2 0- Cap s 02 e 03 - SIST S E ESTRUT S CRISTALINAS

Prévia do material em texto

2- Cap.s 2 e 3 Sist.s e Estruturas Cristalinas
CCC
CFC
Estruturas Cristalinas
Amorfo
Livro: CIÊNCIA E ENGENHARIA DE MATERIAIS UMA INTRODUÇÃO
William D. Callister, Jr. 
Associação Brasileira
de Incentivo à Ciência
Cristalografia dos Metais
Os átomos são unidades estruturais de todos os materiais. 
São de tamanho microscópico, cerca de 2 a 5 Å (angström). 1 Å = 10-10m.
Nanotecnologia
1nm = 10-9m
Níveis de energia
dos elétrons
 Um átomo tem um diâmetro de cerca de 0,1 nm. 
O núcleo de um átomo é muito menor - cerca de 0,00001 nm. 
Átomo de Bohr 
 em 1913
Teoria atômica de Demócrito -460 a.C.(Grécia) 
2
Número atômico, Z é o número de prótons encontrados no núcleo de um átomo.
Cada elemento químico é caracterizado por um número atómico diferente.
Este número é constante para cada elemento químico.
Em um átomo neutro o número atômico é igual ao número de elétrons, o mesmo não acontece nos íons. 
REVISÃO DE CONCEITOS QUÍMICOS E FISÍCOS
Massa atômica é a soma dos prótons com os neutros.
REVISÃO DE CONCEITOS QUÍMICOS E FISÍCOS
Unidade de massa atômica
Na convenção da IUPAC (União Internacional de Química Pura e Aplicada) realizada em 1961, adotou-se como unidade padrão para massa atômica o equivalente a 1/12 da massa do isótopo 12 do elemento carbono.
Massa atômica
A = Z + N
Número atômico
Z = P
NANOTECNOLOGIA
A nanotecnologia é a capacidade potencial de criar coisas a partir do mais pequeno. 
 1nm = 10-9 m
ou um milionésimo de milímetro
Átomo de Ferro: Fe = 2+8+14+2 = 26
Quanto maior o raio atómico, menor a atração que o núcleo do átomo exerce sobre o elétron que vai adquirir.
Átomo de Carbono 12
7
O número máximo de elétrons (z) em cada nível de energia
Camada
nº quântico principal
nº máximo de elétrons (z= 2n²)
K
1
z = 2 x 1² = 2
L
2
z = 2 x 2² = 8
M
3
z = 2 x 3³ = 18
N
4
z = 2 x 4² = 32
O
5
32
P
6
18
Q
7
2
P.S.: Nas últimas camadas, o numero é diferente do dado pela fórmula pois nelas o número máximo teórico, dado pela fórmula, não condiz com o real, mostrado na tabela.
8
Por exemplo, um átomo de cobre tem um elétron de valência o que faz com que ele ceda com muita facilidade esse elétron (elétron livre).
 Os átomos com 1, 2 ou 3 elétrons de valência têm uma certa facilidade em cedê-los já que a sua camada de valência está muito incompleta (para estar completa deveria ter 8 elétrons de valência).
Z = 29(prótons), N = 34(nêutrons), 29 Elétrons
Átomo de Cobre:
 GÁS		 LÍQUIDO		 SÓLIDO
DISPOSIÇÃO DOS ÁTOMOS NUM MATERIAL EM DIFERENTES ESTADOS
10
Há 4 tipos de ligações que mantém os átomos dos sólidos sempre unidos.
1- IÔNICA
2- COVALENTE
3- WAN DER WAALS
4- METÁLICA
Vários desses tipos de ligações são encontradas nos sólidos; entretanto as ligações metálicas são predominantes nos metais
A eletronegatividade dos átomos é o que determina o tipo de ligação. 
