5. Estrutura dos Sólidos Cristalinos pt.1

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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