ESTRUTURA DOS SÓLIDOS CRISTALINOS. Mestranda: Marindia Decol

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1 ESTRUTURA DOS SÓLIDOS CRISTALINOS Mestranda: Marindia Decol

2 Bibliografia Callister Jr., W. D. Ciência e engenharia de materiais: Uma introdução. LTC, 5ed., cap 3, Shackelford, J.F. Ciências dos Materiais, Pearson Prentice Hall, 6ed., cap 3, Smith, F. W. ; Hashemi, J. Fundamentos de Engenharia e Ciência dos Materiais, McGraw-Hill, 5ed., cap 3, 10 e 11, 2012.

3 Sumário Estrutura cristalina: conceitos fundamentais, célula unitária, Sistemas cristalinos: metais, cerâmicos e polímeros; Alguns conceitos.

4 Estruturas cristalinas Os materiais sólidos podem ser classificados de acordo com a regularidade na qual os átomos ou íons se dispõem em relação em relação uns aos outros. Material cristalino é aquele que no qual os átomos estão situados em um arranjo que se repete ao longo de grandes distâncias atômicas. Todos os metais, muitas cerâmicas e alguns polímeros formam estruturas cristalinas sob condições normais de solidificação. Nem todos os sólidos são cristalinos, os vidros e alguns polímeros são totalmente amorfos.

5 Estruturas cristalinas Os materiais não-cristalinos ou amorfos não apresentam uma ordenação de longo alcance na disposição dos átomos. Estrutura cristalina - maneira segundo a qual os átomos, íons ou moléculas estão arranjadas espacialmente. Existe um número grande de diferentes estruturas cristalinas, desde estruturas simples exibidas pelos metais até estruturas mais complexas exibidas pelos cerâmicos e polímeros. Modelo de esfera rígida atômica os átomos ou íons são representados por esferas sólidas que possuem diâmetro bem definidos.

6 Célula unitária É o menor agrupamento de átomos representativo de uma determinada estrutura cristalina específica. Os vértices coincidem com o centro dos átomos em forma de esferas rígidas.

7 Célula unitária Representação da célula unitária através de esferas rígidas

8 Sistemas cristalinos Divisão das estruturas cristalinas em grupos de acordo com as configurações das células unitárias. Geometria da célula unitária. Geometria definida por 6 parâmetros: o comprimento das três arestas, a, b e c os três ângulos entre os eixos α, β e γ Parâmetros de Rede

9 Sistemas cristalinos Existem somente 7 arranjos que podem representar as estruturas de todas as substâncias cristalinas conhecidas:

10 Sistemas cristalinos Dos 7 sistemas cristalinos podemos identificar 14 tipos diferentes de células unitárias, conhecidas como redes de Bravais.

11 Estrutura cristalina dos metais Como a ligação metálica é não-direcional não há restrições quanto ao número e posições dos vizinhos mais próximos. A estrutura cristalina dos metais têm geralmente um número grande de vizinhos e alto empacotamento atômico.

12 Estrutura cristalina dos metais Estruturas cristalinas mais comuns em metais: Cúbica de corpo centrado CCC Cúbica de face centrada CFC Hexagonal compacto HC Tab. Raios atômicos e estruturas cristalinas para 16 metais

13 Cúbica de Corpo Centrado - CCC Ex.: Fe, Cr, W Representação da célula unitária através de esferas rígidas, CCC Célula unitária com esferas reduzidas, CCC

14 Cúbica de Corpo Centrado - CCC 1/8 de átomo Cada átomo em um vértice do cubo é compartilhado por 8 células unitárias. O átomo do centro pertence somente a sua célula unitária. 1 átomo inteiro Representação da célula unitária através de esferas rígidas, CCC Há 2 átomos inteiros por célula unitária.

15 Relação entre o raio atômico (R) e o parâmetro de rede (a) que é o lado do quadrado para o sistema CCC

16 Número de coordenação (NC) Número de coordenação (NC) corresponde ao número de átomos vizinhos mais próximos ou átomos em contato. Para a estrutura CCC o número de coordenação é 8.

17 Fator de Empacotamento Atômico para CCC FEA = Número de átomos x Volume dos átomos Volume da célula unitária (Demonstre) FEA CCC = 0,68

18 Cúbica de Face Centrada - CFC Ex.: Cu, Al, Ag, Au Representação da célula unitária através de esferas rígidas, CFC Célula unitária com esferas reduzidas, CFC

19 Cúbica de Corpo Centrado - CFC 1/8 de átomo Cada átomo do vértice do cubo é compartilhado por 8 células unitárias; Os átomos das faces são compartilhados por duas células unitárias. 1/2 de átomo Há 4 átomos inteiros por célula unitária.

