Cap-3-Estado Sólido - parte B

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Cap. 3 –Estado sólido
3.2 Estruturas dos metais e ligas
Polimorfismo, Raios metálicos, Ligas
Instituto Federal do Espírito Santo
Coordenadoria de Licenciatura em Química
Química Inorgânica
Vídeos:
#12 - Origem do Aço e Bronze
https://www.youtube.com/watch?v=eEAde3_abK8
02 Fundição - História da metalurgia
https://www.youtube.com/watch?v=aLcTW2c-n-I
FÁBRICA DE SINOS ARTESANAIS EM UBERABA-MG
https://www.youtube.com/watch?v=RNpKZsunATM
Estrutura dos metais e ligas
- Estudos por difração de raio X revelam que a maioria dos metais possui empacotamento compacto
(ech, ecc) – elevada densidade
Polonium is unique among the elements because of its preference to
crystallize in an exceptionally rare yet simple primitive cubic unit cell
(Pm-3m, a = 3.3352 Å).
Não compacto: cúbica de corpo centrado (ccc) e a cúbica primitiva.
DESCRIÇÃO:
Ferrite ou α-ferro é a forma estável de ferro elementar em condições
ambientais e representa o sólido elementar simples com estrutura do
tipo cúbica centrada no corpo (grupo espacial: Im-3m).
Al empacotamento ccc: célula unitária fcc
Nanopartículas de zinco metálico por meio de uma rota química sintética 25 de julho de 2013
Por Wendy Mak, editora de desenvolvimento .
https://blogs.rsc.org/ce/2013/07/25/metallic-zinc-nanoparticles-via-a-chemical-synthetic-
route/?doing_wp_cron=1597064936.4871718883514404296875
Ou Tab 6.2 H e Sharp
Previsão da estrutura cristalina dos metais:
Relação dos orbitais s e p com a estrutura:
Regra 1: A energia de ligação em um metal (Energia de coesão) depende do número médio de elétrons
desemparelhados disponíveis para formar as ligações em cada átomo.
Regra 2: A estrutura cristalina adotada (ccc, ehc, cfc) depende do número de elétrons nos orbitais s e p
existentes em cada átomo envolvido na ligação.
a) Grupo 1: seguem a regra, estrutura ccc.
b) Grupo 2 : seguem a regra, estrutura ech.
Casos especiais: Ba e Ra, que são ccc.
Provável explicação é que o elétron excitado
vai para orbital nd e não pára o np ficando com
somente 1 elétron s ou p por átomo
participando das ligações metálicas.
c) Grupo 13:
Al tem a estrutura esperada: ecc - efc.
d) Metais de transição:
- Sc e Ti: seguem a regra, estrutura ech .
- V e Fe: não seguem a regra, estrutura ccc.
- Cu (4s1 3d10), Ag (5s1 4d10 ) e Au – não seguem a regra: o estado eletrônico excitado é d8 s1 p2 com cinco
ligações por átomo (dois elétrons d, um elétron s e dois elétrons p) que se ligam gerando a estrutura cúbica
compacta, ecc.
Metais que não apresentam empacotamento compacto
Ex: Mercúrio sólido
Politipismo: são arranjos estruturais 3D diferentes com a mesma estequiometria, observados em
estruturas de empacotamento compacto
Ex: cobalto – politipismo ech-ecc
Baixa temperatura - ech
Acima de 500 oC – adota estrutura ecc
Ao resfriar – gera um empilhamento aleatório: ABACBABAC... de camadas compactas.
Polimorfismo: devido a baixa direcionalidade das ligações ocorre a capacidade de adotar diferentes
formas cristalinas sobre diferentes condições de temperatura e pressão.
Geralmente, as faces com empacotamento mais compacto são favorecidas em baixas temperaturas;
as menos compactas são favorecidas a altas temperaturas.
Os polimorfos dos metais podem
ser rotulados como , ,  com o aumento da
temperatura.
Ex: ferro
Fe-: ccc, até 906 oC
Fe-: ecc, até 1401 oC
Fe-: ocorre novamente até o PF a 1530 oC
Fe-: ech, em altas pressões (Fig 6.7 H e Sharp).
Raios atômicos dos metais
Raio atômico de um elemento metálico polimórfico e ligas é dado
pela metade da distância entre os átomos adjacentes no sólido.
Mas geralmente esta distância aumenta com o NC
– isso pode fazer acreditar que o mesmo átomo, em diferentes
estruturas de NC, vai ter raios diferentes.
Para converter os raios atômicos dos metais para os valores que eles teriam numa estrutura de
empacotamento compacto de NC = 12, numa mesma condição, deve-se:
Ex: r(Na) = 185 pm, empírico, para estrutura com NC = 8 a relação de raio relativo (rl), é dada por:
rl(NC=12)/rl(NC=8) = 1/0,97 = 1,03
O raio no empacotamento compacto (rc) de NC = 12 será:
rc(Na)= 185 x 1,03 = 191 pm.
Os raios de Goldschmidt que ilustram a tendência na Tabela Periódica: aumento para baixo nos Grupos e
diminui da esquerda para a direita nos Períodos.
Também prevê a contração dos lantanídeos no 6º período e a contração similar que ocorre ao longo de cada
Período do bloco d.
Ligas
Preparada da mistura de metais (dois ou mais metais eletropositivos de eletronegatividades
semelhantes) que é fundida e, após resfriamento, obtém-se um sólido que apresenta propriedades
metálicas.
