CINCIA E ENG DE MATERIAIS 2 ESTRUTURA CRISTALINA

CIÊNCIA E ENG DE MATERIAIS 2. ESTRUTURA CRISTALINA DOS MATERIAIS 2. 1 Conceitos fundamentais Os materiais sólidos podem ser classificados de acordo com a regularidade segundo a qual os átomos ou íons estão arranjados uns em relação ao outro. Um material cristalino é aquele em que os átomos estão posicionados em um arranjo repetitivo ou periódico ao longo de grandes distâncias atômicas, isto é, existe uma ordem ao longo do alcance

CIÊNCIA E ENG DE MATERIAIS 2. ESTRUTURA CRISTALINA DOS MATERIAIS Os átomos se posicionam em um padrão tridimensional repetitivo, no qual cada átomo está ligado aos seus átomos vizinhos mais próximos. Todos os metais, muitos materiais cerâmicos e certos polímeros formam estruturas cristalinas sob condições normais de solidificação. Os materiais que não se apresentam desta forma, são chamados não-cristalinos ou amorfos.

CIÊNCIA E ENG DE MATERIAIS 2. ESTRUTURA CRISTALINA DOS MATERIAIS Algumas das propriedades dos sólidos cristalinos dependem da estrutura cristalina do material, ou seja, da maneira segundo a qual os átomos, íons ou moléculas estão espacialmente arranjados. Existe um número muito grande de estruturas cristalinas diferentes, todas possuindo uma ordenação atômica de longo alcance. Tais estruturas variam desde estruturas relativamente simples, como nos metais, até estruturas complexas, como em alguns materiais cerâmicos e poliméricos.

CIÊNCIA E ENG DE MATERIAIS 2. ESTRUTURA CRISTALINA DOS MATERIAIS Na descrição das estruturas cristalinas, os átomos (ou íons) são considerados como esferas sólidas com diâmetros bem definidos. Isso é conhecido como modelo atômico da esfera rígida, onde as esferas que representam os átomos vizinhos mais próximos se tocam umas nas outras. Algumas vezes, o termo rede cristalina é utilizado no contexto das estruturas cristalinas, significando um arranjo tridimensional de pontos que coincidem com as posições dos átomos (ou os centros das esferas).

CIÊNCIA E ENG DE MATERIAIS 2. ESTRUTURA CRISTALINA DOS MATERIAIS 2. 2 Células unitárias A ordenação dos átomos nos sólidos cristalinos indica que pequenos grupos de átomos formam um padrão repetitivo. Ao descrever as estruturas cristalinas, com frequência torna-se conveniente subdividir a estrutura em pequenas entidades que se repetem, chamadas células unitárias, que na maioria das estruturas cristalinas são paralelepípedos ou prismas com três conjuntos de faces paralelas.

CIÊNCIA E ENG DE MATERIAIS 2. ESTRUTURA CRISTALINA DOS MATERIAIS Uma célula unitária é escolhida para representar a simetria da estrutura cristalina, ou seja, a célula unitária é a unidade estrutural básica, ou bloco construtivo da estrutura cristalina, e define a estrutura cristalina em virtude de sua geometria e das posições dos átomos no seu interior. Em geral, os vértices dos paralelepípedos devem coincidir com os centros dos átomos representados na forma de esferas rígidas.

CIÊNCIA E ENG DE MATERIAIS 2. ESTRUTURA CRISTALINA DOS MATERIAIS 2. 3 Estruturas cristalinas dos metais A ligação atômica nesse grupo de materiais é metálica, e, dessa forma, é de natureza não-direcional. Consequentemente, são mínimas as restrições em relação à quantidade e à posição dos átomos vizinhos mais próximos. Três estruturas cristalinas relativamente simples são encontradas para a maioria dos metais mais comuns: cúbica de faces centradas (CFC), cúbica de corpo centrado (CCC) e hexagonal compacta (HC).

CIÊNCIA E ENG DE MATERIAIS 2. ESTRUTURA CRISTALINA DOS MATERIAIS Raio atômico e estruturas cristalinas par 16 metais Callister, J. W. D. , Ciência e engenharia de materiais: uma introdução, LTC, 7ª Ed, 2008

CIÊNCIA E ENG DE MATERIAIS 2. ESTRUTURA CRISTALINA DOS MATERIAIS Estrutura cristalina Cúbica de Faces Centradas (CFC) Callister, J. W. D. , Ciência e engenharia de materiais: uma introdução, LTC, 7ª Ed, 2008 (a) Representação da célula unitária por meio de esferas rígidas; (b) Uma célula unitária com esferas reduzidas

CIÊNCIA E ENG DE MATERIAIS 2. ESTRUTURA CRISTALINA DOS MATERIAIS Estrutura cristalina Cúbica de Faces Centradas (CFC) Agregado de muitos átomos Callister, J. W. D. , Ciência e engenharia de materiais: uma introdução, LTC, 7ª Ed, 2008

CIÊNCIA E ENG DE MATERIAIS 2. ESTRUTURA CRISTALINA DOS MATERIAIS Estrutura cristalina Cúbica de Faces Centradas (CFC) Possui uma célula unitária com geometria cúbica, com átomos localizados em cada um dos vértices e nos centros de todas as faces do cubo. Alguns metais que apresentam essa estrutura são o cobre, o alumínio, a prata e o ouro. Nessa estrutura as esferas ou núcleos iônicos se tocam umas nas outras ao longo de uma diagonal da face.

