Sólidos metálicos. Fe Hg

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Carlos Figueira Miranda
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1 Sólidos metálicos Fe Hg

2 Quais são? Metalóides Não-metais Metais

3 Sólidos metálicos partilha de e - s por muitos átomos iguais (muitos átomos e poucos electrões). Energias de ionização baixas. Propriedades Condutividade eléctrica ( com T ). Condutividade térmica. Maleabilidade (fazer folhas). Ductibilidade (fazer fios). Brilho ( metálico ). Quando impuros as propriedades mudam muito Ligas metálicas

4 Estruturas dos metais Mosaico de grãos cristalinos Propriedades mecânicas dependem das dimensões dos grãos (p.e., dureza, flexibilidade, etc.)

5 Estruturas dos metais Todos os átomos iguais Esferas rígidas Melhor aproveitamento do espaço Estruturas cristalinas dos grãos: Hexagonal compacta (), NC = 1 Cúbica de faces centradas (), NC = 1 Cúbica de corpo centrado (), NC = 8 + 6

6 Estruturas dos metais empilhamento de esferas Mais compacto: 6 vizinhos Menos compacto: 4 vizinhos ª camada ( alternativas)

7 Estruturas dos metais empilhamento de esferas Átomos da ª camada directamente sobre os da 1ª estrutura ABAB Estrutura hexagonal compacta () ª camada ( alternativas) ª camada

8 Estrutura hexagonal compacta () Cada átomo tem 1 vizinhos próximos: NC = 1

9 Estrutura cúbica de faces centradas () Átomos da ª camada não ficam directamente sobre os da 1ª estrutura ABCABC C B A ª camada ª camada

10 Estrutura cúbica de faces centradas () C B A 45º A - C B A B - A C - A -

11 Estrutura cúbica de faces centradas () 45º NC = 1 A - C B A B - A C - A -

12 e são estruturas compactas melhor aproveitamento do espaço Percentagem de espaço ocupado? V cubo = a Quantas esferas? 4 esferas V esferas = 4 π = 16 π 4 r r pertence a 8 cubos 8 ⅛ = 1 pertence a cubos 6 ½= a r? b = 4 r b = a (velho Pitágoras) V V esferas cubo πr = 64r 16 π 100 = 100 = 64 74% a a = (4 r) 1 r 4 = 4 1 = ( r) 1 V cubo = a = Para é igual (só a trigonometria é que é mais complicada) 64 r

13 Estrutura cúbica de corpo centrado () NC = Não é uma estrutura compacta

14 Estrutura cúbica de corpo centrado () Percentagem de espaço ocupado? esferas: 8 ⅛ + 1 = 8 4 r r V esferas π π = = ( ) a r r = = r a V cubo = = 68% = = = π π r r V V cubo esferas ( ) 4 4 a a a r a c c a b r b = + = = + = =

15 Lr No Md Fm Es Cf Bk Cm Am Pu * Np * U * Pa * Th Ac Lu Yb Tm Er Ho Dy Tb Gd Eu Sm * Pm Nd, Pr, Ce La, Ac-Lr Ra Fr Po * Bi * Pb Tl Hg * Au Pt Ir Os Re W Ta Hf La-Lu Ba Cs Sb * Sn * In * Cd Ag Pd Rh Ru Tc Mo Nb Zr Y Sr Rb Ga * Zn Cu Ni Co Fe Mn * Cr V Ti Sc Ca K Al Mg Na Be Li Estruturas cristalinas dos metais

16 Teoria das bandas Banda de energia (muitos níveis com E muito pequeno): Quase-contínuo n... Número de átomos combinados

17 Energia Para n átomos: Bandas de energia (permitidas) e hiatos (gaps, ou bandas proibidas) Teoria das bandas E r 0 p E 1 s Ψ E Φ A ΦB 1s Ψ 1 E 1 H H H H r 1 r 0 r

18 Energia Para n átomos: Bandas de energia (permitidas) e hiatos (gaps, ou bandas proibidas) Teoria das bandas Níveis de energia à distância r 0 p s Bandas permitidas Bandas proibidas 1s Nível permitido r 1 r 0 r

19 Energia Para n átomos: Bandas de energia (permitidas) e hiatos (gaps, ou bandas proibidas) Teoria das bandas Níveis de energia à distância r 0 Bandas permitidas SOBREPOSTAS Níveis de energia à distância r 1 p s Bandas permitidas Bandas proibidas Banda proibidas 1s Nível permitido Nível permitido r 1 r 0 r