LIGAÇÕES ATÔMICAS:
Uma medida qualitativa da ionicidade de uma ligação química é fornecida por meio de uma escala de eletronegatividade, também denominada de caráter ametálico, é uma propriedade periódica que mede a tendência de um átomo, de uma ligação química, em ganhar elétrons
11
ELETROPOSITIVIDADE
(CONTRARIA DE ELETRONEGATIVIDADE)
A eletropositividade está relacionada ao caráter metálico, pois os metais têm tendência a perder elétrons.
A eletropositividade aumenta com o aumento do raio atômico, ou seja, na Tabela Periódica, a eletropositividade aumenta da direita para a esquerda e de cima para baixo:
Ligação iônica
Ligação iônica: Atração mútua entre íons positivos e negativos (atração eletrostática)
Exemplos: NaCl, cloreto de sódio: Na+ + Cl- 	 NaCl
	
 MgCl2,cloreto de magnésio: Mg2+ +2Cl- MgCl2
 Na+ + Cl- NaCl
13
Ligação iônica
Ex. NaCl
LIGAÇÃO COVALENTE (atração magnética)
Formada entre não metais compartilhamento de elétrons entre 2 átomos
Ex: H2O e CH4
Molécula de água H2O
O: 2,6
H: 1
Molécula de Metano – CH4
C: 2,4
H:1
Camadas com nº máximo: 2,8,18,32,9,2
Átomo de Carbono 12
15
LIGAÇÃO COVALENTE - MOLECULARES 
Ex. Diamante, Gelo
Química Orgânica é a parte da química que estuda os 
Compostos de carbono (formação de cadeias).
Compostos diferentes como açúcar e 
o vinagre têm os mesmos elementos
QUÍMICA ORGÂNICA 
Derivados do Petróleo:
Combustíveis
Polímeros 
Teor de enxofre máximo de 10 mg/kg (S-10).
O Diesel S-10 tem número de cetano de 48 contra 46 do Diesel S-50. 
O número de cetano mede a qualidade de ignição
Ligações de Van der Waals:
Polarização eletrônica das moléculas (ligações covalentes)
baixa T de fusão e resistência mecânica, mais fraca das ligações
Ligações de
Van der
Walls
Átomos
Ligações covalentes
18
Devido a mobilidade dos elétrons das últimas órbitas (valência),
os metais são bons condutores de calor e eletricidade
LIGAÇÕES METÁLICAS - ELÉTRONS DE VALÊNCIA
Elétrons de valência
Átomo+elétrons das camadas mais internas
19
20
7 SISTEMAS CRISTALINOS E 14 REDES BRAVAIS
Cúbico
(a=b=c e ===90°)
Tetragonal
(a=bc e ===90°) 
ORTORRÔMBICO
(abc e ===90°)
MONOCLÍNICO
(abc e ==90° e 90°)
TRICLÍNICO
(abc e 90°)
HEXAGONAL
(a1=a2=a3c e
==90° e =120°)
ROMBOÉDRICO
(a=b=c e ==90°)
20
 Os metais são materiais cristalinos, ou seja, os seus átomos seguem organização espacial conforme posições definidas e conforme um determinado Sistema Cristalino. Os principais são:
METAIS, LIGAS METÁLICAS E SUAS ESTRUTURAS
CRISTALINO = ESTRUTURA COM ÁTOMOS ORDENADOS
CÉLULA UNITÁRIA = O MAIS SIMPLES MODELO CUJA REPETIÇÃO NO ESPAÇO GERA A ESTRUTURA CRISTALINA
Sistema cúbico simples
a=b=c
a= parâmetro da rede
Nenhum metal solidifica seguindo o sistema cúbico simples
22
ESTRUTURA CRISTALINA CÚBICA SIMPLES - CS
Qual a Relação de “a” com “r”?
a = parâmetro da rede
R = raio do átomo
a = 2r
Volume = a3 = 8r3
aCS = 2r
Distância atômica, angstrom, 1 Å = 10-10 m = 10-8 cm
Angstrom é a unidade de medida comumente utilizada para lidar 
com grandezas da ordem do átomo ou dos espaçamentos entre dois 
planos cristalinos
23
QUAL A PARTICIPAÇÃO EM VOLUME DE 
CADA ÁTOMO NA CÉLULA UNITÁRIA?
