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PRINCÍPIOS DA CIÊNCIA E TECNOLOGIA DOS MATERIAIS AULA 02: ESTRUTURA CRISTALINA DOS MATERIAIS Prof. Iran Aragão PRINCÍPIOS DA CIÊNCIA E TECNOLOGIA DOS MATERIAIS Aula 02: Estrutura Cristalina dos Materiais Objetivo da aula Ao final desta aula, você deverá conhecer: 1. Estrutura da Matéria; 2. A malha cristalina; 3. Tipos principais de estruturas cristalinas; 4. Estrutura cristalina dos Metais. PRINCÍPIOS DA CIÊNCIA E TECNOLOGIA DOS MATERIAIS Aula 02: Estrutura Cristalina dos Materiais Importância das ligações metálicas, iônicas e covalentes, na classificação dos metais, cerâmicos e polímeros; INTRODUÇÃO PRINCÍPIOS DA CIÊNCIA E TECNOLOGIA DOS MATERIAIS Aula 02: Estrutura Cristalina dos Materiais Importância das ligações metálicas, iônicas e covalentes, na classificação dos materiais: metais, cerâmicos e polímeros. Conhecer as estruturas cristalinas dos materiais. Relacionar esta análise com o comportamento mecânico durante seu emprego; INTRODUÇÃO PRINCÍPIOS DA CIÊNCIA E TECNOLOGIA DOS MATERIAIS Aula 02: Estrutura Cristalina dos Materiais As propriedades macroscópicas dos materiais dependem essencialmente do tipo de ligação entre os átomos. O tipo de ligação depende fundamentalmente dos elétrons (camada de valência). Os elétrons são influenciados pelos prótons e nêutrons que formam o núcleo atômico. Os prótons e nêutrons caracterizam quimicamente o elemento e seus isótopos. LIGAÇÃO ATÔMICA PRINCÍPIOS DA CIÊNCIA E TECNOLOGIA DOS MATERIAIS Aula 02: Estrutura Cristalina dos Materiais Os materiais são constituídos por átomos que, no estado sólido, se mantêm unidos por ligações químicas primárias e secundárias. Esse tipo de ligação afeta as propriedades químicas e físicas do material. CONSTITUIÇÃO DOS MATERIAIS PRINCÍPIOS DA CIÊNCIA E TECNOLOGIA DOS MATERIAIS Aula 02: Estrutura Cristalina dos Materiais O conhecimento das forças interatômicas que ligam os átomos entre si nos permitem entender muitas das propriedades físicas dos materiais. Forças de ligação e energias de ligação Sua magnitude varia com a distância. PRINCÍPIOS DA CIÊNCIA E TECNOLOGIA DOS MATERIAIS Aula 02: Estrutura Cristalina dos Materiais FORÇAS DE LIGAÇÃO E ENERGIAS DE LIGAÇÃO PRINCÍPIOS DA CIÊNCIA E TECNOLOGIA DOS MATERIAIS Aula 02: Estrutura Cristalina dos Materiais Basicamente toda matéria é constituída de Moléculas; o átomo é a unidade fundamental do material; a estrutura do átomo segue o modelo de Bohr: CONSTITUIÇÃO DA MATÉRIA PRINCÍPIOS DA CIÊNCIA E TECNOLOGIA DOS MATERIAIS Aula 02: Estrutura Cristalina dos Materiais CONSTITUIÇÃO DA MATÉRIA PRINCÍPIOS DA CIÊNCIA E TECNOLOGIA DOS MATERIAIS Aula 02: Estrutura Cristalina dos Materiais LIGAÇÕES QUÍMICAS Representam a união entre os átomos de um mesmo elemento ou de elementos diferentes. Quando os átomos se unem, modificam sua eletrosfera, ganhando, perdendo ou compartilhando elétrons. Dependendo dos átomos que se unem, as ligações podem ser iônicas, covalentes, metálicas. PRINCÍPIOS DA CIÊNCIA E TECNOLOGIA DOS MATERIAIS Aula 02: Estrutura Cristalina dos Materiais Iônica Covalente Metálica Van Der Waal ASSOCIAÇÃO DE ÁTOMOS PRINCÍPIOS DA CIÊNCIA E TECNOLOGIA DOS MATERIAIS Aula 02: Estrutura Cristalina dos Materiais