Aula 2 Estrutura cristalina e imperfeições

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Ciência dos Materiais
Aula 2 - Estrutura Cristalina
Prof. Dr. Lucas Vono
Profa. Ma. Camila A. Wegermann
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• Ligações químicas: Iônica, covalente e metálica;
• Classes de materiais: Cerâmicas, polímeros e metais;
• Relações entre a ligação química e as propriedades dos materiais;
e-
iônica
e- e-
covalente
e- e-
e- e-
e-e-
e- e
-
e-
e-
e-
e-
e- e-
e-
e-
e-
metálica
Aula de Hoje
Domínios:
Arranjo molecular;
Estrutura Cristalina.
Referências:
CALLISTER, Jr., Ciência e engenharia dos materiais uma introdução: 8ª ed.,
capítulo 3 (pg 38-46, 60-61 e 68).
Referências complementares:
Brown, L. S. e Holme, T. A., Química geral aplicada à engenharia. 3ªed. 2014,
capítulo 8 (pg 255-261).
Estrutura Cristalina
Sólido Cristalino: é um
sólido ordenado no qual os
átomos, íons ou moléculas
encontram-se num arranjo
ordenado chamado retículo.
Sólido amorfo: é aquele
onde os átomos, íons ou
moléculas encontram-se
num estado desordenado.
Estrutura Cristalina
SÓLIDO CRISTALINO vs SÓLIDO AMORFO
Classificação dos sólidos
• Sólidos metálicos: Metais ou ligas metálicas consistem de cátions
mantidos unidos por um mar de elétrons.
• Sólidos iônicos: Construídos pela atração mutua de cátions e ânions.
• Sólidos reticulares: Consistem de átomos ligados aos seus vizinhos
covalentemente através da extensão do sólido.
• Sólidos moleculares: São conjuntos de moléculas discretas mantidas
por forças intermoleculares.
Estrutura Cristalina
Células unitárias
Estrutura Cristalina
1. Delineie uma célula unitária para o padrão mostrado abaixo. Se os quadrados pretos são
rotulados A e os brancos são rotulados B, qual será a quantidade de A e de B por célula unitária?
Estrutura Cristalina
8 quadrados brancos (B)
1 quadrado preto (A)
Logo:
AB8
12 quadrados brancos (B)
4 quadrado preto (A)
Logo:
A4B12 (ou reduzido AB3)
Empacotamento Atômico e Célula Unitárias
Em uma material cristalino, os átomos se agrupam ordenadamente promovendo
uma espécie de empacotamento atômico.
CÚBICO SIMPLES 
CÚBICO DE CORPO 
CENTRADO 
CÚBICO DE FACE 
CENTRADA 
Estrutura Cristalina
do cloreto de sódio
NaCl (Na+Cl-)
2D
3D
Célula cúbica de 
face centrada
CFC
Células unitárias
CÚBICO
a = b = c
a = b = g = 90
TETRAGONAL
a = b ≠ c
a = b = g = 90
ORTORRÔMBICO
a ≠ b ≠ c
a = b = g = 90˚
HEAGONAL
a = b ≠ c
a = b = 90˚; g = 120˚
MONOCLÍNICO
a ≠ b ≠ c
a = g = 90˚; b = 120˚
TRICLÍNICO
a ≠ b ≠ c
a ≠ b ≠ g ≠ 90
O sombreamento nesta tabela indica a estrutura cristalina 
mais estável para o estado sólido dos elementos
Formas de empacotamento
Materiais Metálicos
Qual a importância disso?
• HC e CFC – mesmo tipo de plano compacto. Diferença no 
empilhamento
• Hexagonal compacto são duros, frágeis. Ex: Zn, Mg
• CFC são mais moles e maleáveis. Ex: Au, Ag, Cu
Polimorfismo e alotropia
• Variação da estrutura cristalina com a variação da temperatura e pressão.
• Substância composta: Polimorfismo.
• Substância pura: Alotropia.
Polimorfismo e alotropia
célula unitária do diamante
No grafite, os átomos de carbono formam
camadas planas que são arranjadas em um
padrão tridimensional hexagonal.
No diamante, cada átomo de carbono faz
quarto ligações covalentes fortes com
quatro outros átomos de carbono.
Polimorfismo e alotropia 
Ferro CCC, menos denso
Ferro CFC, mais denso
Parâmetros Cristalinos
Número de átomos por 
célula unitária
Exemplo:
Volume da célula 
unitária
Fator de empacotamento
Cada face contém ½ átomo;
Cada vértice contem 1/8 de átomo;
O centro contem 1 átomo inteiro.
3aVc 
O valor da aresta dependerá de 
cada célula unitária
   
