Estruturas Cristalinas e Propriedades dos Materiais

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Faculdade Pitágoras de Betim
Ciência dos Materiais
Professora: Luciana
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Seção 2.1
	Estruturas Cristalinas
(Capítulo 3 do Callister)
	Pré aula: https://www.youtube.com/watch?v=ZeOFbYy94nU
	http://www.quimica3d.com/m770596/br-c4.php
	https://www.youtube.com/watch?v=KNgRBqj9FS8&ebc=ANyPxKoS2zeOIwHXbNmVZjQB6WpC31Fhb5v8bf1E3Xb6RCGMJqSW5GsJskfEMj2aS_beAMR__2giSLQwR_SBvnxzjhTa8WdLfg
	https://engenheirodemateriais.wordpress.com/tag/alotropia-do-estanho/
Situação-problema
	Algum tempo atrás você iniciava sua carreira em uma empresa automobilística como trainee e, hoje, você já está trabalhando como vendedor técnico numa metalúrgica!
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Não pode faltar
	As propriedades exibidas pelos materiais é resultado da combinação entre suas características atômicas como composição, ligação interatômica e estrutura cristalina.
	A estrutura cristalina refere-se aos arranjos que os átomos podem assumir quando os materiais estão no estado sólido e descreve uma estrutura altamente ordenada devido à natureza dos seus constituintes em formar padrões simétricos.
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Não pode faltar
	Na grande maioria, as partículas que compõem um material sólido iônico, molecular, covalente ou metálico são mantidas unidas por forças atrativas intensas e, para efeito de estudo, consideramos que as posições atômicas dos átomos, moléculas ou íons são fixas no espaço. Os constituintes de um sólido podem ser dispostos de duas maneiras: 
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Não pode faltar
	a) quando formam um padrão tridimensional repetitivo de longo alcance denominado rede cristalina, produzindo, assim, um sólido cristalino e 
	b) quando não há um padrão tridimensional repetitivo de longo alcance formando assim um sólido amorfo, do grego amorphos, que significa "sem forma" (CALLISTER; RETHWISCH, 2013). 
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Estrutura dos materiais
	Arranjos assumidos pelos átomos no estado sólido.
Material Cristalino: átomos estão posicionados em um arranjo repetitivo ou periódico ao longo de grandes distâncias (metais, alguns cerâmicos e polímeros sob condições normais de solidificação).
Material não cristalino ou amorfo: organização em longas distâncias ausentes.
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	Os sólidos cristalinos, ou cristais, possuem estruturas internas distintas que por sua vez resultam em diferentes superfícies planas, ou faces. 
	As faces se interceptam em ângulos que são característicos de cada substância e, quando expostos a raios X, cada estrutura também produz um padrão distinto que pode ser utilizado para identificar o material. 
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	Esses ângulos característicos refletem a regularidade espacial do arranjo periódico dos átomos, das moléculas ou íons. Dessa forma, representa-se a totalidade de um cristal a partir da sua menor unidade de repetição denominada célula unitária
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Estrutura
Modelo de esferas rígidas
Células unitárias
Célula unitária
	Unidade básica repetitiva da estrutura tridimensional.
	A célula unitária é escolhida para representar a simetria da estrutura cristalina
	É formada pela rede geométrica + átomos
Rede de Bravais
Sistema cúbico
	Os átomos podem ser agrupados dentro do sistema cúbico em 3 diferentes tipos de repetição:
	Cúbico simples
	Cúbico de corpo centrado
	Cúbico de face centrada
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A estrutura cristalina 
Cúbico simples(CS)
A estrutura cristalina 
Cúbico simples(CS)
A estrutura cristalina 
Cúbico simples(CS)
A estrutura cristalina 
Cúbico simples(CS)
A estrutura cristalina 
Cúbico simples(CS)
Fator de empacotamento atômico
Estrutura Cristalina dos metais
A estrutura cristalina 
Cúbica de Faces Centradas (CFC)
Rede CFC
1/8 de cada átomo cai dentro da célula unitária, pelos vértices, mais 1/2 átomos em cada face do cubo → a célula unitária contém 4 átomos.
É o sistema mais comum encontrado nos metais (Al, Fe, Cu, Pb, Ag, Ni,...)
 