Ligação Iônica Elétrons sendo liberados pelas camadas de valência; ASSOCIAÇÃO DE ÁTOMOS PRINCÍPIOS DA CIÊNCIA E TECNOLOGIA DOS MATERIAIS Aula 02: Estrutura Cristalina dos Materiais * Ligação iônica Resulta da atração entre cátions e ânions. Todas as substâncias iônicas são sólidas. Apresentam-se na forma de cristais. PRINCÍPIOS DA CIÊNCIA E TECNOLOGIA DOS MATERIAIS Aula 02: Estrutura Cristalina dos Materiais Covalente Elétrons sendo compartilhados com átomos adjacentes (hidrogênio, ametais e semimetais). Esse tipo de ligação é comum em compostos orgânicos, por exemplo em materiais poliméricos e diamante. ASSOCIAÇÃO DE ÁTOMOS Quando os átomos se unem por ligação covalente formam as substâncias covalentes ou moleculares. PRINCÍPIOS DA CIÊNCIA E TECNOLOGIA DOS MATERIAIS Aula 02: Estrutura Cristalina dos Materiais * LIGAÇÃO COVALENTE Representação estrutural plana. PRINCÍPIOS DA CIÊNCIA E TECNOLOGIA DOS MATERIAIS Aula 02: Estrutura Cristalina dos Materiais Van Der Waal Elétrons não são compartilhados, apenas, há influência mútua das ondas eletrônicas estacionarias; ASSOCIAÇÃO DE ÁTOMOS PRINCÍPIOS DA CIÊNCIA E TECNOLOGIA DOS MATERIAIS Aula 02: Estrutura Cristalina dos Materiais Van Der Waal São ligações secundárias ou físicas A polarização (formação de dipólos) devido a estrutura da ligação produz forças atrativas e repulsivas entre átomos e moléculas A ligação é fraca Exemplo desse tipo de ligação acontece entre átomos de H e em estruturas moleculares polares ASSOCIAÇÃO DE ÁTOMOS PRINCÍPIOS DA CIÊNCIA E TECNOLOGIA DOS MATERIAIS Aula 02: Estrutura Cristalina dos Materiais Metálica Elétrons sendo compartilhados pelos átomos adjacentes; ASSOCIAÇÃO DE ÁTOMOS PRINCÍPIOS DA CIÊNCIA E TECNOLOGIA DOS MATERIAIS Aula 02: Estrutura Cristalina dos Materiais * LIGAÇÃO METÁLICA Um metal é formado por um conjunto de átomos iguais, dispostos em camadas superpostas. PRINCÍPIOS DA CIÊNCIA E TECNOLOGIA DOS MATERIAIS Aula 02: Estrutura Cristalina dos Materiais * O que mantém os átomos unidos em um metal é a atração elétrica entre o conjunto dos elétrons praticamente livres e o conjunto dos cátions. As substâncias que se ligam através de ligações metálicas são os metais, e estes apresentam as propriedades de ductibilidade, maleabilidade e condutividade elétrica LIGAÇÃO METÁLICA PRINCÍPIOS DA CIÊNCIA E TECNOLOGIA DOS MATERIAIS Aula 02: Estrutura Cristalina dos Materiais * Forma-se com átomos de baixa eletronegatividade (apresentam no máximo 3 elétrons de valência) Os elétrons de valência são divididos com todos os átomos (não estão ligados a nenhum átomo em particular) e assim eles estão livres A ligação metálica não é direcional porque os elétrons livres protegem o átomo carregado positivamente das forças repulsivas eletrostáticas LIGAÇÃO METÁLICA PRINCÍPIOS DA CIÊNCIA E TECNOLOGIA DOS MATERIAIS Aula 02: Estrutura Cristalina dos Materiais O modelo resultante dessa disposição típica dos átomos é chamado reticulado; Estes sistemas admitem 14 combinações conhecidas como Rede de Bravais. REDES BRAVAIS PRINCÍPIOS DA CIÊNCIA E TECNOLOGIA DOS MATERIAIS Aula 02: Estrutura Cristalina dos Materiais AS 14 REDES DE BRAVAIS Dos 7 sistemas cristalinos podemos identificar 14 tipos diferentes de células