Estrutura Cristalina em Materiais: Aula 3

Aula 3 ESTRUTURA CRISTALINA Profa Dra Christiane Ribeiro ESTO00617SB Materiais e suas Propriedades Relembrando a aula passada Os níveis de energia eletrônicos nos átomos são responsáveis pela diferença de propriedades entre os mesmos As propriedades dos materiais são determinadas fortemente pela valência dos elementos Os 4 tipos de ligações entre os átomos ou moléculas estão relacionados com a transferência ou compartilhamento dos elétrons dos níveis externos de energia de modo a reduzir a energia total do sistema desempenho propriedade Processamentosíntese estrutura Relembrando ESTRUTURA Pode ser determinada em diferentes dimensões Estrutura Subatômica elétrons Atômica átomos e moléculas Microscópica grãos contornos discordâncias Macroscópica vistas a olho nu Introdução c 2003 BrooksCole Publishing Thomson Learning a Sem ordenamento b e c ordenamento de curta distância e d ordenamento de curta e longa distância Níveis de arranjo atômico Energia e Empacotamento Empacotamento ordenado Estrutura densa com empacotamento ordenado tendem a possuir menor energia Segundo a distribuição espacial dos átomos moléculas ou íons os sólidos podem ser classificados em Cristalinos compostos por átomos moléculas ou íons arranjados de uma forma periódica em três dimensões As posições ocupadas seguem uma ordenação que se repete para grandes distâncias atômicas de longo alcance Típico de metais muitos cerâmicos e alguns polímeros Amorfos não cristalino compostos por átomos moléculas ou íons que não apresentam uma ordenação de longo alcance Podem apresentar ordenação de curto alcance Ocorre em estruturas complexas e resfriamento rápido Sólidos cristalinos e amorfos Sólidos cristalinos e amorfos Fonte httpblogsjovempanuolcombrpanelachicwpcontentuploads201001flocosdenecejpg Ampliação microscópica de diferentes formações de cristais de gelo Sólidos cristalinos e amorfos Estruturas do SiO2 dióxido de silício ou sílica Estrutura cristalina cúbica de face centrada a representação da célula unitária pelo modelo da esfera rígida b esferas reduzidas e c agregado de muitos átomos c Identificação da Célula unitária no retículo cristalino Reticulado cristalino Nos materiais cristalinos denominase estrutura cristalina à maneira como átomos moléculas ou íons se encontram espacialmente arranjados Modelo de esferas rígidas os átomos ou íons são representados como esferas de diâmetro fixo Reticulado arranjo tridimensional de pontos no qual cada ponto tem a mesma vizinhança Célula unitária é o menor agrupamento de átomos representativo de uma determinada estrutura cristalina específica Todas as células unitárias em um sólido cristalino perfeito são idênticas de modo que ao descrevermos a célula unitaria estamos descrevendo a estrutura do cristal Padrão geométrico repetitivo Qual o elemento fundamental de repetição Menor unidade que pode ser usada para construir o todo Célula unitária Arranjo aparentemente confuso Arranjo mais ordenado Célula unitária Célula unitária ou primitiva Ordem e períodos de repetição podem ser destacados Célula unitária Célula unitária ou primitiva Célula unitária Célula unitária ou primitiva Célula unitária 2 por Qual das células unitárias é a correta Célula unitária Parâmetro de rede O parâmetro de rede são constantes que descrevem o tamanho e a geometria da célula unitária Há três distâncias que descrevem os lados da célula unitária Há três ângulos alfa beta e gama que indicam os ângulos entre os eixos adjacentes da célula unitária Prof Cecilia Chaves Disciplina Química II Eixos cristalográficos a b e c são os comprimentos das arestas são os ângulos a b c Por convenção origem 000 z y x 21 Sistemas de rede de Bravais Existem 14 tipos de células unitárias chamadas de redes de Bravais que são agrupadas nos sete sistemas cristalinos São quatro tipos básicos de células unitárias Simples Corpocentrado Facecentrada Basecentrada Estas redes são os esqueletos de sólidos sobre os quais as estruturas cristalinas são construídas Parâmetros de rede e sua utilização para descrever o sistema cristalino Os sete sistemas cristalinos 24 Reticulados de Bravais Qualquer reticulado cristalino pode ser descrito por um dos 14 RETICULADOS DE BRAVAIS Estrutura Cristalina Exemplos de Metais Número de átomoscélula unitária Um número específico de pontos na rede cristalina define a célula unitária Por exemplo os vértices e os pontos de corpo centrado e face centrada são facilmente identificáveis Quando contamos o número de pontos na rede devemos considerar que estes podem ser compartilhados por mais que uma célula unitária Número de coordenação É o número de átomos que tocam um átomo particular ou o número de seus vizinhos mais próximos É uma indicação de quão firme e eficazmente os átomos estão empacotados Para sólidos iônicos o número de coordenação