03 - A estrutura dos sólidos cristalinos

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Disciplina: 
Ciência dos materiais
Tema da Aula:
Estrutura dos sólidos cristalinos
Prof. CÁSSIA ROBERTA
FACULDADE PITAGORAS DE ALAGOAS
2017.1
As propriedades de alguns materiais estão diretamente relacionadas às suas estruturas cristalinas.
Existem diferenças significativas de propriedades entre materiais cristalinos e não cristalinos que possuem a mesma composição:
EXEMPLOS:
A ESTRUTURA DOS SÓLIDOS CRISTALINOS
Polímeros não cristalinos
(são transparentes)
Polímeros cristalinos
(são opacos)
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Descrever a diferença entre os materiais cristalinos e não cristalinos;
Entender as células unitárias das estruturas cristalinas;
Distinguir entre materiais monocristalinos e policristalinos;
Definição de isotropia e anisotropia.
Entender o conceito de cristalinidade e não cristalinidade;
OBJETIVOS DO ASSUNTO
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Os materiais sólidos podem ser classificados de acordo com a regularidade pela qual os átomos ou íons estão arranjados uns em relação aos outros.
Materiais cristalinos: arranjo repetitivo ou periódico ao longo de grandes distâncias atômicas (possuem ordem).
Materiais amorfos (não cristalinos): não possuem um arranjo atômico regular ao longo de distâncias atômicas grandes.
“O fato de o sólido que se forma ser cristalino ou amorfo depende da facilidade segundo a qual uma estrutura atômica aleatória no estado liquido pode se transformar em um estado ordenado durante o processo de solidificação”
ESTRUTURAS CRISTALINAS
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A figura apresenta diagramas esquemáticos para a estrutura do composto cerâmico SiO2 cristalino (a) e SiO2 não cristalino (b).
ESTRUTURAS CRISTALINAS
Padrão tridimensional repetitivo
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• Não densa, empacotamento aleatório
• Densa, empacotamento ordenado
Estruturas densas e com empacotamento ordenadoo, tendem a ter menores energias.
Energia 
r
 comprimento de ligação
 energia de ligação
Energia 
r
 
comprimento de ligação
 
 
 
 energia de ligação
ENERGIA E EMPACOTAMENTO
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A rede cristalina é o arranjo tridimensional de pontos que coincidem com as posições dos átomos.
As redes cristalinas são representadas pelo modelo atômico de esfera rígida.
ESTRUTURAS CRISTALINAS
	A figura apresenta (a) uma representação de uma célula unitária com esferas reduzidas e (b) um agregado de muitos átomos.
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A ordenação dos átomos nos sólidos cristalinos indica que pequenos grupos de átomos formam um padrão repetitivo;
As células unitárias são pequenas entidades que se repetem e descrevem as estruturas cristalinas nos sólidos.
Em um célula unitária todas as posições dos átomo no cristal podem ser gerados por translações de comprimentos inteiros da célula unitária ao longo de cada uma de suas arestas;
A célula unitária é a estrutura básica da estrutura cristalina, e define a estrutura cristalina em virtude de sua geometria e das posições dos átomos no seu interior.
CÉLULAS UNITÁRIAS
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Principais estruturas cristalinas dos metais:
CFC – cúbica de faces centradas;
HC – Hexagonal compacta;
CCC – cúbica de corpo centrado.
ESTRUTURAS CRISTALINAS DOS METAIS
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Geometria cúbica;
Os átomos estão localizados em cada um dos vértices e nos centros de todas as faces do cubo;
Cobre, alumínio, prata e ouro;
ESTRUTURA CRISTALINA CÚBICA DE FACES CENTRADAS
a =
2
4R
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Numero de coordenação: Número de vizinhos mais próximos ou átomos em contato.
Fator de empacotamento (FEA): razão da soma dos volumes dos átomos em uma célula unitária pelo volume total da célula unitária.
Para estruturas CFC o número de coordenação é igual a 12 e FEA é igual a 0,74.
ESTRUTURA CRISTALINA CÚBICA DE FACES CENTRADAS
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Geometria cúbica; 
Os átomos estão localizados em todos os oito vértices e um único átomo no centro do cubo;
ESTRUTURA CRISTALINA CÚBICA DE CORPO CENTRADO
a =
3
4R
NC = 8
FEA = 0,68
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Geometria hexagonal;
As faces superior e inferior são compostas por seis átomos e um único átomo central;
Existe um plano intermediário entre as faces superior e inferior que contém três átomos centrais;
ESTRUTURA CRISTALINA HEXAGONAL COMPACTA
NC = 12
FEA = 74
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O conhecimento da estrutura cristalina de um sólido metálico permite o cálculo da sua massa especifica teórica:
n = número de átomos associados a cada célula unitária
A = massa atômica
Vc = volume da célula unitária
Na = número de avogadro (6,022 x 1023 átomos/mol)
CÁLCULOS DA MASSA ESPECÍFICA
 =
VcNa
nA
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Exemplo 1: O cobre possui um raio atômico de 1,28 x 10-8 cm³ uma estrutura cristalina CFC e uma massa atômica de 63,5 g/mol. Calcule sua massa especifica teórica e compare a resposta com sua massa especifica medida experimentalmente. (Dados: massa especifica medida experimentalmente do cobre = 8,94 g/cm³).
Vc = (2*R*√2)^2
CÁLCULOS DA MASSA ESPECÍFICA
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CALCULAR A DENSIDADE DO TÂNTALO, DADO QUE ELE POSSUI ESTRUTURA CRISTALINA DO TIPO CCC E POSSUI RAIO DE 0,143 nm E PESO ATÔMICO IGUAL A 180,9 g/mol.
O Molibdênio possui uma estrutura cristalina CCC, um raio atômico de 0,1363 nm, e um peso atômico de 95,94 g/mol. Calcule e compare a sua densidade com o valor experimental encontrado no apêndice B do Callister (1997). 
 Algum metal hipotético tem estrutura cristalina CFC. Se o peso atômico é 70,4 g/mol e o raio atômico é 0,126 nm calcule a densidade. 
Poliformismo: metais que podem ter mais do que uma estrutura cristalina;
A estrutura cristalina que prevalece depende da temperatura e da pressão externa;
Exemplos: Cgrafita e Cdiamante;
POLIMORFISMO
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SISTEMAS CRISTALINOS
Geometria célula unitária;
Coordenadas xyz;
Parâmetros de rede cristalina:
Comprimentos das arestas (a, b e c);
Ângulos internos (a, b e g);
Com base nos parâmetros existem 7 possíveis combinações (sistema cristalino)
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SISTEMAS CRISTALINOS
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SISTEMAS CRISTALINOS
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São caracterizados pela geometria e pelo arranjo dos átomos
Existem 14 redes que permitem preencher o espaço 3D.
REDES DOS SISTEMAS CRISTALINOS
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Exercício 1: Qual é a diferença entre estrutura atômica e estrutura cristalina?
Exercício 2: A seguir é apresentada uma célula unitária para um metal hipotético.
(a) A qual sistema cristalino essa célula unitária pertence?
(b) Como essa estrutura cristalina seria chamada?
REDES DOS SISTEMAS CRISTALINOS
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