LISTA_DE_EXERCICIOS_ESTRUTURA

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URI-ERECHIM – DISCIPLINA: CIÊNCIA DOS MATERIAIS
LISTA DE EXERCÍCIOS ESTRUTURA DOS MATERIAIS
João Frank Ribeiro Dias curso: engenharia civil
1- Quais são os níveis de ordenação dos átomos em um sólido e como diferem entre si?
Os níveis de ordenação são medidos de acordo com a regularidade na qual os átomos ou íons se dispõem em relação ao seu vizinho, considerando ângulos, distâncias e simetria da ordenação. Podem classificar-se em ordem de longo alcance, que são os cristais, e podem aparecer nos metais, em muitas cerâmicas e em alguns polímeros, ordem de curto alcance que pode aparecer em vidro e em polímeros e sem ordenamento que é característico dos gases. 
2- O que se entende por estrutura cristalina de um material?
Estrutura cristalina é o arranjo espacial dos átomos, ions ou moléculas, ou seja, posicionamento dos mesmos em uma matriz que se repete ou que é periódica ao longo de grandes distâncias atômicas, ou seja, existe ordem de longo alcance, onde cada átomo está ligado aos seus átomos vizinhos mais próximos. A partir desta estrutura que as propriedades dos sólidos são definidas, porém, alguns materiais podem ter mais de uma estrutura cristalina em diferentes estados de temperatura e pressão. 
3- Determine os parâmetros pelos quais se define um cristal.
Diversos são os processos de cristalização no universo mineralógico e, por conseguinte, teremos diversificações nos cristais formados. O ambiente químico (composição química), a temperatura e a pressão do local onde se formam os minerais é fator limítrofe na formação dos cristais.Denominamos minerais elementos ou compostos químicos que foram formados em condições geológicas naturais, apresentando assim composição química e propriedades cristalográficas definidas. São estes parâmetros que são utilizados para definir um cristal, pois estes são formados em ambientes geológicos ideais e apresentam, por consequência, uma série de propriedades únicas entre os minerais (surgimento de faces, arestas e vértices geométricos no corpo rochoso).
4- O que é a célula unitária de uma rede cristalina.
São pequenos grupos de átomos que formam um padrão repetitivo, o cristal se subdivide em pequenas entidades repetitivas chamadas células unitárias, que consistem em paralelepípedos ou prismas com três conjuntos de faces paralelas, uma célula unitária consiste na unidade estrutural básica (ou bloco) da estrutura cristalina em virtude de sua geometria e das posições dos átomos em seu interior. 
5- Quantos e quais são os sistemas cristalinos? Como diferem entre si? Quais são suas características?
São sete sistemas cristalinos: cúbico, tetragonal, hexagonal, triclínico, ortorrômbico, romboédrico, monoclínico.
Diferem entre si por alguns critérios: simetria com os vizinhos, distâncias parâmetros de rede e ângulo entre arestas.
Suas características:
– sistema cúbico: α=β=γ=90° ; a=b=c ; parâmetros de rede e ângulos entre arestas iguais;
– sistema tetragonal: α=β=γ=90° a=b≠c;
– sistema hexagonal: α=β=90°  γ=120° ; a=b≠c;
– sistema triclínico: α≠γ≠β; a≠b≠c;
– sistema ortorrômbico: α=β=γ=90° ; a≠b≠c;
– sistema romboédrico: α=β=γ≠90° ; a=b=c;
– sistema monoclínico: α=γ=90°≠β ; a≠b≠c.
6- O que é parâmetro de rede da célula unitária?
Parâmetro de rede da célula unitária é a combinação entre os comprimentos das 3 arestas a,b e c e os 3 ângulos entre os eixos alfa, beta e gama, ou seja, está baseado na geometria da célula unitária. 
7- Faça uma lista de metais com estrutura cristalina hexagonal, outra com metais CFC e CCC.