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CIÊNCIA E ENG DE MATERIAIS 2. ESTRUTURA CRISTALINA DOS MATERIAIS Estrutura cristalina Cúbica de Faces Centradas (CFC) Para a estrutura CFC, o número de coordenação é 12, o átomo na face anterior possui como vizinhos mais próximos quatro átomos localizados nos vértices ao seu redor, quatro átomos localizados nas faces que estão em contato pelo lado de trás e quatro outros átomos equivalentes nas faces da próxima célula unitária, à sua frente. Para a estrutura CFC, o FEA é 0, 74, que é o máximo empacotamento possível para esferas de mesmo diâmetro.

CIÊNCIA E ENG DE MATERIAIS 2. ESTRUTURA CRISTALINA DOS MATERIAIS Estrutura cristalina Cúbica de Corpo Centrado (CCC) Callister, J. W. D. , Ciência e engenharia de materiais: uma introdução, LTC, 7ª Ed, 2008 (a) Representação da célula unitária por meio de esferas rígidas; (b) Uma célula unitária com esferas reduzidas

CIÊNCIA E ENG DE MATERIAIS 2. ESTRUTURA CRISTALINA DOS MATERIAIS Estrutura cristalina Cúbica de Corpo Centrado (CCC) Agregado de muitos átomos Callister, J. W. D. , Ciência e engenharia de materiais: uma introdução, LTC, 7ª Ed, 2008

CIÊNCIA E ENG DE MATERIAIS 2. ESTRUTURA CRISTALINA DOS MATERIAIS Estrutura cristalina Cúbica de Corpo Centrado (CCC) Possui uma célula unitária com geometria cúbica, com átomos localizados em cada um dos vértices e um átomo no centro do cubo. Alguns metais que apresentam essa estrutura são o cromo, o ferro e o tungstênio. Nessa estrutura, os átomos no centro e nos vértices se tocam uns nos outros ao longo das diagonais do cubo.

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CIÊNCIA E ENG DE MATERIAIS 2. ESTRUTURA CRISTALINA DOS MATERIAIS Estrutura cristalina Cúbica de Corpo Centrado (CCC) O número de coordenação para a estrutura cristalina CCC é 8, cada átomo central possui como seus vizinhos mais próximos oito átomos localizados nos vértices. Seu fator de empacotamento é menor que na estrutura CFC, pois vale 0, 68.

CIÊNCIA E ENG DE MATERIAIS 2. ESTRUTURA CRISTALINA DOS MATERIAIS Estrutura cristalina Hexagonal Compacta (HC) Callister, J. W. D. , Ciência e engenharia de materiais: uma introdução, LTC, 7ª Ed, 2008 (a) Representação da célula unitária por meio de esferas reduzidas; (b) Um agregado de muitos átomos

CIÊNCIA E ENG DE MATERIAIS 2. ESTRUTURA CRISTALINA DOS MATERIAIS Estrutura cristalina Hexagonal Compacta (HC) Nessa estrutura, as faces superior e inferior da célula unitária são compostas por seis átomos que formam hexágonos regulares e que estão ao redor de um único átomo central. Um outro plano que contribui com três átomos adicionais para a célula unitária está localizado entre os planos superior e inferior. Os átomos no plano intermediário possuem como vizinhos mais próximos átomos nos dois planos adjacentes.

CIÊNCIA E ENG DE MATERIAIS 2. ESTRUTURA CRISTALINA DOS MATERIAIS Estrutura cristalina Hexagonal Compacta (HC) O equivalente a seis átomos está contido em cada célula unitária, um sexto de cada um dos 12 átomos localizados nos vértices das faces superior e inferior, metade de cada um dos dois átomos no centro das faces superior e inferior e todos os três átomos interiores do plano intermediário. Sendo a e c, as dimensões menor e maior da célula unitária, respectivamente, a razão c/a deve ser 1, 633, entretanto, em alguns metais com estrutura cristalina HC, essa razão se desvia do valor ideal.

CIÊNCIA E ENG DE MATERIAIS 2. ESTRUTURA CRISTALINA DOS MATERIAIS Estrutura cristalina Hexagonal Compacta (HC) O número de coordenação e o fator de empacotamento atômico dessa estrutura são os mesmos que para a estrutura CFC, isto é, 12 e 0, 74, respectivamente. Alguns metais que possuem essa estrutura são o cádmio, o magnésio, o titânio e o zinco.

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CIÊNCIA E ENG DE MATERIAIS 2. ESTRUTURA CRISTALINA DOS MATERIAIS Exercícios: 1) Se o raio atômico do chumbo vale 0, 175 nm, calcule o volume de sua célula unitária em metros cúbicos. 2) O molibdênio possui uma estrutura CCC, um raio atômico de 0, 1363 nm e um peso atômico de 95, 94 g/mol. Calcule e compare a sua massa específica teórica com o valor experimental 10, 22 g/cm 3. 3) Calcular o raio atômico do Tântalo, dado que possui uma estrutura cristalina CCC, densidade de 16, 6 g/cm 3, e um peso atômico de 180, 9 g/mol.

CIÊNCIA E ENG DE MATERIAIS 2. ESTRUTURA CRISTALINA DOS MATERIAIS Exercícios: 4) Calcule o raio de um átomo de paládio dado que o Pd possui uma estrutura cristalina CFC e uma densidade de 12, 0 g/cm 3, e um peso atômico de 106, 4 g/mol. 5. Calcule o volume da célula unitária da estrutura cristalina do zinco, utilizando os seguintes dados: o zinco puro tem estrutura cristalina HC, com os parâmetros de rede a = 0, 2665 nm e c = 0, 4947 nm. 6. O titânio possui uma estrutura cristalina HC e uma massa específica de 4, 51 g/cm 3. a) Qual é o volume de sua célula unitária em metros cúbicos? b) Se a razão c/a vale 1, 58, calcule os valores de c e a.