20 Teoria das bandas É o caso do Na (e dos metais alcalinos em geral) Banda incompletamente preenchida banda de condução, p vazia banda de valência, s semi-preenchida e sobreposição com a banda de condução, p vazia Níveis de E vazios facilmente acessíveis para os e - s bandas proibidas banda, p completamente preenchida nível s, preenchido Condutividade eléctrica Brilho metálico nível 1s, preenchido

21 Brilho e condutividade Corrente eléctrica (por convenção) Potencial eléctrico e - s ganham velocidade aumenta a E níveis acessíveis Banda de valência incompletamente preenchida

22 Condutividade / Ω -1 m Cobre e ouro Ferro Chumbo Condutores banda de condução, incompletamente preenchida ou sobreposta com a banda de valência Bismuto bandas proibidas banda de valência, completamente preenchida 10 0 Silício e Germânio com impurezas níveis completamente ocupado por electrões 10-5 Ferrites Silício Semicondutores Cloreto de sódio banda de condução, vazia Vidro E Diamante Sílica fundida Isolantes bandas proibidas banda de valência, completamente preenchida 10-0 Poliestireno ( E elevado) níveis completamente ocupado por electrões

23 50 Energia de coesão Ponto de fusão W Energia de coesão / kcal mol V Ti Sc Ca K Co Cr Fe Mn Ni Zn Cu Nb Tc Zr Mo Y Sr Rb Ru Rh Pd Ag Cd Ta Hf La Ba Cs Re Os Ir Pt Au Hg Grau de preenchimendo da banda d Níveis antiligantes W Re Ta Os Ponto de fusão / K V Cr Ti Co Sc Fe Mn Ca K Ni Zn Cu Mo Zr Y Sr Rb Nb Tc Ru Rh Pd Ag Cd Cs La Ba Hf Ir Pt Au Hg Níveis ligantes Semipreenchida: Máximo de níveis ligantes ocupados e níveis antiligantes vazios 0

24 Avaliação de Propriedades Físicas PF, PE, viscosidade, dureza, etc. PF Sólidos Iónicos NaCl, CaCl, etc. Metais Fe, Co, Zn, etc. Sólidos Covalentes diamante, grafite (C), SiO, Si, Ge, ZnS, etc. ligações covalentes direccionais (D) grau de preenchimento da banda d Energia reticular, U (atracção entre iões opostos) Substâncias moleculares H O, O, etc. Forças intermoleculares: Lig. H > Forças vdw Forças de vdw: Nº de e - s (α) excepto para moléculas pequenas (< 15 e - s) muito polares (µ).

25 Ligas metálicas Preparam-se por fusão conjunta dos metais (ou por redução, também conjunta, de compostos desses metais) Propriedades muito diferentes dos metais puros Importância tecnológica Por exemplo: Propriedade Variação do metal para a liga Exemplos e excepções Importância especial Temperatura de fusão diminui Fe puro 1540 C Fe + %C 1150 a 150 C Excepção importante: o P.F. do Cu é aumentado ao formar uma liga com o Ni. Torna mais fácil a fusão e a moldagem de peças metálicas. A liga de Wood (Bi, Pb, Sn e Cd) funde a 71 C e é usada em alarmes automáticos contra incêndios. Resistividade eléctrica aumenta A presença de 0,004% P aumenta a resistividade do Cu puro em 5%. Cu puro 1,67 µω cm Cu + 0% Zn 6, µω cm Aplicação em aquecedores eléctricos de resistência.

26 Grânulos discretos (metais mutuamente insolúveis), p.e. Bi-Cd Misturas metálicas (polifásicas) Soluções sólidas de substituição Ocupação pelo soluto de posições na rede cristalina do solvente Ligas metálicas Soluções sólidas (monofásicas) Compostos intermetálicos Soluções sólidas intersticiais Ocupação pelo soluto de cavidades intersticiais na rede cristalina do solvente Metais reagem entre si (χ s s) e originam compostos bem definidos M a M b

27 Soluções sólidas de substituição Estrutura desordenada r M s, χ s, estruturas cristalinas, nº e - s valência semelhantes p.e., solubilidade no cobre Solubilidade Máxima (% atómica) Ni Pd Pt Al Au Ag Pb (por vezes) r M /rcu Estrutura ordenada

28 Soluções sólidas instersticiais Metais com elementos não metálicos (p.e.: H, C, N) Quociente de raios inferior a PF s e dureza muito elevados Aço Fe-C

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