Estruturas Cerâmicas

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EQI-365 Ciência dos Materiais 
Profa. Mariana de Mattos Vieira Mello Souza 
UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO DE 
JANEIRO 
Escola de Química 
Estruturas Cerâmicas 
Estruturas Cerâmicas 
 Como nos materiais cerâmicos a ligação atômica é 
predominantemente iônica, as estruturas cristalinas são compostas 
por íons. 
 Duas características dos íons componentes em materiais 
cerâmicos cristalinos influenciam a estrutura do cristal: 
- a magnitude da carga elétrica (lembrando que o cristal dever ser 
sempre eletricamente neutro) 
- os tamanhos relativos dos cátions (íons metálicos) e ânions (íons 
não-metálicos) 
2 
 Os sólidos iônicos têm a tendência de ter os seus íons 
empilhados o mais densamente possível, de modo a baixar também 
o máximo possível a energia global do sólido. 
 Os tamanhos relativos dos íons e a necessidade de manter a 
neutralidade elétrica constituem limitações ao empilhamento denso. 
1. Estequiometria: necessidade de manter a eletroneutralidade 
Regras de seleção 
Ex: 
CaF 2 : 
Ca 2+ 
cátion 
F - 
F - 
ânions + 
A m X p 
m, p determinados pela neutralidade elétrica 
Fórmula geral: 
3 
2. Tamanho relativo de cátions e ânions: 
 Estruturas cerâmicas estáveis se formam quando os ânions 
que circundam um cátion estão todos em contato com aquele 
cátion. 
Regras de seleção 
- - 
- - 
+ 
instável 
- - 
- - 
+ 
estável 
- - 
- - 
+ 
estável 
 Está relacionado com a razão entre o raio do cátion e o raio 
do ânion. Para um número de coordenação específico, existe uma 
razão rC/rA crítica para o qual o contato ânion-cátion é estabelecido. 
Número de coordenação (NC): o número de ânions vizinhos 
mais próximos para um cátion. 
4 
ZnS 
NaCl 
CsCl 
Ex: rC/rA crítico para NC=6 (coordenação octaédrica) 
Como calcular rC/rA mínimo para cada NC? 
ACA 2222 rrr 
ACA 2rrr  AC )12( rr 
arr 222 CA 
414,0
A
C 
r
r
A2r a
5 
1. Estrutura do NaCl: 
Estruturas do tipo AX 
NC= 6 
4 íons Na+ (1 + 12 x 1/4) + 4 íons Cl- (8 x 1/8 + 6 x 1/2) = 8 íons/c.u. 
rNa = 0,102 nm rNa/rCl = 0,564 
rCl = 0,181 nm 
Outros exemplos: MgO, CaO, NiO, 
FeO, MnS, LiF. 
A C2(r + r ) =a
A C2(r + r ) =a
6 
Ex 1: Qual o fator de empacotamento iônico do NaCl, dado que 
rNa+= 0,102 nm e rCl-= 0,181 nm? 
Ex 2: Com base na estrutura cristalina, calcule a massa específica 
para o NaCl. Dados: PANa=22,99 g/mol e PACl= 35,45 g/mol. 
 
 
7 
2. Estrutura do CsCl: 
Estruturas do tipo AX 
NC= 8 
1 íon Cs+ + 1 íon Cl- = 2 íons/célula unitária 
Cs
Cl
r 0,170 nm
0,939
r 0,181 nm


 
Outros exemplos: CsBr, TlCl. 
A C2(r + r ) =a 3
3. Estrutura do ZnS: 
Estruturas do tipo AX 
NC= 4 
4 íons Zn2+ + 4 íons S2- 
= 8 íons/célula unitária 
2
2
r 0,074 nm
0,402
r 0,184 nm
Zn
S


 
Outros exemplos: ZnTe, SiC. 
8 
1. Estrutura do CaF2: 
Estruturas do tipo AX2 
NC= 8 (do cátion) 
4 íons Ca2+ + 8 íons F- = 12 íons/célula unitária 
2Ca
F
r 0,100 nm
0,751
r 0,133 nm


 
Outros exemplos: BaF2, ZrO2, UO2, ThO2 
Ca 
F 
1. Estrutura ABX3 (perovskita): 
Estruturas do tipo AmBnXp 
NC=12 (A), 6(B) e 6 (X) 
1 íon Ba2+ + 1 íon Ti4+ + 3 íons O2- = 5 íons/célula unitária 
Ex: BaTiO3 
Outros exemplos: LaMnO3, 
SrZrO3 
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2. Estrutura AB2X4 (espinélio): 
Estruturas do tipo AmBnXp 
NC= 4(A), 6 (B) e 4(X) 
8 íons Mg2+ + 16 íons Al3+ + 32 íons O2- = 56 íons/célula unitária 
Ex: MgAl2O4, FeAl2O4 
A= valência +2 e B= valência +3 
Íons Mg2+  posições tetraédricas 
Íons Al3+  posições octaédricas 
2. Estrutura AB2X4 (espinélio): 
Estruturas do tipo AmBnXp 
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Exemplo: Calcule a densidade planar de íons Ca2+ e O2-, em 
íons/nm2, no plano (111) do CaO, que tem estrutura do NaCl. 
Dados: rCa2+= 0,106 nm e rO2-= 0,132 nm.