unitárias, conhecidas com redes de Bravais. Cada uma destas células unitárias tem certas características que ajudam a diferenciá-las das outras células unitárias. Estas características também auxiliam na definição das propriedades de alguns materiais. PRINCÍPIOS DA CIÊNCIA E TECNOLOGIA DOS MATERIAIS Aula 02: Estrutura Cristalina dos Materiais As redes cristalinas mais importantes: Cúbica: - Cúbica de corpo centrado (CCC); - Cúbida de face centrada (CFC). Hexagonal: - Hexagonal compacta (HC). REDES BRAVAIS PRINCÍPIOS DA CIÊNCIA E TECNOLOGIA DOS MATERIAIS Aula 02: Estrutura Cristalina dos Materiais A rede cúbica de corpo centrado é uma rede cúbica na qual existe um átomo em cada vértice e um átomo no centro do cubo. Os átomos se tocam ao longo da diagonal. REDE CÚBICA DE CORPO CENTRADO (CCC) PRINCÍPIOS DA CIÊNCIA E TECNOLOGIA DOS MATERIAIS Aula 02: Estrutura Cristalina dos Materiais REDE CÚBICA DE CORPO CENTRADO (CCC) NC: Número de Coordenação, que corresponde ao número de átomos vizinhos mais próximos. PRINCÍPIOS DA CIÊNCIA E TECNOLOGIA DOS MATERIAIS Aula 02: Estrutura Cristalina dos Materiais Fator de empacotamento atômico (APF= atomic packing factor) REDE CÚBICA DE CORPO CENTRADO (CCC) PRINCÍPIOS DA CIÊNCIA E TECNOLOGIA DOS MATERIAIS Aula 02: Estrutura Cristalina dos Materiais A rede cúbica de face centrada é uma rede cúbica na qual existe um átomo em cada vértice e um átomo no centro de cada face do cubo. Os átomos se tocam ao longo das diagonais das faces do cubo. REDE CÚBICA DE FACE CENTRADA (CFC) PRINCÍPIOS DA CIÊNCIA E TECNOLOGIA DOS MATERIAIS Aula 02: Estrutura Cristalina dos Materiais a=4R REDE CÚBICA DE FACE CENTRADA (CFC) PRINCÍPIOS DA CIÊNCIA E TECNOLOGIA DOS MATERIAIS Aula 02: Estrutura Cristalina dos Materiais a=4R REDE CÚBICA DE FACE CENTRADA (CFC) PRINCÍPIOS DA CIÊNCIA E TECNOLOGIA DOS MATERIAIS Aula 02: Estrutura Cristalina dos Materiais A rede hexagonal compacta pode ser representada por um prisma com base hexagonal com átomos na base e no topo e um plano de átomos no meio da altura. O sistema Hexagonal Compacto é mais comum nos metais (ex: Mg, Zn, Be, Cd). REDE HEXAGONAL COMPACTA (HC) PRINCÍPIOS DA CIÊNCIA E TECNOLOGIA DOS MATERIAIS Aula 02: Estrutura Cristalina dos Materiais REDE HEXAGONAL COMPACTA (HC) PRINCÍPIOS DA CIÊNCIA E TECNOLOGIA DOS MATERIAIS Aula 02: Estrutura Cristalina dos Materiais REDE HEXAGONAL COMPACTA (HC) PRINCÍPIOS DA CIÊNCIA E TECNOLOGIA DOS MATERIAIS Aula 02: Estrutura Cristalina dos Materiais TABELA RESUMO PARA O SISTEMA CÚBICO Átomos Número de Parâmetro Fator de por célula coordenação de rede empacotamento CCC 2 8 4R/(3)1/2 0,68 CFC 4 12 4R/(2)1/2 0,74 PRINCÍPIOS DA CIÊNCIA E TECNOLOGIA DOS MATERIAIS Aula 02: Estrutura Cristalina dos Materiais A temperaturas acima de 912° o Fe apresenta-se na forma alotrópica (CCC); Acima de 912° até 1394° (CFC); Acima de 1394° até 1538° (CCC). A alotropia do Fe é importante porque a forma alotrópica pode dissolver o Carbono (C) até 2,11% a 1148o, o que tem grande significado no tratamento térmico dos aços. ALOTROPIA DO FERRO PURO PRINCÍPIOS DA CIÊNCIA E TECNOLOGIA DOS MATERIAIS Aula 02: Estrutura Cristalina dos Materiais Até a próxima aula! Bom Estudo!
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