Sólidos. Prof. Fernando R. Xavier

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Mikaela Estrela Lagos
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1 Sólidos Prof. Fernando R. Xavier UDESC 2015

2 Sólidos Sob um aspecto simples e prático, é dito sólido o estado da matéria onde seu volume e forma são bem definidos. Dentro de um sólido, os átomos ou moléculas estão relativamente próximos ou rígidos. 2

Cristalinos: compostos por moléculas, átomos ou íons arranjados de uma

3 Classificação estrutural: Segundo a distribuição espacial dos átomos, moléculas ou íons, os sólidos podem ser classificados em : Cristalinos: compostos por moléculas, átomos ou íons arranjados de uma forma periódica em três dinemsões, se repetindo em longas distâncias (retículo). 3

4 Classificação estrutural: Amorfos: compostos por moléculas, átomos ou íons que não apresentam uma ordenação de longo alcance, mas podem apresentar ordenação de curto alcance. 4

5 Classificação quanto as ligações: Sólidos iônicos: Rede cristalina formada por íons alternadamente positivos e negativos. A estabilidade da rede cristalina é mantida devido à atração eletrostática entre os íons. A condutividade elétrica é muito baixa uma vez que os elétrons estão localizados presos aos ânions. Entretanto, em solução ou fundido se tornam bons condutores. Fisicamente são geralmente duros, frágeis e com elevado ponto de ebulição devido a forte interação entre os cátions e ânions. 5

A estrutura da rede cristalina é definida pela direcionalidade das ligações covalentes.

6 Classificação quanto as ligações: Sólidos covalentes: Existe o compartilhamento de pares de elétrons de valência entre os átomos. A estrutura da rede cristalina é definida pela direcionalidade das ligações covalentes. A condutividade elétrica é praticamente nula uma vez que todos os elétrons de valência estão pareados nas ligações covalentes. Fisicamente são extremamente duros, resistentes e difíceis de deformar. 6

A estrutura da rede cristalina é definida por forças de dipolo induzido (London) também presentes nos

7 Classificação quanto as ligações: Sólidos moleculares: São constituídos por moléculas apolares onde os elétrons já estão emparelhados e não podem efetuar ligações intermoleculares. A estrutura da rede cristalina é definida por forças de dipolo induzido (London) também presentes nos líquidos e gases. A condutividade elétrica é praticamente nula uma vez que todos os elétrons de valência estão pareados nas ligações covalentes. 7

8 Classificação quanto as ligações: Em alguns sólidos moleculares, pode-se encontrar moléculas polares. Um exemplo clássico é o gelo (água sólida). Atualmente são conhecidos mais de 10 tipos de gelo!!! 8

$Classificação quanto as ligações: Sólidos metálicos: São constituídos por átomos metálicos onde os elétrons mais externos estão fracamente ligados e$ Elétrons livres podem rapidamente transmitir energia cinética e assim são bons condutores de calor.

Elétrons livres podem rapidamente transmitir energia cinética e assim são bons condutores de calor.

9 Classificação quanto as ligações: Sólidos metálicos: São constituídos por átomos metálicos onde os elétrons mais externos estão fracamente ligados e assim movem-se por todo o sólido. Elétrons podem mover-se rapidamente quando um campo elétrico é aplicado, sendo então ótimos condutores elétricos. Elétrons livres podem rapidamente transmitir energia cinética e assim são bons condutores de calor. Devido a dificuldade de mover camadas de átomos em um retículo, os metais tendem a ser duros. Por outro lado, como não estão ligados especificamente podem deslisar facilmente uns sobre os outros. 9

É extremamente dúctil: Com 1 g de ouro é possível obter um fio de 3 km com 0,005 mm de espessura.

10 Classificação quanto as ligações: Exemplo típico: Ouro Aspecto brilhante, amarelado, de alta densidade (19,3 g.cm -3 ) e significativa inércia química. É extremamente dúctil: Com 1 g de ouro é possível obter um fio de 3 km com 0,005 mm de espessura. É extremamente maleável: Com 1 g de ouro é possível obter uma chapa de 70 cm 2 com 0,1 μm de espessura. Devido a sua inércia química e alta condutividade o ouro é utilizado em terminais elétricos de alta precisão e complexidade (satélites). 10

Ligas metálicas Tem-se uma liga metálica quando dois ou mais metais são misturados. Ligas homogêneas: Átomos diferentes distribuidos uniformemente.

11 Ligas metálicas Tem-se uma liga metálica quando dois ou mais metais são misturados. Ligas homogêneas: Átomos diferentes distribuidos uniformemente. Ligas heterogêneas: Misturas de fases cristalinas com composições diferentes. Estruturas complexas: Empacotamento de dois ou mais tipos átomos de raios significativamente diferentes. 11

Ligas metálicas Elementos do bloco d possuem raios similares e assim um átomo podem ocupar o lugar de outro na rede cristalina com mínimas distorções estruturais no cristal original.

12 Ligas metálicas Elementos do bloco d possuem raios similares e assim um átomo podem ocupar o lugar de outro na rede cristalina com mínimas distorções estruturais no cristal original. Liga Substitucional: É obtida quando alguns átomos de um retículo são subtituídos por outro de raio atômico que direfe em não mais de 15%. Como existirão pequenas diferenças no tamanho e na estrutura eletrônica do átomo inserido, o retículo cristalino é distorcido dificultando a passagem de elétrons. A condutividade térmica e elétrica caem. Exemplo: Cu/Zn Latão 128pm/137pm (7%>) Com o retículo distorcido as camadas atômicas tem dificuldade para deslizarem entre si. A dureza é aumentada. 12

Ligas metálicas Liga Intersticial: É obtida quando alguns átomos com raio atômico pelo menos 60% menor que os já presentes no retículo são adicionados entre os espaços existentes.

