03 -aula- Defeitos cristalinos

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Cristalografia e Gemologia
3a Parte
Defeitos Cristalinos
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Cristalografia
Defeitos Cristalinos
Cristalografia (cont.)
Defeitos cristalinos
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Os cristais se formam a partir de líquidos ou gases que ao passar para o estado sólido tem suas moléculas organizadas de modo regular.
Mas esta organização é perfeita?
Pense:
 A solução é pura?
- A concentração dos ions é homogênea?
- Os átomos de uma mesma substância são perfeitamente iguais (valencias atômicas)?
- Os átomos estão sempre disponíveis para se ligarem no momento necessário?
...
Então qual o reflexo destas repostas na cristalização?
Cristalografia
Defeitos Cristalinos
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Modelo de um cristal simples perfeito
 – muito raro e muito caro.
Modelo esquemático de um 
poli-cristal, normal e humilde.
Portanto, não existe cristal natural perfeito, sempre haverá defeitos cristalinos em maior ou menor número. Quem mais se aproxima de um cristal ideal são cristais isolados e cristais sintéticos.
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Quartzo a Luz Polarizada com extinção ondulante:
Porque ???
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Defeitos Cristalinos – são importantes para nossa vida ou para a ciência dos materiais em particular ?
Deixe ver:
Diamantes são cristais, como dizemos, mas se você comprar um diamante, são basicamente os defeitos neste cristal de carbono que determinam quanto dinheiro você vai gastar para adquirir um diamante de determinado tamanho.
Se você não compra diamantes regularmente, você mesmo assim lida com defeitos cristalinos de várias maneiras. Mas você não se dá conta disso. 
Vamos a alguns exemplos .....
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Você está lidando com Defeitos Cristalinos quando você entorta um pedaço de metal aplicando alguma força nele –
por exemplo entortando o clips para se prender a um pino !
Você também está lidando com Defeitos Cristalinos quando você NÃO entorta um pedaço de metal –
- por exemplo tentar entortar uma barra de aço temperada.
Você também lida com Defeitos Cristalinos quando usa QUALQUER peça eletrônica (semicondutores (diodos)).
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Minerais e metais são poli-cristais cheios de defeitos. O mesmo vale para a grande maioria (mas não todos) cristais feitos pelo homem, especialmente metais e ligas.
Uma grande parte de suas 
propriedades, especialmente 
as mecânicas como dureza, 
tenacidade e outros, são controlados 
por defeitos na estrutura cristalina. 
Um cristal simples perfeitos de 
algum metal poderá estar desprovido 
de qualquer interesse tecnológico, 
será quase inútil. A indústria de metal 
vive exclusivamente da manipulação 
de defeitos nos metais e nas ligas 
que usa.
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Várias propriedades dos minerais são determinadas pelo tipo e o número de defeitos cristalinos, como:
		a difusão no estado sólido
		a condutividade eletrolítica
		a luminescência
		a cor
		a fotocondução,
		a semicondução e outros.
Cristalografia
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São basicamente dois tipos de defeitos:
Estruturais 	: são de escala atômica e ocorrem por 
				 substituição e/ou deslocamento de 
				 átomos
Eletrônicos	: dão-se pela ausência de elétrons ou por
			 	 elétrons covalentes.
Os defeitos estruturais podem ser classificados 
como segue ... 
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Tipos de Defeitos
Defeitos Pontuais
Defeitos Lineares
Defeitos Planares
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Defeitos Pontuais
Mobilidade Atômica Átomos Substitucionais
Átomos Intersticiais Lacunas
Defeitos de Frenkel Defeitos de Schottky
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Defeitos Pontuais
1) Mobilidade Atômica 
São átomos sem posições fixas na estrutura química do mineral.
Ou seja, apesar do composto não mudar quimicamente, a posição relativa dos átomos dentro da estrutura cristalina nunca é constante. Cada unidade cristalina pode ter um determinada átomo em um posição diferente de seu visinho.
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Defeitos Pontuais
2º de 6) Átomos Substitucionais 
átomos pequenos, exemplo das olivinas e dos plagioclásios.
Podemos ter átomos estranhos à estrutura incorporados de maneira substitucional (figura da esquerda) ou incorporados de maneira intersticial.
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Solução sólida de Al2O3 em MgO. Como a neutralidade elétrica do composto precisa
ser mantida, só dois átomos de Al3+ entram para cada 3 sítios livres de Mg2+ , deixando um sítio de Mg2+ livre (vacância).
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As olivinas formam uma série cntínua de substituição do Mg por Fe (SÉRIE ISOMÓRFICA) entre os membros extremos: 
	Forsterita 	Mg2 (SiO4) e
	Fayalita		Fe2 (SiO4)
As olivinas mais comuns tem mais magnésio que ferro.
As olivinas ocorrem em rochas magmáticas máficas (escuras), mais raramente em meteoritos, mármores e em areias.
DUNITO 	: rocha formada quase que exclusivamente por olivinas.
PERIDOTO	: variedade transparente da olivina, usada como gema.
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Defeitos Pontuais
3º de 6) Átomos Intersticiais 
 
