3 1+ESTRUTURAS+CRISTALINAS

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3.1 ESTRUTURAS CRISTALINAS
Profa Daniele de Araujo Cella
Química e Ciência dos materiais
Estrutura Cristalina
As propriedades exibidas pelos materiais é o resultado da combinação entre suas características atômicas como:
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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Estrutura Cristalina
Os constituintes de um sólido podem ser dispostos de duas maneiras: 
Quando formam um padrão tridimensional repetitivo de longo alcance denominado rede cristalina, produzindo, assim, um sólido cristalino 
 Quando não há um padrão tridimensional repetitivo de longo alcance, formando assim um sólido amorfo, do grego amorphos, que significa “sem forma” 
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Estrutura Cristalina
Exemplos de sólidos amorfos e cristalinos: (a) opala; (b) pingente de opala e diamantes; (c) stibnite 
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Estrutura Cristalina
(a) Arranjo ordenado- O quartzo é uma forma cristalina da sílica (SiO2) (b) Arranjo desordenado- quando a sílica fundida se solidifica torna-se vidro
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Células unitárias
É a menor unidade que se repete e que tem todas as características de simetria da forma organizada espacial dos átomos 
As células unitárias, para a maioria das estruturas cristalinas possuem seis lados, e cada lado é um paralelogramo. Por convenção, admite-se que os átomos ou íons são esferas sólidas e com diâmetros definidos, e que os vértices do paralelogramo devem coincidir com os centros de massa dos átomos (CALLISTER, 2018, p.48). 
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Células unitárias
Representação de uma célula unitária de uma pilha de tijolos 
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Células unitárias
 Os materiais metálicos, por exemplo, podem se solidificar em estruturas cristalinas que apresentam quatro tipos de células unitárias: 
Cúbica Simples (CS): na CS cada átomo possui seis átomos vizinhos mais próximos e estão localizados nos oito vértices do cubo e apenas 1/8 de sua massa se encontra dentro da célula unitária em um arranjo
octaédrico. 
Dessa maneira, tem-se somente um átomo no interior da célula unitária CS
Somente 52% do seu volume total é preenchido. 
Possui número de coordenação igual a seis. 
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Cúbica simles
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Células unitárias
Cúbica Corpo Centrado (CCC): a célula unitária CCC é uma maneira mais eficiente de empacotamento atômico e muito mais comum entre os elementos puros.
 Nela, cada átomo tem oito átomos vizinhos mais próximos portanto, número de coordenação igual a oito e 68% do seu volume ocupado. 
A célula unitária cúbica de corpo centrado, além dos
átomos nos vértices, possui um átomo central, de forma que se tem dois átomos na célula unitária CCC. 
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Células unitárias
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Células unitárias
Cúbica de Face Centrada (CFC): outra maneira bastante eficiente de empacotamento atômico muito encontrada nos metais é a estrutura cristalina de célula unitária cúbica de face centrada.
 Na CFC os átomos estão localizados em cada um dos vértices e nos centros de todas as faces do cubo.
N= 6*(1/2) + 8*(1/8) =4 ÁTOMOS
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Células unitárias
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Células unitárias
Hexagonal Compacta (HC): a maneira mais eficiente de empacotamento atômico nas estruturas cristalinas é a célula hexagonal compacta.
A célula HC é formada por camadas atômicas alternadas, na qual a primeira e a terceira camadas ocupam os vazios tetraédricos em que cada átomo toca seis átomos no seu próprio plano, três átomos na camada acima e três abaixo do seu plano; dessa forma a HC possui número de coordenação igual a 12. 
A célula HC contém um átomo em cada vértice e em cada centro da face hexagonal, podendo ser descrita com ordenação atômica “a-b-a-b-a-b”. 
Na célula hexagonal compacta os átomos ocupam 74% do volume total da célula unitária. 
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Células unitárias
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Células unitárias
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Células unitárias
Além do número de coordenação característico para cada célula unitária, outra característica muito importante das estruturas cristalinas é o fator de
empacotamento atômico (FEA), que é a razão entre a soma dos volumes das esferas de todos os átomos internos de uma célula unitária ( VE ) pelo volume da célula unitária ( Vc ), como apresentada em: 
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Células unitárias
No entanto, anteriormente ao cálculo do FEA das estruturas cristalinas, é necessário calcular VE e Vc para cada célula unitária. O volume dos átomos
em uma célula unitária ( VE ) é dado por: 
Em que: n é o número de átomos no interior da célula unitária e 4/3 ¶ R3 é o volume de uma esfera. 