Podem ser soluções sólidas ou compostos de composição e estrutura definidas.
Solução sólida substitucional: átomos de um metal soluto ocupa algumas posições do metal
solvente (Fig 3.24a).
-O raio atômico diferem no máx. de 15%;
-Estruturas cristalinas dos dois metais puros são as mesmas;
-Caráter eletropositivo são similares.
Na(191pm) e K(235pm): diferença de 19%, logo não formam solução.
Ni(125 pm) e Cu(128 pm): 2,3 % de diferença, formam soluções variando do Ni puro ao Cu puro.
Zn(137 pm) e Cu(128pm): 7% de diferença, mas o o Zn é ech e o Cu é ecc (ver Tab. 3.2). Neste caso são
parcialmente miscíveis: formam o Latão- de composição Cu1-xZnx com x entre 0 e 0,38.
Solução sólida intersticial: os átomos do metal soluto ocupam os interstícios (as cavidades) entre os átomos
do metal solvente (Fig 3.24b). Mas aqui os átomos que ocupam os interstícios podem formar uma outra rede.
Formada entre metais e átomos pequenos (B, C, N), preservando a estrutura do metal e sem transferências de
elétrons. O maior átomo de soluto que cabe no interstício de empacotamento compacto deve ter raio de 0,414r
(como já visto).
Latão: até 38% de Zn em Cu
Bronze: 10% de Sn e 5% de Pb em Cu
(exceção de metal soluto: Zn e Ni; mas o metal solvente
sempre é o Cu)
Aço inoxidável: mais de 12 % de Cr em Fe.
•Surge do movimento dos elétrons que ganham energia e se deslocam para regiões mais frias. 
•Contrasta com o movimento dos elétrons de íons em solução.
A presença de orbitais vazios na camada de valência são fatores importantes na explicação da
condutividade de ligações metálicas.
OBS: no estado sólido os compostos iônicos conduzem eletricidade em pequeno grau caso existam
defeitos no retículo cristalino.
Propriedade dos metais
a) Condutividade:
Todos os metais são condutores de calor eficientes
Substância Tipo de Ligação. Condutividade / -1cm-1
Prata Metálica 6,3 x 105
Cobre Metálica 6,0 x 105
Sódio Metálica 2,4 x 105
Zinco Metálica 1,7 x 105
NaCl Iônica 1,0 x 10-7
Diamante Covalente 1,0 x 10-14
Quartzo Covalente 1,0 x 10-14
Condutividade elétrica de vários sólidos (Tab 5.1 J. D. Lee)
A condutividades elétrica dos metais decresce com o aumento da temperatura.
Condutividade eletrônica (σ):
metais 0 – 105 S cm-1
semicondutores 10-10 – 0 S cm-1
isolantes 10-14 S cm-1
b) Brilho:
- As superfícies lisas de metais geralmente apresentam aspecto brilhante e lustroso.
- Os metais geralmente apresentam cor prateada (a maioria apresenta tom cinza ou preto), exceto o ouro e o
cobre.
- O brilho é observado por todos os ângulos.
Os elétrons livres nos metais absorvem a energia da luz e a emitem quando retornam do estado excitado
ao seu nível fundamental. Como a luz em todos os comprimentos de onda (cores) é absorvida e
imediatamente remetida, praticamente toda luz incidente se reflete, conferindo o brilho.
As cores do cobre e do ouro se devem à maior absorção de certas cores em relação às outras.
E
ne
rg
ia
Fundamental
Excitado
h (luz)
c) Entalpia de atomização 
X
PF/oC
PE/oC
d) Maleabilidade e Força de Coesão
Propriedades Mecânicas: •Maleabilidade
•Ductibilidade
Não há resistência à deformação de sua estrutura, mas existe
intensa força de coesão.
A força de coesão pode ser medida como calor de atomização (energia de coesão).
Ho  de cima para baixo num grupo: Li > Na > K > Rb > Cs 
Ou seja Ho α 1/d (internuclear) 
Meabilidade: consiste na propriedadede um metal em temperatura normal, sofrer certa variação em sua
forma mediante ação mecânica, como martelado, estirado, ou laminado.
Ductibilidade e maleabilidade: capacidade de sofrer grandes deformações permanentes, sob tração
(ductibilidade) ou sob compressão (maleabilidade), antes da fratura.
Observa-se que a força de coesão aumenta do G1 para o G2 e G13 → sugere que a força da ligação
metálica depende do número de elétrons de valência.
Nos metais de transição a energia de coesão aumenta à medida que aumenta o número de elétrons d
desemparelhados. (Tab. 5.2 J. D. Lee).
Ex: Sc(d1) < Ti(d2) < V(d3)
.Continuando a série os elétrons envolvidos na ligação metálica são emparelhados, atingindo um
mínimo de energia de coesão metálica no Zn (d10).
.Os pontos de fusão e ponto de ebulição dos metais acompanham as tendências das energias de
coesão.
e) Teorias de Ligação nos Metais
Não é tão entendida quanto a covalente.
- Teoria dos elétrons livres
Drunde 1900
Um retículo onde os elétrons movem-se livremente
Lorentz 1923
Um retículo de esferas rígidas (íons +) imersa em
um gás de elétrons de valência que movem-se
livremente
Semicondutores: Ge, Si 
Silício: figura ao lado com a representação um conjunto 
de átomos de silício com quatro elétrons na última 
camada.
Vídeo:
Estrutura da Matéria - Aula 14 - Supercondutividade
https://www.youtube.com/watch?v=tbHECEypeco