AVALIAÇÃO
25
ESTRUTURA CRISTALINA CÚBICA SIMPLES
Apenas 1/8 de cada átomo cai dentro da célula unitária, ou seja, a célula unitária contém apenas 8x1/8 = 1 átomo.
Essa é a razão que os metais não cristalizam na estrutura cúbica simples (devido ao baixo empacotamento atômico).
Parâmetro da rede
a
1/8
25
26
ESTRUTURA CRISTALINA CÚBICO SIMPLES - CS
FATOR DE EMPACOTAMENTO, FE = VOLUME DOS ÁTOMOS
 VOLUME DA CÉLULA UNITÁRIA
Parâmetro da rede
a
1/8
FE = 8 X 1/8 X 4/3  R3 
 a3 
VOLUME DA CÉLULA UNITÁRIA, a3 = 8R3
FE = 4/3  R3 = 0,52 ou 52%
 8R3
FE = 4/3  R3 = 0,5
26
DIREÇÕES E PLANOS CRISTALOGRÁFICOS
Direção compacta
Plano compacto?
Plano compacto
(três direções compactas)
x
y
z
[111]
27
ESTRUTURA CRISTALINA CÚBICO SIMPLES- CS
3 direções compactas: x,y e z
Nenhum plano compacto
Quantas direções compactas e quantos planos compactos 
existem no Cúbico Simples?
? 
28
Estrutura Cristalina Cúbica de Faces Centradas - CFC
a= 3,66Aº
O parâmetro da rede do Ferro puro à temperatura de 1.200ºC é de aproximadamente de 3,66Aº.
Relação de “a” com “R”:
(4R)2=2a2
aCFC = 4R/2 ou aCFC = 2R2
29
ESTRUTURA CÚBICA DE FACES CENTRADAS - CFC
6 DIREÇÕES COMPACTAS 
(DIAGONAIS DAS FACES)
4 PLANOS COMPACTOS
Direções compactas
Planos compactos
Quantas direções compactas?
Quantos planos compactos?
FE = (8x1/8 +6x1/2) 4/3 R3 = 0,74 ou 74%
 (4R/2)3
FE = volume dos átomosvolume da célula unitária
30
METAIS CFC
Com tantas direções e planos compactos, o cisalhamento de planos atômicos ocorre com facilidade, consequentemente os metais “CFC” são menos resistentes, mais dúcteis, mais condutores de calor e de eletricidade.
Metais “CFC” : Au, Ag, Cu, Al, Ni, Pb e Fe .
Sequência de Empilhamento: ABC, ABC, ABC
 Azul, Amarelo e Vermelho...
31
Material Condutividade Elétrica [(.m)-1]
Prata 6,8 x 107
Cobre puro 6,0 x 107
Ouro 4,3 x 107
Alumínio 3,8 x 107
Constantan 2,0 (S.m/mm2)
Mercúrio 1,0044 
Grafite 0,07
Fio de cobre
Tabela de Condutividades Elétricas e Resistividade
Pepita de ouro
A unidade de resistividade é m = 106 mm2/m
Ouro 
A condutividade elétrica é o inverso da resistividade:
σ = 1/ρ
Estrutura Cristalina Cúbica de Corpo Centrado- CCC
a= 2,86A°
Relação de “a” com “R”:
O parâmetro de rede do 
Ferro puro, a temperatura 
ambiente, é de 2,86Aº.