Hexagonal compacta (HC): Cúbica de Face Centrada (CFC): Cúbica de Corpo Centrado: (CCC)
Cádmio; Alumínio; Cromo; 
Cobalto; Chumbo; Ferro (α); 
Titânio (α); Cobre; Molibdênio; 
Zinco. Níquel; Tungstênio;
 Ouro; Bario 
 Prata; 
8- Quantos tipos de células unitárias são conhecidas. Que são redes de Bravais?
São 14 tipos de células unitárias divididas em: cúbica (dividida em simples, face centrada e corpo centrado); tetragonal (dividida em simples e corpo centrado); hexagonal; triclínico; ortorrômbico (dividida em simples, base centrada, corpo centrado e face centrada); romboédrico; monoclínico (dividida em simples e face centrada), formando 14 tipos de células unitárias.
Rede bravais são sistemas cristalinos divididos em 7 tipos de redes, estas podem ser classificadas em primitivas (apenas um átomo por célula unitária) ou não-primitivas (mais de um átomo por célula unitária)
cúbica, tetragonal, hexagonal, romboédrico, monoclínico, triclínico e ortorrômbico 
9- Qual o número de átomos (ou número de pontos de rede) das células unitárias do sistema cúbico para metais?
CFC (Cúbica de Faces Centradas): 4 átomos presentes na célula; 
CCC (Cúbica de Corpo Centrado): 2 átomos presentes na célula; 
HC (Hexagonal Compacta): 6 átomos presentes na célula. 
Na estrutura Cúbica Simples (CS) a célula unitária contem apenas 01 átomo e por este motivo os metais não cristalizam na estrutura em questão, ou seja, baixo empacotamento atômico 
10- Determine as relações entre o raio atômico e o parâmetro de rede para o sistema cúbico em metais.
A relação entre o raio atômico (R) e o parâmetro (ao) é determinada geometricamente a partir da direção em que os átomos estão em contato (direção de empacotamento fechado, ou de maior empacotamento).
11- Número de coordenação: o que é e do que depende? Quais são os números de coordenação nas células unitárias dos metais?
O número de coordenação é o número de vizinhos mais próximos. Depende: (i) da covalência: o número de ligações covalentes que um átomo pode compartilhar; (ii) do fator de empacotamento cristalino.
O número de coordenação nas células unitárias dos metais é:
– sistema cúbico simples(CS): NC = 6;
– sistema cúbico de corpo centrado(CCC): NC = 8;
– sistema cúbico de face centrada(CFC): NC = 12;
– sistema hexagonal compacto(HC): NC = 12.
12- O que é fator de empacotamento em uma célula unitária? Calcule o fator de empacotamento para as células cúbicas para metais. 
O FEA (fator de empacotamento) é a soma dos volumes das esferas de todos os átomos no interior de uma célula unitária (assumindo o modelo atômico de esferas rígidas) dividida pelo volume da célula unitária, isto é, 
FE = volume dos átomos em uma célula unitária
 volume total da célula unitária
13- O que é alotropia? O que é anisotropia?
Alotropia é o fenômeno no qual um sólido (metálico ou não metálico) de elementos puros pode apresentar mais de uma estrutura cristalina, dependendo da temperatura e da pressão.
Anisotropia é a característica de um material cristalizado de reagir diferentemente segundo a direção de propagação de um determinado fenômeno físico, e está relacionado com a direção em que o cristal está formado e com o espaçamento atômico ou iônico, normalmente esta característica está relacionada a materiais monocristalinos.
14- O que é distância interplanar.
Distância interplanar é a distância de dois planos com mesmos índices de Miller 
15- Como podem apresentar-se os compostos cerâmicos de estrutura AX? Descreva-os.
Alguns dos materiais cerâmicos comuns são aqueles em que existem números iguais de cátions e de ânions. Com frequência esses materiais são designados como compostos AX, nos quais A representa o cátion, e X representa o ânion. Existem várias estruturas cristalinas diferentes para os compostos AX; normalmente, cada uma delas é denominada em referência a um material comum que assume aquela estrutura em particular.
