Estrutura atômica e cristalina dos materiais

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Estrutura atômica e cristalina dos materiais 
 
Introdução 
 
 A Ciência dos Materiais estuda a composição, a constituição e as propriedades da matéria. A 
Engenharia de Materiais com base nessas propriedades desenvolve materiais com valor para 
sociedade. 
 Sabemos que matéria é tudo que ocupa lugar no espaço e que esta matéria é formada por 
átomos. Estes átomos se ligam formando compostos iônicos, moleculares ou metais. Nos próximos 
tópicos vamos compreender como esses compostos se agrupam e como isso afeta suas propriedades. 
 
 A Célula unitária 
 
 Os átomos ao se agruparem formam pequenas estruturas mínimas que se repetem formando os 
cristais. Essas estruturas mínimas chamamos de célula unitária. As células unitárias em geral são na 
forma de cubos, paralelepípedos ou prismas. 
 A figura a seguir ilustra um cristal de Quartzo (SiO2), este cristal é formado por milhares de 
células unitárias. 
 
 
Figura 1 – Cristal de Quartzo (SiO2) 
Fonte: https://pt.wikipedia.org/wiki/Quartzo acesso em 07/09/2020 
 
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 Nem todos os materiais apresentam arranjo estrutural com a repetição de uma célula unitária. 
Alguns possuem uma rede desorganizada e esses materiais chamamos de não-cristalino. Observe na 
figura a seguir a diferença entre um material cristalino e não-cristalino. 
 
 
Figura 2 – Estrutura cristalina e não-cristalina 
Fonte: http://engenheirodemateriais.com.br/2016/06/22/como-fabricar-vidros-a-temperatura-ambiente/ 
acesso em 07/09/2020 
 
 A forma de organização dos átomos é tão importante que materiais compostos pelos mesmos 
átomos mas com organização diferente apresentam propriedades diferentes. O vidro, por exemplo, tem 
como um de seus componentes o SiO2, porém na forma não-cristalina, diferentemente do cristal de 
quartzo. 
 
As redes de Bravais 
 
 Os átomos podem se agrupar de 14 maneiras chamadas redes de Bravais ou retículo de Bravais 
em homenagem ao cristalógrafo francês Auguste Bravais. 
 
 As 14 redes estão apresentadas na figura a seguir: 
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Figura 2 – 14 redes de Bravais 
Fonte: http://corro4v072.blogspot.com.br/2008/03/estrutura-cristalina.html acesso em 07/09/2020 
 
O sistema cúbico 
 
Cúbico simples 
 
 Nesta estrutura os átomos se apresentam nos vértices de um cubo. Se consideramos que um 
cubo está rodeado de outros cubos eles possuem os átomos dos vértices em comum, pertencendo a 
cada um 1/8 do átomo. 1/8 vezes 8 vértices chegamos à conclusão que a célula unitária possui um 
átomo por célula (Figura 3). 
 
Cúbico de face centrada 
 
 Nesta estrutura os átomos estão localizados nos vértices de um cubo e no centro das faces. Sua 
célula unitária possui, portanto, 3 átomos e por esse motivo tem um grande empacotamento e a maioria 
dos metais possui esta estrutura. 
 
 
Cúbico de corpo centrado 
http://corro4v072.blogspot.com.br/2008/03/estrutura-cristalina.html
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Nesta estrutura os átomos estão localizados nos vértices de um cubo e no centro desse cubo. 
Sua célula unitária possui, portanto, 2 átomos. 
 
O sistema hexagonal 
 
 A estrutura hexagonal mais comum é a hexagonal compacta. Nesta estrutura a base e a parte 
superior são formados por seis átomos que formam um hexágono em volta de um sétimo átomo no 
centro. Entre a base e plano superior apresenta-se mais três átomos. 
 
 A tabela a seguir mostra o tipo de empacotamento de alguns metais. 
Metal Estrutura cristalina 
Alumínio Cúbica de face centrada 
Cádmio Hexagonal compacta 
Crômio Cúbica de corpo centrado 
Cobalto Hexagonal compacta 
Cobre Cúbica de face centrada 
Ouro Cúbica de face centrada 
Ferro Cúbica de corpo centrado 
Chumbo Cúbica de face centrada 
Molibdênio Cúbica de corpo centrado 
Níquel Cúbica de face centrada 
Platina Cúbica de face centrada 
Prata Cúbica de face centrada 
Titânio Hexagonal compacta 
Tungstênio Cúbica de corpo centrado 
Zinco Hexagonal compacta 
 
 
Defeitos em sólidos 
 
 No tópico anterior estudamos a estrutura dos materiais. Aprendemos que cada material tem sua 
estrutura com a unidade mínima que se repete ao longo do espaço. Porém os materiais encontrados na 
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natureza possuem pequenas imperfeições nesta estrutura, como uma posição atômica ausente, um 
átomo estranho a rede entre outros. 
 O óxido de alumínio (Al2O3) se possuir em sua estrutura átomos diferentes apresenta 
propriedade óptica diferente (mudança de cor). 
 
 
Figura 7 – SiO2 com diferentes átomos hospedeiros. Vermelho: Crômio, Azul: Ferro e Titânio. 
Laranja: Ferro 
Fonte: ATKINS, P.; LORETTA, J., Princípios de Química: Questionando a Vida Moderna e o Meio 
Ambiente. Porto Alegre, Editora Bookmann, p. 644. 2006. 
 
Principais tipos de defeitos 
 
Vacância 
 
 Ocorre quando uma das posições atômicas se encontra vazia. 
 
Intersticial 
 
 Ocorre quando um átomo sai da sua posição e ocupa um interstício (posição intermediária). 
Este defeito pode acarretar em uma mudança na propriedade mecânica do material, deixando-o menos 
ou mais resistente. 
 
 
 
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Troca 
 
 Ocorre quando os átomos trocam de posição entre si. 
 
Defeito de cor 
 
 Ocorre quando elétrons são inseridos na estrutura do material. 
 
Leitura complementar 
 
 Acesse o site: http://lqes.iqm.unicamp.br/images/vivencia_lqes_index_defeitos_pontuais.pdf e 
leia mais sobre os defeitos e como indica-los através de símbolos por uma notação chamada de 
Kroger-Vink. 
 
Bibliografia 
 
CALLISTER JR., W. Ciência e Engenharia dos Materiais: uma introdução. Editora LTC. 
 
PADILHA, A. F., Materiais de Engenharia, Microestrutura e Propriedades, Curitiba. Editora: Hemus, 
2000. 
 
VAN VLACK. L. H., Princípios de ciências dos Materiais. São Paulo, Editora Edgar Blücher. Pág. 
427. 1970. 
 
ATKINS, P.; LORETTA, J., Princípios de Química: Questionando a Vida Moderna e o Meio Ambiente. 
Porto Alegre, Editora Bookmann, pág. 914. 2001. 
 
GENTIL, V.; Corrosão. Rio de Janeiro, 3ª ed., Rio de Janeiro, LTC, pág. 345. 1996. 
 
GEMELLI, E., Corrosão de Materiais Metálicos e sua Caracterização. Editora LTC 
 
www.cienciadosmateriais.org 
 
SHRIVER, D. F; ATKINS, P. W. Inorganic Chemistry. 3ª ed. Oxford: Oxford University Press 1999, 
765 p. 
 
 
 
 
http://lqes.iqm.unicamp.br/images/vivencia_lqes_index_defeitos_pontuais.pdf