Estrutura cristalina (01)

Esta é uma pré-visualização de arquivo. Entre para ver o arquivo original

*
Josiane Dantas
Senai/Cimatec
*
Josiane Dantas
Senai/Cimatec
Materiais cristalinos - (Assunto)
- Conceitos fundamentais: célula unitária
- Sistemas cristalinos
- Polimorfismo e alotropia 
-Direções e planos cristalográficos, anisotropia
-Determinação das estruturas cristalinas por difração de raios-x.
*
Josiane Dantas
Senai/Cimatec
Estrutura dos materiais: importância
As propriedades dos materiais estão diretamente relacionadas às suas estruturas cristalinas.
Explica a diferença significativa nas propriedades de materiais cristalinos e não cristalinos de mesma composição.
*
Josiane Dantas
Senai/Cimatec
Metais  estruturas relativamente simples.
Cerâmicos  estruturas complexas.
Tipos de materiais x estruturas
Polímeros  estruturas muito complexas.
*
Josiane Dantas
Senai/Cimatec
O que é estrutura dos materiais?
É o arranjo que os átomos podem assumir no estado sólido.
Exemplos: 1 - Uma caixa cheia de bolas de gude. 2 - Pilhas de laranjas no supermercado.
*
Josiane Dantas
Senai/Cimatec
*
Josiane Dantas
Senai/Cimatec
Átomos situados em um arranjo que se repete ou que é periódico ao longo de grandes distâncias atômicas. 
Estrutura cristalina
 Todos os metais, muitos materiais cerâmicos e certos polímeros formam estruturas cristalinas sob condições normais de solidificação. 
*
Josiane Dantas
Senai/Cimatec
Estrutura não-cristalina ou amorfa
Não existe ordem de longo alcance na disposição dos átomos. 
As propriedades dos materiais sólidos cristalinos depende da estrutura cristalina, ou seja, da maneira na qual os átomos, moléculas ou íons estão espacialmente dispostos.
*
Josiane Dantas
Senai/Cimatec
Como descrever as estruturas cristalinas?
 Utilizando a célula unitária.
 Consiste num pequeno grupo de átomos que forma um modelo repetitivo ao longo da estrutura tridimensional.
 É escolhida para representar a simetria da estrutura cristalina.
 É a unidade estrutural básica e define a estrutura cristalina em virtude da sua geometria e das posições dos átomos no seu interior.
*
Josiane Dantas
Senai/Cimatec
Tipos de células unitárias 
Rede de Bravais 
 São empilhadas pra formar os sistemas cristalinos no espaço tridimensional. 
 Possuem características que diferenciam uma das outras e auxiliam na definição das propriedades de um material particular. 
*
Josiane Dantas
Senai/Cimatec
Parâmetros de rede
 O tamanho e a forma da célula unitária podem ser descritos pelos 3 vetores de rede, a, b e c, com origem em um dos vértices da célula unitária.
 Os comprimentos a, b e c e os ângulos ,  e  são os parâmetros de rede.
*
Josiane Dantas
Senai/Cimatec
 Relação entre os parâmetros de rede e a geometria das células unitárias.
*
Josiane Dantas
Senai/Cimatec
Estudaremos apenas 2 tipos de estruturas cristalinas
 1 – Cúbica 
2 – Hexagonal
L
*
Josiane Dantas
Senai/Cimatec
Sistema cúbico simples - CS
Parâmetro de rede
Apenas 1/8 de cada átomo cai dentro da célula unitária, ou seja, a célula unitária contém apenas 1 átomo.
*
Josiane Dantas
Senai/Cimatec
Número de coordenação - NC
É o número de átomos vizinhos mais próximos.
NC = 6.
*
Josiane Dantas
Senai/Cimatec
Relação entre o raio atômico e o parâmetro de rede 
 a = 2r
*
Josiane Dantas
Senai/Cimatec
Fator de empacotamento atômico - FEA 
É a relação entre o volume ocupado pelos átomos e o volume da célula unitária.
FEA = volume de 1 átomo (esfera) x 1 átomo / volume do cubo .