Estrutura do Cloreto de Sódio (NaCl): O número de coordenação tantopara os cátions quanto para os ânions é 6; portanto, a razão entre os raios do cátion e do ânion está entre aproximadamente 0,414 e 0,372. Uma célula unitária para essa estrutura cristalina é gerada a partir de um arranjo CFC para os ânions com um cátion localizado no centro do cubo e um cátion no centro de cada uma das 12 arestas do cubo.
Exemplos: NaCl, MgO, MnS, LiF e FeO.
Estrutura do Cloreto de Césio (CsCl): O número de coordenação para ambos os tipos de íons é 8. Os ânions estão localizados em cada um dos vértices de um cubo, enquanto o centro do cubo contém um único cátion. O intercâmbio dos ânions pelos cátions, e vice-versa, produz a mesma estrutura cristalina. Essa não é uma estrutura cristalina CCC, uma vez que estão envolvidos íons de dois tipos diferentes.
Estrutura da Blenda de Zinco (ZnS): O número de coordenação é 4; isto é, todos os íons estão coordenados tetraedricamente. Todos os vértices e todas as posições nas faces da célula cúbica estão ocupados por íons de S, enquanto os íons de Zn preenchem posições tetraédricas no interior. Na maioria das vezes, a ligação atômica nos compostos que exibem essa estrutura cristalina é altamente covalente.
Exemplos: ZnS, ZnTe e SiC.
Os materiais cerâmicos comuns são aqueles em que existem números iguais de cátions e ânions, são denominados AX onde A representa o cátion e X representa o ânion, nas estruturas AX os cátions ocupam 4 das8 posições intersticiais tetraedrais possíveis e os íons se tocam pela diagonal do tubo.
16- Como podem apresentar-se os compostos cerâmicos de estrutura AmXp? Descreva-os.
Se as cargas dos cátions e dos ânions não forem as mesmas, poderá existir um composto com a fórmula química AmXp, em que m e/ou p ≠ 1. Um exemplo seria o composto AX2, para o qual uma estrutura cristalina típica é aquela encontrada na fluorita (CaF2). A razão entre os raios iônicos rC/rA, para o CaF2 é de aproximadamente 0,8, o que estabelece um número de coordenação de 8. Os íons cálcio estão posicionados nos centros de cubos, enquanto os íons de flúor estão nos vértices. A fórmula química mostra que existe apenas metade do número de íons Ca2+ em relação ao número de íons F–; portanto, a estrutura cristalina é semelhante à do CsCl, exceto pelo fato de que apenas metade das posições centrais nos cubos está ocupada com íons Ca2+. Uma célula unitária consiste em oito cubos.
Exemplos: ZrO2 (cúbico), UO2, PuO2 e ThO2.
17- Como podem apresentar-se os compostos cerâmicos de estrutura AmBnXp? Descreva-os.
Também é possível para os compostos cerâmicos possuir mais de um tipo de cátion; no caso de dois tipos de cátions (representados por A e B), suas fórmulas químicas podem ser designadas como AmBnXp. O titanato de bário (BaTiO3), que possui tanto cátions Ba2+ quanto Ti4+, enquadra-se nessa classificação. Esse material tem uma estrutura cristalina da perovskita e propriedades eletromecânicas muito interessantes. Em temperaturas acima de 120°C, a estrutura cristalina é cúbica. Em uma célula unitária dessa estrutura os íons Ba2+ estão localizados em todos os oito vértices do cubo, enquanto um único íon Ti4+ está no centro do cubo, com os íons de O2- localizados no centro de cada uma das seis faces.
Exemplos: BaTiO3, SrZrO3, SrSnO3, MgAl2O4, FeAl2O4.
18- Defina a constante de Madelung. Qual é seu significado físico?
A constante de Madelung é uma definição precisa da energia de uma particular estrutura cristalina com relação ao mesmo número de moléculas isoladas, representa a energia eletrostática do cristal, com relação à energia do mesmo número de moléculas individuais. Razão entre a energia de ligação do íon na rede cristalina e a energia de ligação do íon na molécula.
19-Descreva a estrutura cristalina do Al2O3.
Estrutura do tipo AX2, onde 2/3 dos locais tetraédricos estão ocupados por Al+3. Este composto mantém sua neutralidade elétrica devido a valência. 