Cálculo de volume de uma célula unitária CFC em termos de raio atômico
V= a3
a=
Cálculo do fator de empacotamento atômico
	FEA= volume dos átomos em uma célula unitária
 Volume total da célula unitária
CFC
	FEA= 0,74 máximo empacotamento possível para esferas de mesmo diâmetro.
Número de Coordenação →Qualquer átomo da rede encontra-se ligado (tocando diretamente) 12 outros átomos da rede CFC portanto o 
 NC = 12. 
 
REDE CFC
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Cúbica de Corpo Centrado (CCC)
Observando só átomos que se tocam temos que 1 átomo qualquer tem contato com mais 8. Portanto seu NC= 8.
REDE CCC
1/8 de cada átomo cai dentro da célula unitária, pelos vértices, mais 1 átomo inteiro central → a célula unitária contém apenas 2 átomos.
O Fe, Cr, W cristalizam em ccc 
 
a
a
a
y
Cálculo do fator de empacotamento atômico
	FEA= volume dos átomos em uma célula unitária
 Volume total da célula unitária
CCC
	FEA= 0,68%
	Menor que CFC
Tabela resumo para o sistema cúbico
Alotropia do Ferro
Hexagonal Compacta (HC)
Observando só átomos que se tocam temos que 1 átomo qualquer tem contato com mais 12. Portanto seu NC= 12.
HC
A face superior é composta de 6 átomos que formam hexágonos regulares e que estão ao redor de um átomo central.
Um outro plano contribui com 3 átomos adiconais entre os planos superior e inferior.
12 átomos nos vértices divididos por 6 células (1/6*12), mais metade de cada átomo das faces extremas (1/2*2), mais 3 átomos centrais = 6 átomos
 
HC
 Tanto o Número de coordenação quanto o Fator de Empacotamento da célula hexagonal serão igual aos valores da estrutura CFC (12 e 0,74).N
 
HC
Para a estrutrura HC, mostre que a razão c/a ideal é igual a 1,633.
Mostre que o fator de empacotamento atômico para HC é 0,74.
 
Cálculo de massa específica
O conhecimento da estrutura cristalina possibilita a determinação da densidade verdadeira  do sólido:
n = nº átomos em cada célula unitária
A = peso atômico
Vc = volume da célula unitária
NA = nº de Avogadro 6,02x1023
ρ=
nA
VC NA
Exemplo
O cobre possui raio atômico de 0,128 nm, estrutura CFC e peso atômico de 63,5 g/mol. Calcule sua massa específica em g/cm3.
Solução:
=8,89 g/cm3
=8,94 g/cm3 concordante com o valor encontrado!
Prefixos do Sistema Internacional
Inserir 6,02x1023
Digitar: 6.02, pressiona a tecla EXP, digita o expoente número: 23
Exercício
	O ferro possui uma estrutura cristalina CCC, um raio atômico de 0,124 nm e um peso atômico de 55,85 g/mol. Calcule sua densidade e compare-a com a densidade determinada experimentalmente (7,87g/cm3). ρ= n.A/Vc.NA 
Exercício
	Calcule o raio atômico do irídio em nm, dado que o Irídio possui uma estrutura cristalina CFC, uma massa específica de 22,4 g/cm3 e um peso atômico de 192,2 g/mol. 
	1,36.10-8 cm ou 0,136 nm
Transformações de unidades
Exercício
	Calcule o raio atômico do vanádio em nm, dado que o vanádio possui uma estrutura cristalina CCC, uma massa específica de 5,96 g/cm3 e um peso atômico de 50,9 g/mol. 
 1,32.10-10m 0,132.10-9m 0,132nm
Polimorfismo e alotropia
Algumas substâncias, podem ter mais de uma estrutura cristalina, a esse fenômeno é dado o nome de polimorfismo.
Quando encontrada em sólidos elementares, essa condição é chamada Alotropia.
	Fe CCC à temperatura ambiente
	 CFC a 912ºC
Atividades diagnósticas
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Atividades de aprendizagem
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Lembretes para próxima aula!!!!!!
Realizar todas as atividades diagnósticas e de aprendizagem U2S1 e será avaliado pelo sistema.
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