(4R)2=a2 + 2a2 = 3a2
 aCCC = 4 R/3
33
ESTRUTURA CÚBICA DE CORPO CENTRADO - CCC
Fator de Empacotamento:
FE = volume dos átomos 
 volume da célula unitária
FE = (8x1/8 +1) 4/3R3 = 0,68 ou 68%
 (4R/3)3
Direções
Compactas
SIM
Planos
Compactos
NÃO
4 DIREÇÕES COMPACTAS 
(DIAGONAIS DO CUBO)
NENHUM PLANO COMPACTO
1/8 de átomo
1 átomo inteiro
34
METAIS CCC
Como se trata de um sistema com poucas direções compactas e nenhum plano compacto, o cisalhamento de planos atômicos é mais difícil, conseqüentemente os metais “ccc” são mais resistentes, menos dúcteis, menos condutores de calor e eletricidade.
Metais “CCC” : W, Mo, Ta, Fe  e Ti
35
ESTRUTURA CRISTALINA HEXAGONAL COMPACTA- HC
A 
B 
A 
Sequência de empilhamento: 
AB, AB, AB...
Quantas direções compactas e planos compactos?
3 DIREÇÕES COMPACTAS
1 PLANO COMPACTO (O PLANO DA BASE)
FE = volume dos átomos 
 volume da célula unitária
FE = 0,74 ou 74%
Portanto os metais “HC” são dúcteis somente no plano da base e 
resistente em todos os outros planos (difícil de sofrer deformação).
 Metais “HC”: Be, Mg, Zn e Ti.
36
ESTRUTURA HEXAGONAL COMPACTA, HC
F
F
Fator de Empacotamento
Tabela Periódica – Aplicações - Sistemas Cristalinos
Dos 116 elementos conhecidos hoje, 81 são metálicos
Pb nº atômico 82 Au nº atômico 79 (alquimia, pedra filosofal) 
HC
CCC
CFC
39
ALQUIMIA
Alquimia é uma prática antiga que combina elementos de Química, Antropologia, Astrologia, Magia, Filosofia, Metalurgia, Matemática, Misticismo e Religião. 
Existem quatro objetivos principais na sua prática. Um deles seria a transmutação dos metais inferiores ao ouro
O Alquimista – Pintura de Sir William Fettes Douglas (1822 – 1891) 
A transmutação do Chumbo em Ouro
Au = 2, 8, 18, 32, 18, 1
Pb = 2, 8, 18, 32, 18, 4
SISTEMAS CRISTALINOS
(terminologia)
PORTUGUÊS
ESPANHOL
INGLÊS
CCC-Cúbico de Corpo Centrado
CC- Cúbica Centrada
BCC-BodyCenteredCubic
CFC- Cúbico de Face Centrada
CCC- Cúbica de Caras Centradas
FCC- FaceCenteredCubic
HC- Hexagonal Compacto
HC- Hexagonal Compacta
HCP- Hexagonal ClosePacked
41
42
RAIO ATÔMICO E ESTRUTURA CRISTALINA DE ALGUNS METAIS
Fonte: DIETER, G.E. Metalurgia Mecânica. 
Rio de Janeiro: Guanabara Dois, 1981.
42
Diamante
Diamante versos Grafite
Grafite
Ambos formados pelo elemento C
Ligações covalentes
Por que o Diamante tem propriedades mecânicas tão diferentes do grafite?
43
Diamante versos Grafite
O diamante, uma das formas alotrópicas do carbono, é o mais duro dos minérios conhecidos, o que lhe confere usos tecnológicos especiais na construção de ferramentas abrasivas. Outra característica é o seu elevado índice de refração, proporcionando-lhe um brilho peculiar devidamente explorado na confecção de joias.
Após longo período de tempo, o diamante converte-se naturalmente em grafite, alótropo termodinamicamente mais estável, sob as condições ambiente.
Brilhante 
Lapidação do Diamante
Centro Tecnológico da GE no Rio - 02 de Novembro de 2014
Parque Tecnológico da Universidade Federal do Rio de Janeiro (UFRJ) é um dos maiores pólos do tipo no mundo.