 
20- Descreva a estrutura cristalina tipo perovskita. Cite um exemplo.
É uma estrutura do tipo NaBmXp que possui um óxido duplo com dois cátions, sua estrutura é mais complexa devido a presença de mais um átomo. 
 
21- Descreva a estrutura cristalina tipo espinélio. Cite um exemplo.
A estrutura do espinélio é formada por dois metais de valência diferente, onde um forma um interstício tetraédrico e outro um interstício octaédrico o ânion forma a rede CFC, um exemplo é o FeAl2O4. 
 
22- Descreva a estrutura cristalina “cúbica tipo diamante”. Cite exemplos de materiais que cristalizam nessa estrutura.
À temperatura ambiente e sob pressão atmosférica, o diamante é um polimorfo metaestável do carbono. Sua estrutura cristalina é uma variante da estrutura da blenda de zinco, na qual os átomos de carbono ocupam todas as posições (tanto do Zn quanto do S). Cada átomo de carbono sofreu uma hibridização sp3 , de modo que ele se liga (tetraedricamente) a quatro outros átomos de carbono. A estrutura cristalina do diamante é apropriadamente chamada de estrutura cristalina cúbica do diamante, a qual também é encontrada para outros elementos do Grupo IVA na tabela periódica: germânio, silício e estanho cinzento abaixo de 13°C (55°F). 
23- Comente a cristalinidade de materiais poliméricos.
O estado cristalino pode existir nos materiais poliméricos, entretanto uma vez que os polímeros envolvem moléculas em lugar de apenas átomos ou íons, como ocorre com os metais e cerâmicas, os arranjos atômicos serão mais complexos no caso dos polímeros, a cristalinidade em polímeros é o empacotamento ou a compactação das cadeias poliméricas, de tal modo que produzem uma matriz atômica ordenada, um polímero nunca é 100% cristalino, é formado por regiões cristalinas e regiões amorfas, as regiões cristalinas normalmente estão envolvidas por uma matriz amorfa composta por células com orientação aleatória.
24- Descreva a estrutura não-cristalina dos vidros. O que são pontes-de-oxigênio e modificadores de redes?
A estrutura do vidro possui unidades estruturais repetitivas, não tem ordem nem na primeira vizinhança, o que torna a estrutura não cristalina, os vidros inorgânicos à base de sílica, aos quais foram adicionados outros óxidos, como o CaO e o Na2O, estes óxidos adicionados não formam redes poliédricas, ao contrário, seus cátions são incorporados no interior através de pontes de oxigênio e modificam a rede, por esta razão estes aditivos óxidos são chamados de modificadores de rede. 
25-Como pode-se obter informações sobre estrutura cristalina de materiais a partir da difração de raio-X? 
A luz visível tem comprimento de onda da ordem de 1000nm, quando um feixe de raios X é dirigido à um material cristalino, esses raios são difratados pelos planos dos átomos ou íons dentro do cristal, na interferência construtiva, com feixes em fase, a diferença no comprimento da trajetória dos feixes do raio-X adjacentes é um número inteiro de ү, através dos valores obtidos pode-se chegar as informações sobre a estrutura cristalina dos materiais. 
26- Que tipo de defeitos podem ocorrer num cristal. Quais são os defeitos pontuais? Descreva-os.
Defeitos pontuais:
Vacâncias ou lacunas: é a falta de um átomo na rede cristalina, pode resultar no empacotamento imperfeito na solidificação inicial.
Defeito intersticial: quando um átomo é abrigado por uma estrutura cristalina, principalmente se esta tiver um baixo fator de empacotamento.
Defeito substitucional:quando um átomo é deslocado de sua posição original por outro, e conforme o tamanho pode aproximar os átomos da rede, separar os átomos da rede, e como consequência pode ocorrer à distorção da rede.
Defeito de Frenkel: um íon desloca-se de sua posição na rede para uma posição intersticial..
Defeitos Lineares: Discordâncias.
Defeitos planares: superfícies internas e externas, interfaces (falhas de empilhamento, contorno de fases.
Defeitos volumétricos: estruturas amorfas ou não cristalinas.