Os metais não cristalizam na estrutura cúbica simples, devido ao baixo empacotamento atômico.
lll
*
Josiane Dantas
Senai/Cimatec
Daremos ênfase apenas as seguintes estruturas cristalinas:
1 – Cúbico de corpo centrado – CCC 2 – Cúbico de face centrada – CFC 
São essas as estruturas cristalinas mais comuns dos metais.
*
Josiane Dantas
Senai/Cimatec
Cúbica de corpo centrado - CCC
 Esta célula contém 1 átomo em cada vértice do cubo e 1 átomo em seu interior.
 Exemplos: cromo, ferro e tungstênio.
*
Josiane Dantas
Senai/Cimatec
Cúbica de corpo centrado - CCC
*
Josiane Dantas
Senai/Cimatec
Cúbica de corpo centrado - CCC
*
Josiane Dantas
Senai/Cimatec
Número de coordenação - NC
 NC = 8
*
Josiane Dantas
Senai/Cimatec
Relação entre o raio atômico e o parâmetro de rede 
 a = 4R /(3)1/2
 Os átomos se tocam ao longo da diagonal do cubo.
*
Josiane Dantas
Senai/Cimatec
Fator de empacotamento atômico - FEA 
FEA = volume de 1 átomo (esfera) x 2 átomos / volume do cubo .
Estrutura CCC
*
Josiane Dantas
Senai/Cimatec
 Suponha a estrutura do ferro CCC cujo raio atômico é 0,124nm calcule o fator de empacotamento.
Exemplo
*
Josiane Dantas
Senai/Cimatec
Cúbica de face centrada - CFC
Esta célula contém 1 átomo em cada vértice do cubo, além de 1 átomo em cada face.
É o sistema mais comum encontrado nos metais. Exemplos: cobre, alumínio, prata e ouro.
*
Josiane Dantas
Senai/Cimatec
Cúbica de face centrada - CFC
*
Josiane Dantas
Senai/Cimatec
Cúbica de face centrada - CFC
*
Josiane Dantas
Senai/Cimatec
Número de coordenação - NC
 NC = 12
Há 4 átomos por célula unitária.
1/8 de átomo
1/2 de átomo
*
Josiane Dantas
Senai/Cimatec
Relação entre o raio atômico e o parâmetro de rede 
 Os átomos se tocam através de uma diagonal da face.
*
Josiane Dantas
Senai/Cimatec
Fator de empacotamento atômico - FEA 
FEA = volume de 1 átomo (esfera) x 4 átomos / volume do cubo .
Estrutura CFC
*
Josiane Dantas
Senai/Cimatec
Resumo: sistema cúbico 
*
Josiane Dantas
Senai/Cimatec
A partir de agora, vamos falar sobre o sistema hexagonal
Hexagonal
Hexagonal compacta - HC
Hexagonal simples - HS
*
Josiane Dantas
Senai/Cimatec
Hexagonal simples - HC
Os metais não cristalizam no sistema hexagonal simples porque o fator de empacotamento é muito baixo.
*
Josiane Dantas
Senai/Cimatec
Daremos ênfase apenas a estrutura hexagonal compacta - HC
É mais comum nos metais.
*
Josiane Dantas
Senai/Cimatec
Hexagonal compacta - HC
Esta célula contém 1 átomo em cada vértice dos hexágonos, 1 átomo no centro de cada hexágono e 3 átomos em seu centro.
Exemplos: magnésio, titânio e zinco.
*
Josiane Dantas
Senai/Cimatec
Hexagonal compacta - HC
*
Josiane Dantas
Senai/Cimatec
Quantos átomos há em cada célula unitária 
1/6 de cada um dos 12 átomos localizado nos vértices das faces, 1/2 de cada um dos 2 átomos centrais das faces e os 3 átomos internos.
Há 6 átomos por célula unitária.
