estrutura AX das cerâmicas 
• Materiais com números iguais de cátions (A) e ânions (X); 
 
• Ex1: Sal-Gema ou cloreto de sódio (NaCl) 
É gerada a partir de um arranjo CFC para os ânions, com o cátion 
situado no centro do cubo e no centro de cada uma das 12 
arestas do mesmo cubo. 
Outros exemplos: MgO, MnS, LiF e o FeO 
Estrutura cristalina tipo AmXp 
 
• Materiais com números diferentes de cátions (A) e ânions (X), 
onde m e/ou p ≠1; 
• Ex: composto com a fórmula AX2, Fluorita (CaF2) , Os íons F- 
estão posicionados nos vértices e os íons Ca2+, nos centros 
dos cubos; 
Célula unitária para a estrutura cristalina da fluorita 
Estrutura cristalina tipo AmBnXp 
• Materiais com mais que um tipo de cátion (A e B); 
• Ex: Titanato de Bário (BaTiO3), com os cátions Ba
2+ e Ti4+ 
• Os íons Ba2+estão posicionados nos 8 vértices, o íon Ti4+ nos 
centros e o 02-, no centro de cada uma das faces do cubo. 
Célula unitária para a estrutura cristalina do titanato de bário 
Estruturas dos Polímeros 
• MECANISMO DE POLIMERIZAÇÃO 
• 
• Classificam-se em duas categorias gerais: adição e condensação. 
• 
• A reação abaixo mostra a polimerização por adição, a qual meros sucessivos 
são adicionados à molécula a fim de aumentá-la. 
• 
• H H H H H H H H H H 
• | | (calor, pressão e luz) | | | | | | | | 
• C = C -----C----C----C----C----C----C----C----C----- 
• | | | | | | | | | | 
• H H H H H H H H H H n 
• 
• Monômero Mero Polímero 
• 
• A polimerização por condensação pode ser descrita como uma polimerização de 
subprodutos, A reação produz c/subproduto pequenas moléculas (Ex. H2O) 
paralelamente ao crescimento da molécula polimérica. 
•Obrigada!!