Aula 5_Imperfeições nos sólidos

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Imperfeições nos sólidos	
Docente:
Profa. Ivana M. G. de Andrade
Instituto Federal do Sul de Minas Gerais
Curso de Engenharia de Alimentos
Ciência e Tecnologia de Materiais
Imperfeições nos sólidos
Por que estudar???
Imperfeições podem afetar o desempenho os diferentes materiais. Alguns defeitos podem ser desejáveis.
Não existe, em escala atômica uma ordenação perfeita dos materiais cristalinos!
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Propriedades de materiais são influenciadas pela presença de imperfeições.
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defeitos pontuais
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Defeitos pontuais em metais
LACUNA  defeito com um sítio vago na rede, pois há falta de um átomo. Ocorre em todos os sólidos cristalinos.
AUTOINTERSTICIAL  um átomo do cristal que se encontra comprimido em um sítio intersticial (espaço vazio que geralmente não está ocupado). Em metais, causa distorções na rede cristalina.
 Ocorre com menor frequência que as lacunas
 
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defeitos pontuais
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Defeitos pontuais em metais
 
Autointersticial
Lacuna
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defeitos pontuais
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Defeitos pontuais em metais - Lacuna
O número de lacunas em equilíbrio, Nl, para uma dada quantidade de material depende da temperatura e aumenta exponencialmente em função da temperatura:
N = número total de sítios
Ql = energia necessária para a formação da lacuna
T = temperatura em Kelvin
k (constante de Boltzman) – 1,38 x 10-23 J/átomo. K ou 8,62eV/átomo.K
Para a maioria dos metais Ni/N é cerca de 10-4, ou seja, 1 sítio a cada 10000 da rede está vazio! 
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Exemplo 1
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Cálculo do número de lacunas 
Calcule o número de lacunas por metro cúbico de cobre em equilíbrio a 1000°C. A energia para a formação de uma lacuna é de 0,9 eV/átomo; o peso atômico e a densidade (a 1000°C) para o cobre são de 63,5 g/mol e 8,40 g/cm3. 
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defeitos pontuais
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Defeitos pontuais nas cerâmicas
 São possíveis tanto lacunas quanto intersticiais
materiais cerâmicos possuem pelo menos duas espécies de íons, os defeitos podem ocorrer para cada espécie
 Exemplo: NaCl  podem haver lacunas e intersticiais para o Na (cátion) e lacunas e intersticiais para o Cl (ânion – intersticiais são menos comuns, pois átomo é maior)
 
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defeitos pontuais
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Defeitos pontuais nas cerâmicas
 
