Aula 02 estrutura metalica

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Arranjos Atômicos
(Estrutura cristalina metálica)
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Tópicos abordados nesta aula
Como os átomos estão agrupados dentro de estruturas solidas ? 
(foco inicial nos metais)
Como a densidade dos materiais depende de sua estrutura?
Quando as propriedades dos materiais variam com a orientação da amostra ?
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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.
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Estruturas Cristalinas
Muitos materiais (metais, algumas cerâmicas e alguns polímeros) ao se solidificarem, apresentam seus átomos organizados de uma forma tridimensional, conhecida como rede cristalina.
A organização ou regularidade, determina uma periodicidade espacial da distribuição atômica, isto é, depois de um certo intervalo espacial, a disposição dos átomos se repete.
Um sólido que apresenta ordenamento ou periodicidade na distribuição atômica de seus átomos é dito cristalino. 
Quando esta periodicidade não existe, o material é dito amorfo. 
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Arranjo Periódico
Sem ordem:
Os átomos preenchem aleatoriamente o espaço no qual o material está confinado. Este tipo de estado é denominado estado gasoso. 
Ex: Ar, N, He, ...
Ordenamento de curto alcance:
O ordenamento dos átomos se estende até os vizinhos mais próximos. 
Ex: Vidros (SiO4), quatro átomos de oxigênio são ligados covalentemente a um átomo de silício, formando a sílica
Ordenamento de longo-alcance:
O arranjo atômico se estende através de todo o material;
Os átomos formam um padrão regular, repetitivo, como grades ou redes. 
Ex: Supercondutores, metais, muitas cerâmicas e alguns poucos polímeros.
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Ordem atômica vs Alcance
Amorfos
Ordem atômica de curto alcance
Policristalino
Ordem atômica de longo alcance
Presença de grãos ou cristais separados por contornos
Monocristalino
Ordem atômica de longo alcance em todo o grão ou cristal
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Ordem atômica vs Alcance
Fronteira entre dois cristais de TiO2. 
Carbono amorfo.
 Microscopia Eletrônica de Transmissão - MET
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Metais  estruturas relativamente simples.
Cerâmicos  estruturas complexas.
Tipos de materiais x estruturas
Polímeros  estruturas muito complexas.
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Energia e Arranjo atômico
• Não denso, Arranjo aleatório
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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.
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MOTIVO (átomo)  é uma unidade estrutural que se repete regularmente no espaço.
REDE  é um arranjo de pontos no espaço a qual define a relação geométrica entre os motivos numa estrutura. 
DESCRIÇÃO DA REDE  Numa rede plana escolhemos arbitrariamente um ponto “O” como origem, e dois vetores de direções quaisquer, ligando a origem a dois pontos vizinhos: a e b na figura. Os vetores a e b dão origem à célula da rede.
Como surge as células unitárias?
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Quem é o “motivo” de cada rede bidimensional???
motivo par de átomos.
motivo um átomo.
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Célula primitiva
Célula Primitiva  possui um único ponto (motivo = átomo) por célula.
Célula não primitiva  possui mais de um ponto por célula.
Numa Célula primitiva, cada ponto é compartilhado no plano, por outras três vizinhas. 
Já no espaço cada ponto é compartilhado por sete outras vizinhas. 
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No espaço (3D)
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Célula não-primitiva
Contém 2 pontos por célula. 
Ela é centrada. 
No espaço, uma célula centrada contém:
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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.
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Os SETE Sistemas Cristalográficos
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Continuação...... Sistema Cristalográficos
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Tipos de células unitárias 
 14 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. 
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14 Rede de Bravais 
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Estudaremos apenas 2 tipos de estruturas cristalinas
 1 – Sistema Cúbico 
2 – Sistema Hexagonal
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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.
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Número de coordenação - NC
É o número de átomos vizinhos mais próximos.
NC = 6.
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Relação entre o raio atômico e o parâmetro de rede 
a = 2R
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Fator de empacotamento atômico - FEA 
É a relação entre o volume ocupado pelos átomos e o volume da célula unitária.
Os metais não cristalizam na estrutura cúbica simples, devido ao baixo empacotamento atômico.
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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.
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Cúbica de corpo centrado - CCC
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Número de coordenação - NC
 NC = 8
As diagonais dos 8 cubos !!!
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Relação entre o raio atômico e o parâmetro de rede 
 Os átomos se tocam ao longo da diagonal do cubo.
Como chegamos a essa relação de a e R????
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Fator de empacotamento atômico - FEA 
Estrutura CCC
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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.
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Cúbica de face centrada - CFC
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Número de coordenação - NC
 NC = 12
Há 4 átomos por célula unitária.
1/8 de átomo
1/2 de átomo
DIAGONAL DAS 12 FACES!!!!
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Relação entre o raio atômico e o parâmetro de rede 
 Os átomos se tocam através de uma diagonal da face.
Como chegamos a essa relação de a e R????
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Fator de empacotamento atômico - FEA 
Estrutura CFC
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Resumo: sistema cúbico 
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Exercícios
3.2 do livro Callister - 7ª edição 
 Se o raio atômico do chumbo vale 0,175 nm, calcule o volume da sua célula unitária em m3, sabendo que este metal se cristaliza no sistema CFC
3.3 do livro Askeland
 Calcule o raio atômico, em cm, para os seguintes materiais
Metal CCC com a = 0,3294 nm
Metal CFC com a = 4,0862 Å
3.4 do livro Askeland
 Determine as estruturas cristalinas dos seguintes materiais, sabendo que eles pertencem ao sistema cúbico.
Metal a = 4,9484 Å e r = 1,75 Å
Metal com a = 0,42906 nm e r = 0,1858 nm
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Hexagonal simples - HS
Os metais não cristalizam no sistema hexagonal simples porque o fator de empacotamento é muito baixo.
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Daremos ênfase apenas a estrutura hexagonal compacta - HC
É mais comum nos metais.
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Hexagonal compacta - HC
Esta célula contém 1 átomo em cada vértice dos hexágonos, 1 átomo no centro de cada base do hexágono e 3 átomos em seu centro.
Exemplos: magnésio, titânio e zinco.
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Hexagonal compacta - HC
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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.
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Parâmetros de rede – a e c
Razão c/a ideal = esferas uniformes empilhadas da maneira mais compacta possível.
a = 2R
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Número de coordenação – NC e fator de empacotamento atômico - FEA
 NC = 12
 FEA = 0,74 = 74%
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Por que os metais se cristalizam nas estruturas CFC, CCC e HC e não nas estruturas CS e HS    
Importante!!!!!