"A GE é uma das maiores multinacionais do mundo e terá no Rio de Janeiro uma equipe de 160 pesquisadores dedicados a desenvolver inovações em áreas como petróleo e gás, energia, aviação e turbinas"
Centro de Software da FCA é inaugurado na Rua do Apolo
Fiat Chrysler Automobiles (FCA) 
FCA INAUGURA CENTRO DE PESQUISA E DESENVOLVIMENTO EM PERNAMBUCO
Fiat Chrysler Automobiles (FCA) 
OBRIGADO
Roborace é um campeonato de automobilismo de carros autônomos e elétricas. 
 Os metais são materiais cristalinos, ou seja, os seus átomos seguem organização espacial conforme posições definidas e conforme um determinado Sistema Cristalino. Os principais são:
METAIS, LIGAS METÁLICAS E SUAS ESTRUTURAS
Os isótopos são dois átomos do mesmo elemento químico com números de massa (A) diferentes e números atômicos (Z) iguais. 
A diferença se encontra no número de nêutrons. Os isótopos podem diferir em algumas características, como a densidade.
REVISÃO DE CONCEITOS QUÍMICOS E FISÍCOS
REVISÃO DE CONCEITOS QUÍMICOS E FISÍCOS
A massa - padrão usada actualmente é 1/12 da massa do átomo de carbono-12.
Química Inorgânica ou química mineral estuda os elementos químicos que não possuem o carbono coordenados em cadeias.
As chamadas "substâncias inorgânicas" são divididas em 4 grupos denominados:
Ácidos
Bases ou hidróxidos
Sais
Óxidos.
QUÍMICA INORGÂNICA
Os ácidos possuem pH menor que 7, enquanto as bases possuem pH maior que 7.
ANEXOS:
Toda substância que libera íons de hidrogênio (H+) em meio aquoso;
Formam soluções aquosas condutoras de eletricidade;
Possuem sabor azedo;
Possuem várias utilizações nos meios de saúde, alimentar, industrial e beleza. 
Ácidos 
HCl
H+
+ Cl–
Ácidos 
Todos os ácidos são moleculares, ou seja, formados por ligações covalentes em que há compartilhamento de elétrons.
Ácido sulfúrico
O ácido sulfúrico, H2SO4, é um ácido mineral forte. É solúvel na água em qualquer concentração. 
O ácido sulfúrico tem várias aplicações industriais e é produzido em quantidade maior do que qualquer outra substância (só perde em quantidade para a água). 
A produção mundial em 2001 foi de 720 milhões de toneladas, com um valor aproximado de 8 bilhões de dólares. 
O principal uso engloba a fabricação de fertilizantes, o processamento de minérios, a síntese química, o processamento de efluentes líquidos e o refino de petróleo.
Uma característica peculiar ao ácido sulfúrico é quanto ao seu comportamento relacionado à concentração. 
Quando diluído (abaixo de concentrações molares de 90%), a solução assume caráter de ácido forte e não apresenta poder desidratante. 
Por outro lado, quando é concentrado (acima de 90%), deixa de ter caráter ácido e acentua-se o seu poder desidratante. Soluções concentradas deste ácido possuem pH=1,5
Ácidos para a beleza de sua pele
Ácido Retinóico  Derivado da vitamina A, combate o 
fotoenvelhecimento e a acne;
Ácido Glicólico  extraido da cana-de-açúcar, poder de
rejuvenescimento, agindo como esfoliante químico.
"Base é toda substância que , dissolvida em água, se dissocia, fornecendo íons hidróxido como único tipo de ânion."
NaOH
Na+
+OH –
BASES
-Hidróxido de Sódio (NaOH): Também conhecido como soda cáustica
-Hidróxido de Cálcio – Ca(OH)2: Também chamado de cal apagada ou cal extinta pelo fato de ser obtido pela reação do CaO, como óxido de cálcio e cal viva ou cal virgem com a água.
Indicador papel de tornassol vermelho em meio ácido (limão) e azul em sabonete (meio básico)
INDICADORES DE ÁCIDOS E BASES
OBRIGADO