13 Ligas metálicas Liga Intersticial: É obtida quando alguns átomos com raio atômico pelo menos 60% menor que os já presentes no retículo são adicionados entre os espaços existentes. Como a diferença no tamanho e na estrutura eletrônica do átomo inserido é grande, o retículo cristalino é significativamente distorcido dificultando a ainda mais a condutividade térmica e elétrica. Exemplos: A produção de aços a partir de ferro puro é um caso típico onde em consequência da adição de átomos de carbono no retículo, a dureza e resistência à oxidação é significativamente aumentada. Fe/C Aço 140pm/70pm (50%<) Fe/N Aço 140pm/65pm (45%<) Fe/C/Cr Aço inox 140pm/70pm (50%<) /140pm 13

14 Ligas metálicas Algumas ligas podem gerar propriedades supreendentes, pois são mais macias e maleáveis que os metais na forma pura. Ligas Fundentes: Possuem baixo ponto de fusão e são comumente empregadas na produção de fusíveis elétricos e na confecção de soldas. Chumbo, bismuto, mercúrio e estanho, são típicos metais fundentes. 14

Os cristais destes compostos são eletricamente neutros onde os ânions são maiores e cátions (menores) ocupam os

15 Sólidos Iônicos Os sólidos iônicos possuem um empacotamento compacto e são comumente modelados por esferas de raios diferentes e cargas opostas (cátion e ânions). Os cristais destes compostos são eletricamente neutros onde os ânions são maiores e cátions (menores) ocupam os espaços restantes entre estas partículas negativas. A cela unitária deve refletir a estequiometria do composto e ela própria ser eletricamente neutra. Na + Cl pm 181pm 15

16 Sólidos Iônicos A cela unitária representa a simetria da estrutura cristalina e se repete tridimensionalmente. 16

17 Sólidos Iônicos O número de coordenação corresponde ao número de átomos vizinhos que tocam um átomo central. Ele indica quão próximos estes átomos estão dentro de uma célula unitária. N.C. 6 NaCl N.C. 6 N.C. 6 CsCl N.C. 8 17

18 Sólidos Iônicos Sistema cristalino: Consiste na designação dada a um grupo de ordenamento espacial pontual regular de átomos ou moléculas. São sete os sistemas cristalinos. 18

19 Sólidos Iônicos Partindo-se dos 7 sistemas cristalinos é possivel identificar 14 tipos diferentes de células unitárias, conhecidas como Redes de Bravais. 19

Defeitos Cristalinos Defeitos, ausência de

retículo cristalino são comuns nos sólidos e

São defeitos intrísecos os que ocorrem em

20 Defeitos Cristalinos Defeitos, ausência de átomos e átomos fora de ordem dentro de um retículo cristalino são comuns nos sólidos e sua ocorrência é termodinamicamente favorável. Eles podem ser de origem intríseca e/ou extrínseca. São defeitos intrísecos os que ocorrem em substâncias puras e defeitos extrínsecos quando impurezas participam da formação do retículo cristalino. 20

No caso de sólidos iônicos tal fato sempre ocorre aos pares para que seja mantida a eletroneutralidade.

21 Defeitos Cristalinos Defeitos intrínsecos Defeito de Schottky: Ocorre quando é encontrada a ausência de átomos em pontos do retículo. No caso de sólidos iônicos tal fato sempre ocorre aos pares para que seja mantida a eletroneutralidade. Neste caso a estequiometria não é afetada. Ocorre comumente em sólidos iônicos e metálicos com sistema cristalino cfc. O alto número de coordenação (12) compensa a queda da entalpia do retículo (ΔH ret ). 21

Ocorre comumente em sólidos iônicos onde

22 Defeitos Cristalinos Defeitos intrínsecos Defeito de Frenkel: É um defeito pontual onde um átomo ou íon é deslocado de sua posição ideal no retículo para uma posição intersticial. A estequiometria não é afetada. Ocorre comumente em sólidos iônicos onde o número de coordenação é baixo. O composto PbF 2 é bom exemplo do fenômeno. 22

Defeitos Cristalinos Defeitos extrínsecos Ocorre quando as

com um ou mais átomos quimicamente estranhos (impurezas).

A substituição e/ou inserção geralmente ocorre com átomos de raio

23 Defeitos Cristalinos Defeitos extrínsecos Ocorre quando as anomalias no retículo cristalino são gerados pela dopagem deste com um ou mais átomos quimicamente estranhos (impurezas). É comumente observada em vários minerais na natureza. A substituição e/ou inserção geralmente ocorre com átomos de raio atômico similar aos já presentes no retículo cristalino. Exemplos: pedras preciosas (gemas) 23

24 Defeitos Cristalinos Exemplos de algumas gemas e suas cores Gema Cor Fómula-mãe Dopante ou efeito responsável pela cor Rubi vermelho Al 2 O 3 Al 3+ subst. por Cr 3+ Esmeralda verde Be 3 Al 2 (SiO 3 ) 6 Al 3+ subst. por Cr 3+ Turmalina Verde ou rosa Na 3 Li 3 Al 6 (BO 3 ) 3 (SiO 3 ) 3 F 4 Li + e Al 3+ subst. por Cr 3+ ou Mn 2+ Safira azul Al 2 O 3 Fe 2+ e Ti 4+ adjacentes presentes Tranferência de elétrons entre no lugar de íons Al 3+ Diamante Incolor, azul-claro ou amarelo C Presença de nitrogênio Ametista Púpura SiO 2 Cor baseada na presença de íons Fe 3+ e Fe 4+ 24

25 Defeitos Cristalinos Rubi Esmeralda Turmalina Safira Diamante Ametista 25

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