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defeitos pontuais
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Defeitos pontuais nas cerâmicas
 Defeito de Frenkel  envolve um par de lacuna catiônica e intersticial catiônico
 cátion deixa sua posição normal e se move para o sítio intersticial
 Defeito de Schottky  par composto por uma coluna catiônica e uma lacuna aniônica 
 criado pela remoção de um cátion e de um ânion do interior do cristal, sendo que ambos foram colocados em uma superfície extrna
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defeitos pontuais
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Defeitos pontuais em cerâmicas
Para os defeitos de Frenkel, a quantidade de pares de defeito lacuna catiônica/intersticial catiônico (Nfr) depende da temperatura: 
Qfr = energia necessária para a formação da lacuna
T = temperatura em Kelvin
k (constante de Boltzman) – 1,38 x 10-23 J/átomo. K ou 8,62eV/átomo.K
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defeitos pontuais
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Defeitos pontuais em cerâmicas
 De maneira semelhante, para os defeitos de Schottky, em o número de defeitos em equilíbrio, Ns, é em função da temperatura: 
Qs = energia necessária para a formação do defeito
T = temperatura em Kelvin
k (constante de Boltzman) – 1,38 x 10-23 J/átomo. K ou 8,62eV/átomo.K
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Exemplo 2
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Cálculo do número de defeitos de Schottky no KCl 
Calcule o número de defeitos de Schottky por metro cúbico no KCl à 500°C. A energia necessária para a formação de cada defeito de Schottky é de 2,6 eV, enquanto que a densidade do KCl (500°C) é de 1,955 g/cm3.
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Impureza nos sólidos
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Impureza nos metais
 Impossibilidade de produzir metais puros  entre 1022 e 1023 átomos de impureza/m3 de material
Maior parte dos metais são ligas metálicas
Impurezas são adicionadas intencionalmente para conferir características específicas ao material.
Forma-se então uma solução sólida!
Ex. prata de lei: 92,5 % de prata (solvente) e 7,5 % de cobre (soluto)
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Impureza nos sólidos
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Soluções sólidas
São formadas à medida que os átomos de soluto são adicionados ao material hospedeiro (solvente), a estrutura cristalina é mantida e nenhuma nova estrutura é formada.
Solução sólida também é homogênea em composição, pois os átomos de impurezas estão distribuídos uniformemente e aleatoriamente no sólido
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Impureza nos sólidos
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Defeitos pontuais em soluções sólidas:
 Substitucional átomos de soluto ou de impureza repõem ou substituem o átomo hospedeiro. 
Ex.: Solução de Cu e Ni são completamente solúveis um no outro em todas proporções.
 Intersticiais átomos de impureza preenchem os espaços vazios ou interstícios entre os átomos hospedeiros.
 Ex.: Carbono forma solução sólida intersticial com Fe concentração máxima de carbono é de 2 %
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Impureza nos sólidos
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Defeitos pontuais nos polímeros
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lacunas e átomos ou íons intersticiais forma encontrados em polímeros
 As extremidades das cadeias são consideradas defeitos  quimicamente diferentes das unidades normais da cadeia
Defeitos pontuais são diferentes em polímeros devido às macromoléculas que os compõem.
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Especificação da composição
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Porcentagem em peso (%p)
peso de um elemento específico em relação ao peso total da liga
Para uma liga contendo dois átomos hipotéticos 1 e 2, a concentração do átomo 1 em %p, C1:
 m1 e m2, massa dos elementos 1 e 2. C2 seria calculada da mesma forma.
Com frequência, torna-se necessário especificar a composição (concentração) de uma liga em termos de seus elementos constituintes. 
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Especificação da composição
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Porcentagem atômica (%a)
número de mols de um elemento em relação ao número total de mols de todos os elementos da liga
O número de mols de um elemento hipotético 1, nm1, pode ser calculado:
 Em que: m1 = massa (gramas) do elemento 1
	 A1 = peso atômico do elemento 1 
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Especificação da composição
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Porcentagem atômica (%a)
número de mols de um elemento em relação ao número total de mols de todos os elementos da liga
Para uma liga contendo dois átomos hipotéticos 1 e 2, a concentração do átomo 1 em %a, C’1:
 Em que 
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Especificação da composição – Conversão entre composições
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Pode ser necessário converter uma composição na outra. Ex. % peso para % atômica 
Obs:
C1 + C2 = 100
C’1 + C’2 = 100
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Especificação da composição – Conversão entre composições
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Conversão de unidades de %peso para unidade de massa por volume (kg/m3):
Obs:
Para a densidade em g/cm3 estas expressões fornecem C”1 e C”2 em kg/m3
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Especificação da composição – Conversão entre composições
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Determinação da densidade e do peso atômico da liga binária sendo dada a composição em %p ou %a:
Obs:
ρmed é a densidade da liga
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Especificação da composição – Conversão entre composições
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Determinação da densidade e do peso atômico da liga binária sendo dada a composição em %p ou %a:
Obs:
Amed é o peso atômico da liga
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Exemplo 3
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Desenvolva a Equação:
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Exemplo 4
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Determine a composição, em %a, de uma liga que consiste de 97%p alumínio e 3%p cobre.
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Exercício 5 (entregar)
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5.16) Qual é a composição, em %p, de uma liga que contém 5,5%a de chumbo e 94,5%a de estanho?
5.18) Qual é a composição, em %a, de uma liga que contém 98 g de estanho e 65 g de chumbo?
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Imperfeições diversas
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Discordância
Defeito linear ou unidimensional em torno do qual alguns dos átomos estão desalinhados. Todos os materiais cristalinos contém alguma discordância provocada no seu processamento.
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Imperfeições diversas
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Discordância de aresta:
porção extra de um plano de átomos , ou semiplanos, cuja aresta termina no interiordo cristal
Linha de discordância
aresta
Defeito linear centralizado sobre a linha de discordância do semiplano extra de átomos.
átomos cima da linha e discordância são pressionados um contra os outros , enquanto os átomos abaixo da linha são afastados uns dos outros
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Imperfeições diversas
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Discordância
Discordância em espiral
Consequência de uma tensão cisalhante aplicada para a produzir a distorção mostrada na figura.
Porção inferior do cristal é deslocada para a direita.
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Imperfeições diversas
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Discordância
Discordâncias mistas:
Combinação de discordâncias em aresta e discordâncias espirais
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