*
Josiane Dantas
Senai/Cimatec
Parâmetros de rede – a e c
Razão c/a ideal = esferas uniformes empilhadas da maneira mais compacta possível.
a = 2R
*
Josiane Dantas
Senai/Cimatec
Número de coordenação – NC e fator de empacotamento atômico - FEA
 NC = 12
 FEA = 0,74 = 74%
*
Josiane Dantas
Senai/Cimatec
Materiais cerâmicos
Alguns dos materiais cerâmicos usuais são aqueles em que existem números iguais de cátions e ânions. Esses materiais são designados por compostos AX, sendo A o cátion e X o ânion.
Os compostos AX podem ser:
Sal-gema (NaCl) - CFC
Cloreto de césio (CsCl) - CS
Blenda de zinco ou esfalerita (ZnS) - CFC
*
Josiane Dantas
Senai/Cimatec
Sal-gema (NaCl) - CFC
Na
Cl
*
Josiane Dantas
Senai/Cimatec
Sal-gema (NaCl) - CFC
MgO, MnS, LiF e FeO
*
Josiane Dantas
Senai/Cimatec
Podem ainda existir outras estruturas ...
... estruturas nas quais as cargas dos cátions e dos ânions não são iguais, são as estruturas do tipo AmXp, sendo m ≠ p. Exemplo: CaF2. 
... e estruturas nas quais existam mais de um tipo de cátion, representados por A e B, são as estruturas do tipo AmBnXp. Exemplo:
BaTiO3. 
*
Josiane Dantas
Senai/Cimatec
Titanato de Bário (BaTiO3) – CFC
*
Josiane Dantas
Senai/Cimatec
Quartzo e alumina
Quartzo – SiO2
Alumina – Al2O3
*
Josiane Dantas
Senai/Cimatec
Densidade - 
O conhecimento da estrutura cristalina de um sólido permite o cálculo da sua densidade verdadeira.
Sendo: n = número de átomos associados a cada célula unitária; A = peso atômico; Vc = volume da célula unitária e NA = número de Avogadro (6,023x1023 átomos/mol)
*
Josiane Dantas
Senai/Cimatec
Exemplo
O cobre têm raio atômico de 0,128nm (1,28 Å), uma estrutura CFC, peso atômico de 63,5 g/mol. Calcule a sua densidade.
- CFC possui 4 átomos/célula unitária
- Vc = a3 = (4R/21/2)3 = 4,74 x 10-23 cm3
- R = 0,128 nm = 1,28 x 10-8 cm
- NA = 6,023x1023 átomos/mol
Valor encontrado na literatura é de  = 8,94g/cm3.
*
Josiane Dantas
Senai/Cimatec
Polimorfismo ou alotropia
Alguns metais e não-metais podem ter mais de uma estrutura cristalina dependendo da temperatura e pressão. Esse fenômeno é conhecido como polimorfismo.
Geralmente, as transformações polimórficas são acompanhadas de mudanças na densidade e mudanças de outras propriedades físicas.
*
Josiane Dantas
Senai/Cimatec
Exemplos
 Carbono 
Grafita é estável nas condições ambientais, enquanto que o diamante é formado a pressões extremamente elevadas.
Grafita – usado em moldes de fundição para ligas metálicas. Diamante – usado na confecção de ferramentas de corte, como brocas para perfurações. 
*
Josiane Dantas
Senai/Cimatec
 CARBONO:Formas alotrópicas do carbono.
 Grafita ou Grafite /Diamante / Fulereno 
Outra forma alotrópica do carbono é o fulereno que é muito utilizado pela medicina como artiviral, antioxidante e antimicrobiano.
*
Josiane Dantas
Senai/Cimatec
 Ferro 
Na temperatura ambiente, o ferro tem estrutura CCC, NC = 8, FEA = 0,68 e raio atômico de 1,241Å.
A 912°C, o ferro passa para CFC, NC = 12, FEA = 0,74 e raio atômico de 1,292Å.
A 1394°C, o ferro passa novamente para CCC.
*
Josiane Dantas
Senai/Cimatec
 
- Direções e planos cristalográficos, anisotropia
- Determinação das estruturas cristalinas por difração de raios-x.
Fim
Próxima aula
DIREÇÕES NOS CRISTAIS