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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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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