20 Relação entre o raio atômico (R) e o parâmetro de rede (a) para CFC Demonstre que:

21 Número de coordenação (NC) para CFC Para a estrutura CFC o número de coordenação é 12.

22 Fator de Empacotamento Atômico para CFC FEA = Número de átomos x Volume dos átomos Volume da célula unitária FEA CFC = 0,74

23 Hexagonal Compacta - HC Ex.: Mg, Zn Agregado de muitos átomos através de esferas rígidas, HC Célula unitária com esferas reduzidas, HC

24 Hexagonal Compacta - HC 1/2 átomo 1/6 de átomo 6 átomos inteiros por célula unitária Estrutura hexagonal compacta O número de coordenação para a estrutura HC é 12 e, portanto, o fator de empacotamento é o mesmo da CFC, ou seja, 0,74.

25 Hexagonal Compacta - HC Há 2 parâmetros de rede (a e c) : Relação entre R e a: a= 2R

26 Sequência de Empilhamento HC CFC

27 Cálculo da Densidade O conhecimento da estrutura cristalina permite o cálculo da densidade ( ): Onde: n número de átomos associados a cada célula unitária A peso atômico VC volume da célula unitária NA número de Avogadro (6,022 x átomos/mol)

28 Cálculo da Densidade Exemplo: Cobre têm raio atômico de 0,128nm (1,28 Å), uma estrutura cfc, um peso atômico de 63,5 g/mol. Calcule a densidade do cobre. Resposta: 8,89 g/cm 3 Valor da densidade medida= 8,94 g/cm 3

29 Estruturas Cerâmicas As cerâmicas são compostas por pelo menos dois elementos ( metálicos e não-metálicos), as suas estruturas são em geral mais complexas do que as dos metais; As estruturas cristalinas são compostas por íons eletricamente carregados, em vez de átomos; Ex.: Titanato de Bário (TiBaO 3 )

30 Alguns exemplos de estruturas cristalinas cerâmicas Cloreto de Césio (CsCl) NC = 8 Os ânions estão localizados em cada vértices de um cubo, enquanto o centro do cubo contém um único cátion 2 íons/célula unitária um Cs + e um Cl -

31 Alguns exemplos de estruturas cristalinas cerâmicas Cloreto de sódio (NaCl) Neste tipo de estrutura, existe um número equivalente de cátions e ânions NC = 6 Estrutura CFC dos ânions. Com um cátion situado no centro do cubo e outro localizado no centro de cada uma das 12 arestas. 8 íons/célula Unitária 4 Na + e 4 Cl -

32 Alguns exemplos de estruturas cristalinas cerâmicas Fluorita (CaF 2 ) O NC é diferente para o cátion e para o ânion. Para os íons do Ca, o NC é igual a 8, enquanto para os íons do F, é de 4. Estrutura CFC com 3 íons (1 Ca 2+ e 2F - ) 12 íons/ célula unitária 4Ca 2+ e 8 F -

33 Alguns exemplos de estruturas cerâmicas

34 Estrutura dos Polímeros

35 Estruturas Poliméricas Cristalinidade em polímeros: esferulitas Observação microscópica de esferulitas de Polietileno (PE) (regiões escuras são as regiões amorfas)

36 Estruturas Poliméricas Polietileno - estrutura ortorrômbica

37 Polimorfismo e Alotropia Polimorfismo é o fenômeno em que os sólidos cristalizam-se em mais de uma estrutura cristalina, dependendo da temperatura e pressão. Geralmente as transformações polimórficas são acompanhadas de mudanças na densidade e mudanças de outras propriedades físicas. Quando encontrado em sólidos elementares, esta condição é conhecida por alotropia. Formas cristalinas alotrópicas de alguns metais.

38 Polimorfismo do Fe Variações alotrópicas do Ferro puro

39 Polimorfismo do C O diamante, o grafite e o fulereno são alótropos do carbono Diamante Grafite Fulereno C 60

40 Materiais monocristalinos e policristalinos Monocristalinos: Constituídos por um único cristal em toda a extensão do material, sem interrupções. Todas as células unitárias se ligam da mesma maneira e possuem a mesma direção. Monocristal de garnet Vanadinita

41 Materiais monocristalinos e policristalinos Policristalinos : Constituído de vários cristais ou grãos, cada um deles com diferentes orientações espaciais.