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Células unitárias
Para cada tipo de célula unitária existe uma relação distinta do comprimento da aresta (a) e o raio atômico (R), assim como uma relação distinta para o cálculo do volume da célula unitária, como são apresentadas na Tabela:
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Células unitárias
O conhecimento do tipo de célula unitária e da estrutura cristalina de um sólido possibilita o cálculo da sua massa específica teórica ρ através da
expressão:
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Exemplo
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Poliformismo
Uma característica interessante dos materiais é a de que muitas vezes, um determinado material se solidifica com diferentes estruturas cristalinas, esse fenômeno é conhecido como polimorfismo. 
O polimorfismo é muito semelhante à alotropia, no entanto, a alotropia é usada para descrever sólidos elementares, enquanto o polimorfismo é utilizado para compostos. Em geral, para qualquer material cristalino utiliza-se o termo polimorfismo. 
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Poliformismo
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Poliformismo
a) diamante; b) grafita; c) lonsdaleíta; d) buckminsterfulereno; e) C540
fulereno; f) C70 fulereno; g) carbono amorfo; e h) nanotubos de carbono. 
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Poliformismo
Muitas cerâmicas, como a sílica ( SiO2 - óxido de silício) e a zircônia (ZrO2 - dióxido de zircônio), são exemplos de materiais polimórficos.
 Neste caso, a mudança de volume acompanha a transformação da estrutura cristalina durante o resfriamento ou aquecimento e, se essas condições não forem controladas corretamente, a mudança de volume pode tornar o material cerâmico frágil e quebradiço. 
A Figura mostra o arranjo atômico da zircônia, que apresenta estrutura cristalina monoclínica estável entre 25 e 1170 °C. 
Acima dessa temperatura e até 2370 °C, o dióxido de zircônio monoclínico transforma-se em uma estrutura tetragonal estável. 
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Poliformismo
Acima de 2370 °C a zircônia tetragonal se transforma em uma forma cúbica estável até 2370 °C para uma temperatura de fusão de 2680 °C. 
A zircônia também pode ter a forma ortorrômbica quando submetida a elevadas pressões
Esse material é muito utilizado em substituição aos materiais metálicos em próteses dentárias devido à elevada resistência e por ser inerte em meio fisiológico 
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Poliformismo
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Poliformismo
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Célula unitária
As estruturas de todos os cristais que conhecemos podem ser classificadas
de acordo com a simetria das células unitárias 
 Existe um total de sete tipos fundamentalmente distintos dessas células que diferem nos comprimentos
relativos das arestas e dos ângulos formados entre elas. 
Os arranjos atômicos ou iônicos dos materiais cristalinos são descritos por sete sistemas cristalinos apresentados na Figura: cúbico, hexagonal, tetragonal, romboédrico (trigonal), ortorrômbico, monoclínico e triclínico. 
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Sistemas cristalinos
A estrutura cristalina é caracterizada pelos comprimentos a, b e c, e pelos três ângulos α,β e γ.
Esses parâmetros são denominados parâmetros de rede cristalina. 
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Sistemas cristalinos
Embora existam apenas sete sistemas de cristais ou formas, existem 14 redes cristalinas distintas, chamadas rede de Bravais.
A rede de Bravais apresenta as seguintes redes cristalinas: três tipos cúbicos, um tipo romboédrico, quatro tipos ortorrômbicos, dois tipos tetragonais, um
tipo hexagonal, um tipo triclínico e dois tipos monoclínicos 
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Sistemas cristalinos
https://www.youtube.com/watch?v=2s_TjH1teOI&t=431s
https://www.youtube.com/watch?v=uZemT4YWo48
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Exercícios
B
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Exercícios
E
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Exercícios
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Exercícios
Química e Ciência dos materiais
Exercício 4
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Exercício 4
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Exercício 5
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Exercício 5
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Exercício 6
C
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Exercício 7
B
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Exercício 8
A
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Exercício 
https://forms.office.com/Pages/ResponsePage.aspx?id=WeSqvm6Ln0WHMfiCx0crZB12S3sxILxFtfDty8s37wxUQTBQNlg5NEYwUFZTQkVVMUVKWllaNjdZUy4u
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