	São átomos em vazio estrutural:
			precisam ser pequenos !
			Boro, Carbono, Nitrogênio e Hidrogênio.
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Átomos Intersticiais
Estrutura típica de uma zeolita, no caso uma heulandita vista pelo eixo “c”. 
Os espaços abertos são espaços para moléculas de água e cátions mono- e divalentes.
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Dois defeitos pontuais comuns em metais e em estruturas semicondutoras são a vacância e o átomo intersticial.
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Átomos Intersticiais
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Defeitos Pontuais
4º de 6) Lacunas ou Vacâncias
São posições atômicas 
não-ocupadas.
É o tipo de defeito pontual mais
simples possível, ocorrendo 
quando uma posição atômica 
não é ocupada durante o 
crescimento do cristal.
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Óxido de ferro, Fe 1-x O com x ~ 0,05, é um bom exemplo de um composto não-estequiométrico. Ambos os íons Fe2+ e Fe3+ ocupam os sítios de cátions, resultando disso uma lacuna intersticial para cada dois ions de Fe3+ presentes.
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 Lacunas ou Vacâncias
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Defeitos Pontuais
5º de 6) Defeitos de Frenkel 
Trata-se da ausência de um íon de seu site correto, mas o íons está por perto, em um sítio intersticial. Mais comuns para cátions porque estes 
normalmente são menores.
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Defeitos Pontuais
6º de 6) Defeitos de Schottky 
É um cátion ou um ânion ausente de seu sítio na estrutura. Esta ausência precisa ser compensada ou por outros defeitos na estrutura ou pela adição de espécies com carga (por exemplo um elétron). 
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Esquema demonstrando a diferença entre os dois defeitos pontuais comuns em estruturas compostas: Defeitos de Schottky e os Defeitos de Frenkel
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Defeitos Lineares:
Deslocações em Cunha
Deslocações Helicoidais
Deslocações são: 
 
 concentrações de defeitos ao longo de feições lineares
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Defeitos Lineares
Deslocações em Cunha: é um plano de átomos que termina ao longo de uma linha. Este tipo de erro proporciona um ponto de fraqueza para deformação e o defeito pode migrar através da estrutura como um plano de escorregamento. 
Deslocações Helicoidais: são erros ao longo de um eixo helicoidal que normalmente não está presente na estrutura mas
pode ser uma manifestação de pseudo-simetria ou próximo à simetria presente naquele grupo espacial no qual o mineral cristalizou. Estes degraus em espiral são importantes sítios de crescimento cristalino porque proporcionam um bom lugar para a adição de átomos. 
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Deslocação em Cunha.
O defeito linear é 
representado por uma 
cunha de um 
semi-plano 
extra de átomos.
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Defeito linear do tipo cunha visto em plano (à esquerda) e visto de frente (à direita). Trata-se de uma plano reticular só parcialmente ocupado (pontos em azul claro são pontos vagos).
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Deslocação em Cunha.
O defeito linear é representado por uma superfície regular que avança para frente e para cima (elicoide), normalmetne marcada pela formação de um dente na estrutura cristalina.
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Deslocação helicoidal
O Vetor de Burguers 
fica paralelo à linha de
deslocação.
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Linha de Deslocação Mista, com caráter tanto de cunha como de helicóide com um Vetor de Burguers simples consistente com as regiões puramente de cunha e puramente de helicoide.
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Defeitos Planares
 São zonas em duas dimensões ao longo das quais contatam blocos levemente desorientados um em relação ao outro. Os blocos individuais podem ter uma ordem quase perfeita em curtas distâncias mas o cristal como um todo não possui uma ordem perfeita a grandes extensões. 
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Defeitos planares
Stacking fault
ou falha de 
empilhamento.
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Plano de simetria de cristais gêmeos:
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Defeitos planares
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Plano de
contorno
de grão:
Defeitos planares
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Qual a importância destes defeitos?
Estes defeitos é que possibilitam um mineral se deformar sem quebrar ao sofrer a ação de uma força, pela presença de pontos fracos onde as ligações químicas se “quebram” e se religam
Ao exemplo do deslocamento de um tapete em uma sala.
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Cristalografia
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Deslocamento intercristalinos
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FIM
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