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Estrutura dos Sólidos Cristalinos Grau de Ordenação Atômica • Ordenação de Curto Alcance -> Ordem regular e previsível dos átomos em curta distância, considerando-se de 1 a 2 distâncias interatômicas (vapor de água, gás nitrogênio, sílica amorfa, vidro); • Ordenação de Longo Alcance -> Arranjo regular e repetitivo dos átomos em um sólido, que se estende por longas distâncias (metais, maioria dos cerâmicos e alguns polímeros). Conceitos Fundamentais • Classificação dos materiais de acordo com o tipo de ordenação atômica. Conceitos Fundamentais • Materiais sólidos podem ser classificados de acordo com a regularidade segundo a qual os átomos estão arranjados; • Um material cristalino é aquele no qual os átomos estão em um arranjo que se repete periodicamente ao longo de grandes distâncias atômicas (ordem de longo alcance); • Quando ocorre a solidificação, os átomos se posicionarão em um padrão tridimensional repetitivo, em que cada átomo está ligado aos seus átomos vizinhos mais próximos; • Todos os metais, muitas cerâmicas e certos polímeros formam estruturas cristalinas sob condições normais de solidificação; Conceitos Fundamentais • Existe um número grande de estruturas cristalinas de longo alcance diferentes; • Variam desde estruturas simples, como nos metais, até estruturas excessivamente complexas como em alguns materiais cerâmicos e poliméricos; • Ao descrever as estruturas cristalinas, os átomos são considerados esferas sólidas que possuem diâmetros bem definidos (modelo da esfera rígida atômica); • Retículo é uma matriz tridimensional de pontos que coincidem com as posições dos átomos (ou centros das esferas); Células Unitárias • A ordenação atômica nos sólidos cristalinos indica que pequenos grupos de átomos formam um padrão repetitivo; • Nas estruturas cristalinas, subdivide-se a estrutura em pequenas entidades que se repetem, as células unitárias; • As células unitárias são paralelepípedos ou prismas que possuem três conjuntos de faces perpendiculares; • Uma célula unitária é escolhida para representar a simetria da estrutura cristalina - todas as posições dos átomos podem ser geradas mediante translações ao longo de suas arestas; Células Unitárias • A célula unitária consiste na unidade estrutural básica da estrutura cristalina e a define em virtude da sua geometria e das posições dos átomos no seu interior; • Em geral, os vértices do paralelepípedo devem coincidir com os centros dos átomos em forma de esferas rígidas; • Mais de uma única célula unitária pode ser escolhida para uma estrutura cristalina específica; porém geralmente usamos a célula unitária que possui o maior grau de simetria geométrica. Células Unitárias Sistemas Cristalinos • Os cristais têm 7 possíveis combinações de comprimentos das arestas e ângulos entre os eixos; • Cada combinação representa um sistema cristalino distinto; • O sistema cúbico, para o qual o comprimentos e os ângulos são iguais entre si possui o maior grau de simetria; • A menor simetria é apresentada pelo sistema triclínico, uma vez que tanto os comprimentos quanto o ângulos não tem valores iguais; Sistemas Cristalinos Redes de Bravais • Os sistemas cristalinos são apenas entidades geométricas. Quando posicionamos átomos dentro destes sistemas formamos redes (ou estruturas) cristalinas; • Existem 14 redes que permitem preencher o espaço tridimensionalmente; • Vamos ver mais detalhadamente 4 estruturas cristalinas: - Cúbica Simples - Cúbica de Corpo Centrado - Cúbica de Faces Centradas - Hexagonal Compacta Estruturas Cristalinas • As estruturas CFC e CCC pertencem ao sistema cristalino cúbico, enquanto a HC se enquadra na categoria de sistema cristalino hexagonal; • Nas cerâmicas as estruturas cristalinas são descritas em termos de células unitárias mais complexas do que aquelas para os sistemas CFC, CCC e HC; • De acordo com a geometria da célula unitária, as estruturas cristalinas destes outros tipos de materiais também estão agrupadas dentro dos sete sistemas cristalinos. Revisão • Sistema Cristalino -> Entidade geométrica que representa as posições; • Rede/Estrutura Cristalina -> Quando posicionamos átomos dentro destes sistemas formamos redes cristalinas (Redes de Bravais); • Célula Unitária -> A unidade estrutural básica de uma estrutura cristalina. Definida em termos de posições atômicas (ou iônicas) dentro do volume de um paralelepípedo. Estruturas Cristalinas dos Metais • A ligação metálica é não-direcional; • Não existem restrições em relação ao número e à posição dos átomos vizinhos mais próximos; • Número grande de vizinhos mais próximos, bem como a empacotamentos densos dos átomos para a maioria das estruturas cristalinas dos metais; • Existem alguns parâmetros utilizados para se definir e compreender as estruturas cristalinas, eles são: Estruturas Cristalinas dos Metais • Número de átomos dentro da célula unitária -> Quanto átomos cabem dentro da célula unitária; • Número de coordenação (NC) -> Representa o número de átomos vizinhos mais próximos ou de átomos em contato de um átomo em determinada estrutura; • Fator de empacotamento atômico (FEA); Fator de Empacotamento Atômico • Representa o grau de ocupação e a quantidade de vazios (interstícios) varia de estrutura para estrutura; • Este grau de ocupação da célula unitária é denominado Fator de Empacotamento Atômico (FEA) -> razão entre o volume total dos átomos dentro da célula, pelo volume da célula; • Os metais possuem FEA elevados, maximizando a proteção dada aos núcleo atômicos positivos pela nuvem de elétrons livres. Estrutura Cúbica Simples (CS) • Raríssima, com baixa densidade de empacotamento; • Apenas o Polônio possui esta estrutura; • 1/8 de cada átomo nos vértices do cubo está dentro da célula -> 8 átomos nos 8 vértices -> 1 átomo • Número de Coordenação (NC) = 6 • Fator de Empacotamento Atômico (FEA) = 0,52 Estrutura Cúbica Simples (CS) • FEA para CS = 0,52 FEA = a3 4 3 p (0.5a) 31 átomos na célula do átomo volume da célula unitária volume FEA = Volume de átomos na célula unitária* Volume da célula unitária *assumindo que os átomos são esferas maciças a R=0.5a 8 x 1/8 = 1 Átomo/célula unitária
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