é o número de íons mais próximos Podese ver abaixo que a estrutura Cúbica Simples CS e Cúbica de Corpo Centrado CCC têm número de coordenação 6 e 8 respectivamente Estrutura Cristalina Hexagonal Compacta Número de coordenação Estrutura Cristalina Hexagonal Compacta Número de coordenação Número de coordenação Estrutura Cristalina Hexagonal Compacta Logo o NC para a estrutura HC é 12 Estrutura cúbica simples CS bastante rara devido à baixa densidade de empacotamento somente o Po tem esta estrutura As direções de maior empacotamento são os lados do cubo Estrutura cúbica de corpo centrado CCC Ex CCC Fe cromo tungstênio molibdênio a a a 4r 3 4R a 0 68 3 64 3 3 8 3 4 3 4 2 3 3 3 3 R R R R FEA Para uma estrutura cúbica de face centrada CFC Fator de empacotamento atômico É a fração de espaço ocupada pelos átomos assumindo que estes sejam esferas rígidas A expressão geral para o Fator de Empacotamento Atômico FEA é Para a célula CFC há 4 pontos de rede por célula Se há 4 átomos por ponto de rede então há 4 átomoscélula O fator de empacotamento para a estrutura CFC pode ser escrito como Estrutura cúbica de face centrada CFC 4R a a 2 4R a 0 74 3 64 2 2 16 2 4 3 4 4 3 3 3 3 R R R R FEA Seqüência de empilhamento da estrutura CFC Estruturas compactas Plano mais empacotado 1 1 1 Estruturas compactas Seqüência de empilhamento da estrutura HC Plano mais empacotado 0 0 0 1 Densidade teórica O conhecimento da estrutura cristalina permite o cálculo da densidade Densidades típicas para as diferentes classes de materiais Metais têm Para pensar em casa Sabendo que o valor medido de densidade corresponde a 896 gcm3 perguntase Por que a diferença entre o valor calculado t e o medido Polimorfismo e Alotropia Polimorfismo fenômeno no qual um sólido metálico ou não metálico pode apresentar mais de uma estrutura cristalina dependendo da temperatura e da pressão por exemplo a sílica SiO2 como quartzo cristobalita e tridimita Alotropia polimorfismo em elementos puros Exemplo diferentes arranjos cristalinos do carbono Alotropia do carbono as grafites e ambas formadas por redes hexagonais planares de átomos de carbono diferem somente no arranjo das camadas seqüência ABAB na e ABCABC na podem ser interconvertidas por moagem ou por aquecimento acima de 1 025 C A densidade ideal da grafite é 2266 gcm3 mas varia de 223 gcm3 no coque de petróleo até 148 gcm3 no carvão ativo C grafite Forma mais pura do C carvão do açucar C amorfo C diamante Alotropia do carbono diamante cada átomo de carbono está rodeado tetraedricamente por 4 vizinhos eqüidistantes resultando numa célula unitária cúbica No diamante o sistema de cristalização pode ser monoclínico ou cúbico de simetria normal Os cristais exibem faces curvas ou estriadas e com depressões triangulares sobre as faces A clivagem é octaédrica perfeita e sua dureza na escala Mohs é 10 Alotropia do carbono C fulereno Fulerenos são alótropos moleculares do C no de átomos de C na molécula fulerênica pode variar de 60 a milhares formando hexágonos e exatamente 12 pentágonos À medida que o número de hexágonos fica maior que 20 caso do C60 sua estabilidade diminui pois os pentágonos ocupam posições cada vez mais tensionadas e portanto mais suscetíveis a ataques químicos A densidade do buckminsterfulereno C60 é 165 gcm3 maior molécula já descoberta flutuando entre as estrelas Telescópio Espacial Spitzer da NASA detectou essas moléculas no espaço interestelar 2010 átomos simples ou pequenas moléculas podem ficar aprisionadas e podem sobreviver dentro dessa gaiola mensageiros químicos Nanotubos de C Alotropia do carbono Nanotubos fulerenos com outra estrutura Dependendo da direção de enrolamento podem ser condutores ou semicondutores Propriedades de interesse tecnológico Podem ser preenchidos com diferentes materiais Propriedades mecânicas especiais são flexíveis e muito mais resistentes que fibras de carbono Propriedades elétricas únicas influenciadas por pequenas variações em suas estruturas sonhase com minúsculos circuitos elétricos feitos de nanofios Alotropia do Titânio FASE Existe até 883ºC Apresenta estrutura hexagonal compacta É mole FASE Existe a partir de 883ºC Apresenta estrutura CCC É dura Estados polimórficos da SiO2 As formas mais importantes da sílica cristalina quartzo tridimita e cristobalita chamadas de sílica livre ou sílica não combinada e tridimita Exercícios resolver de forma individual e entregar 1 A densidade do potássio que tem estrutura CCC é 0855 gcm3 e seu peso atômico é 3909 gmol Calcule a o parâmetro de rede nm do potássio e b o raio atômico nm do potássio 2Calcular a densidade gcm3 dos seguintes metais a Fe a CCC b Al CFC Dados raio atômico do Fea 01241 nm e massa molar 5585 gmol raio atômico do Al 0143 nm e massa molar 2698 gmol 1nm 109m Sugestão de leitura Capítulo do Callister tratado nesta aula Capítulo 3 Obrigada pela atenção