 CS
E
V
Vn
FEA


n = Número de átomos por célula unitária.
VE = Volume dos átomos (esferas).
VCS = Volume da célula unitária CS.
Parâmetros Cristalinos
Número de átomos por 
célula unitária
Volume da célula 
unitária
Fator de empacotamento
Quantos átomos essa 
célula possui?
Qual é o volume dessa 
célula?
Qual seria o fator de 
empacotamento de uma rede 
cristalina formada por essa célula 
unitária?
Defeito (discordância) na estrutura cristalina pela substituição de uma célula unitária
Defeitos 
Pontuais
Vacância:
Formação de um espaço vazio no retículo cristalino.
Auto-Intersticial:
Átomos do retículo comprimido em 
um sítio intersticial (depressão).
Intersticial:
Átomos provenientes de impurezas 
comprimido em um sítio intersticial 
(depressão).
Substitucional:
Os átomos se soluto ou de impurezas repõem ou 
substituem átomos hospedeiros.
Defeitos Pontuais
)(
. kT
Q
v
v
eNN


Vacância: Formação de um espaço vazio no 
retículo cristalino.
Defeitos Pontuais
Vacância: Formação de um espaço 
vazio no retículo cristalino.
Auto-Intersticial:
Átomos do retículo comprimido em um sítio intersticial (depressão).
)(
. kT
Q
v
v
eNN


Na equação, o valor de N representa o número de
sítios totais em uma estrutura cristalina. Ou seja, N representa o número total de
átomos pertencentes à uma determinada estrutura cristalina (ou o seu volume).
Para encontrar o valor de N, podemos usar o seguinte raciocínio:
)(
. kT
Q
v
v
eNN


𝑁 =
𝑁𝐴 ∙ 𝜇
𝐴
Peso molecular (g. mol-1)
Densidade(g. cm-3)
Número de Avogadro (mol-1)
A análise dimensional justifica 
esta equação:
𝑁 =
𝑚𝑜𝑙−1 ∙ 𝑔. 𝑐𝑚−3
𝑔.𝑚𝑜𝑙−1
𝑁 = 𝑐𝑚−3 = 10−6. 𝑚−3
Questão 1 - Calcule o número de lacuna em equilíbrio, por metro cúbico de
cobre a 1000 0C. A energia para a formação de uma lacuna é de 0,9
eV/átomo; o peso atômico e a massa específica (a 1000 0C) para o cobre
são de 63,5 g/mol e 8,4 g/cm3, respectivamente.
𝑁 =
𝑁𝐴 ∙ 𝜇
𝐴
)(
. kT
Q
v
v
eNN


Impurezas em sólidos: Intersticiais e Substitucionais 
Metal com 99,9999% 
de pureza apresenta 
impurezas da ordem 
de 1022 átomos de 
impureza por metro 
cúbico de metal.
Impurezas em sólidos: Intersticiais e Substitucionais 
SUBSTITUCIONAIS
Os átomos se soluto ou de impurezas
repõem ou substituem átomos hospedeiros
(solvente);
Raio: ±15% do tamanho do raio atômico
do átomo do solvente.
Valência: Os átomos devem apresentar
mesma carga (estado de oxidação).
Eletronegatividade: Eletronegatividade
muito próximas.
Estrutura Cristalina: Mesma estrutura
cristalina.
INTERSTICIAIS
Átomos de impureza
preenchem os espaços vazios
ou interstícios que existem
entre os átomos hospedeiros;
Introduzem algumas
deformações na rede sobre os
átomos hospedeiros
adjacentes.
Impurezas em sólidos: Intersticiais e Substitucionais 
Deformações Bidimensionais
Deformação Linear (ou de
aresta): Ocorre quando um
plano adicional é inserido ao
reticulo cristalino gerando
assim um efeito de distorção
linear.
Deformação em Parafuso: Pode ser
pensada como sendo formada por uma
tensão cisalhante que é aplicada para
produzir a distorção
Muitas discordâncias encontradas em
materiais cristalinos provavelmente não
são nem discordâncias de aresta pura
nem discordâncias em espiral puras,
mas sim compostas de ambos os tipos
discordâncias; estas são denominadas
discordâncias mistas.
Deformações Bidimensionais - MISTAS
https://www.youtube.com/watch?v=7qgBMKS_fyo
Defeitos Interfaciais
São contornos que separam regiões dos materiais que têm diferentes estruturas cristalinas 
e/ou orientações cristalográficas. 
Defeito de Superfície externa
CONTORNO DE GRÃO:
Um outro defeito interfacial,
o contorno de grão, é
definido comoo contorno
separando diferentes grãos
com diferentes orientações
cristalográficas.
Micrografia
Técnica que permite relacionar a
estrutura íntima do material com as suas
propriedades físicas, com o processo
de fabricação, com o desempenho de
suas funções.
Imagens A e B (mesma
ampliação) com diferentes
tamanhos de grão
Imagem acima, mostrando
diferentes tipos de cristal que
constituem o material.