27- Classifique os defeitos pontuais quanto à forma, origem e estequiometria.
Os defeitos pontuais quanto à forma são: Vacância, Inclusões, Schottky, Frenkel. Já osdefeitos quando a origem podem ser: Intrínseco e Extrínseco. E quando a estequiometria são:
Não estequiométrico: sub rede de cátions e sub rede de ânions.
28- O que são defeitos: a) não-estequiométricos?
São defeitos que provocam mudança na composição química do material. Formam sub redes de cátions e sub redes de ânions, estes defeitos podem ser dominantes, compensadores, e podem gerar deficiência no metal ou metal em excesso, respectivamente. 
29- O que são defeitos extrínsecos e intrínsecos?
Intrínsecos surgem no material apenas pelo efeito da temperatura e defeitos 
Extrínsecos vêm de fora do cristal (não são gerados pela temperatura) e são criados por diferentes mecanismos como: presença de impurezas, adições intencionais, mudança de valência, mudança na pressão de oxigênio externa. 
30- O que é íon aliovalente e íon isovalente?
O íon isovalente é uma solução sólida intersticial ou substicional com valência igual, são incorporados de forma simples, deve-se considerar a interação elástica resultante da diferença dos raios iônicos. Neste caso aplica-se a regra de Hume-Rothery para determinar o tipo de solução sólida formada. 
O íon Aliovalente é a solução sólida intersticial ou substicional com diferente valência. É caracterizado pelo excesso de cargas introduzidas que causam grande concentração de defeitos na rede cristalina, o tipo de defeito depende da energia de formação, os defeitos de Schottky e Frenkel são exemplos de defeitos aliovalentes 
31-Quais as conseqüências de um defeito tipo Frenkel na rede, por exemplo, do MgO?
O aumento da concentração de um elemento incorporado na red 
32- O que são discordâncias e como podem ocorrer? 
As discordâncias são defeitos lineares ou unidimensionais em torno do qual alguns átomos estão desalinhados, são associadas à cristalização e a deformação. Sua origem pode ser térmica, mecânica e por supersaturação de defeitos pontuais, este tipo de defeito pode ser responsável pela deformação, falha ou rompimento de um material. 
33- Qual o significado do vetor de Burgers? Qual a relação entre a discordância e a direção do vetor de Burgers para cada tipo de discordância? 
O vetor de Burgers fornece a magnitude e a direção de distorção da rede, corresponde à distância de deslocamento dos átomos ao redor da discordância. Na discordância em espiral o vetor de Burger é paralelo á direção da linha de discordância, na discordância em cunha o vetor de Burgers é perpendicular à discordância em cunha. 
34-Defina grão. O que é contorno de grão. Que tipo defeito é considerado um contorno de grão?
Grão é a porção de material onde o arranjo cristalino é idêntico, variando sua orientação. O contorno de grão é a fronteira entre os grãos. O contorno de grão é considerado um defeito planar. 
35- Como pode a superfície de um cristal ser considerado um defeito da estrutura cristalina?
O defeito de superfície externa é o defeito mais evidente devido a descontinuidade, a coordenação atômica na superfície não é comparável a dos átomos no interior do cristal, os átomos superficiais tem seus vizinhos em apenas um lado, logo possuem mais energia e estão firmemente ligados aos átomos externos. 
36- O que são defeitos volumétricos?
São estruturas sem ordenamento de longo alcance, estas estruturas são chamadas de estruturas amorfas e podem formar uma matriz em cristais de polímeros formando os polímeros semicristalinos.
37-Cite algumas propriedades influenciadas diretamente pela presença de defeitos.
Defeitos pontuais influenciam diretamente as propriedades de difusão, processos de transporte de condução iônica, reações de estado sólido, transformações de fase, evolução da microestrutura. 
Defeitos leneares influenciam diretamente na propriedades mecânicas como a deformação plástica, fragilidade e dureza. 
Defeitos planares influenciam diretamente nas propriedades magnéticas e dielétricas. 
Defeitos volumétricos influenciam na estrutura cristalina do material.