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Eleani Maria da Costa - DEM/PUCRS
E
STRU
TURA
CRISTALI
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EleaniMariadaC
osta-DEM/P
UCRS
ARRANJO ATMICOPor qu estudar?
As propriedades de alguns materiais estodiretamente associadas sua estrutura cristalina (ex:magnsio e berlio que tm a mesma estrutura sedeformam muito menos que ouro e prata que tm
outra estrutura cristalina).
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ARRANJO ATMICO Os materiais slidos podem ser
classificados em cristalinos ou no-
cristalinos de acordo com aregularidade na qual os tomos ouons se dispem em relao seus
vizinhos. Material cristalinoMaterial cristalino aquele no qual
os tomos encontram-se ordenados
sobre longas distncias atmicasformando uma estruturatridimensional que se chama de rede
cristalina
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ARRANJO ATMICO
Nosmateriais nomateriais no--cristalinos ou amorfoscristalinos ou amorfos noexiste ordem de longo alcance na disposio dostomos.
As propriedades dos materiais slidos cristalinosdepende da estrutura cristalina, ou seja, da maneira
na qual os tomos, molculas ou ons estoespacialmente dispostos.
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H um nmero grande de diferentesestruturas cristalinas, desde estruturas
simples exibidas pelos metais at estruturasmais complexas exibidas pelos cermicos epolmeros.
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CLULA UNITRIA(unidade bsica repetitiva da estrutura tridimensional).
Consiste num pequeno grupos de tomos queformam um modelo repetitivo ao longo da
estrutura tridimensional (analogia com elosda corrente).
A clula unitria escolhida para
representar a simetria da estruturacristalina.
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CLULA UNITRIA
Clula Unitria
Os tomos so representados como esferas rgidas
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A clula unitria usualmente descrita emtermos do comprimento dos vetores de
translao a, b e c e do ngulo formado entreeles.
A direo dos vetores unitrios a, b e c define adireo dos eixos x, y e z, chamados de eixoscristalinos ou cristalogrficos.
O ngulo entre os vetores a e b , entre b e c
, e entre a e c o .
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Uma das maneiras de representar a clula unitria atravs de um paraleleppedo, como mostra a figura.
As quantidades a, b, c, , , d-se o nome de
parmetros de rede.
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ESTRUTURA CRISTALINADOS METAIS
A estrutura cristalina dos metais tmgeralmente um nmero grande de vizinhose alto empacotamento atmico.
Trs so as estruturas cristalinas mais
comuns em metais: CCbica de corpobica de corpocentrado, ccentrado, cbica de face centrada ebica de face centrada ehexagonal compactahexagonal compacta.
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SISTEMA CBICO
Os tomos podem ser agrupados dentro do sistemacbico em 3 diferentes tipos de repetio
Cbico simples
Cbico de corpo centrado
Cbico de face centrada
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SISTEMA CBICO SIMPLES
Apenas 1/8 de cada tomocai dentro da clula unitria,ou seja, a clula unitria
contm apenas 1 tomo. Essa a razo que os metais
no cristalizam na estrutura
cbica simples (devido aobaixo empacotamentoatmico).
Parmetro de rede
a
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ESTRUTURA CBICA DECORPO CENTRADO
O tomo do centro pertence somente asua clula unitria.
Cada tomo de uma estrutura ccc cercado por 8 tomos adjacentes
H 2 tomos por clula unitria naestrutura ccc
O Fe, Cr, W cristalizam em ccc
Filme
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EST. CBICA DE FACECENTRADA
Na est. cfc cada tomo dos verticesdo cubo dividido com 8 clulasunittias
J os tomos das faces pertencemsomente a duas clulas unitrias H 4 tomos por clula unitria na
estrutura cfc o sistema mais comum encontrado
nos metais (Al, Fe, Cu, Pb, Ag,Ni,...)Filme
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CLCULO DA DENSIDADE
O conhecimento da estrutura cristalinapermite o clculo da densidade ():
= nAVcNA
n= nmero de tomos da clula unitria
A= peso atmicoVc= Volume da clula unitria
NA= Nmero de Avogadro (6,02 x 1023 tomos/mol)
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UCRS EXEMPLO:
Ferro tm raio atmico de 0,124nm (1,24 ), uma estruturaccc, um peso atmico de 55,85 g/mol. Calcule a densidade
do ferro. Resposta: 7,9 g/cm3
Valor da densidade medida= 7,87 g/cm3
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TABELA RESUMO PARA OSISTEMA CBICO
tomos Nmero de Fator de
por clula coordenao empacotamento
atmico
CS 1 6 0,52
CCC 2 8 0,68
CFC 4 12 0,74
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SISTEMAHEXA
GONA
SIM
PLES
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ESTRUTURA HEXAGONALCOMPACTA
Os metais em geral no cristalizamno sistema hexagonal simples pq ofator de empacotamento muito
baixo. O sistema Hexagonal Compacto mais comum nos metais (ex: Mg,Zn).
Na HC cada tomo de uma dadacamada est diretamente abaixo ouacima dos interstcios formadosentre as camadas adjacentes.
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ESTRUTURA HEXAGONALCOMPACTA
Cada tomo tangencia 3tomos da camada de cima,6 tomos no seu prprio
plano e 3 na camada debaixo do seu plano
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ESTRU
TURA
HEX
AGON
COM
PACT
A
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SISTEMAS CRISTALINOS
Estes sistemas incluem todas as possveis
geometrias de diviso do espao porsuperfcies planas contnuas.
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OS7S
ISTEMASCRIS
TALIN
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AS 14 REDES DE BRAVAIS
Dos 7 sistemas cristalinospodemos identificar 14 tiposdiferentes de clulas unitrias,conhecidas com redes de
Bravais. Cada uma destasclulas unitrias tem certascaractersticas que ajudam adiferenci-las das outras clulasunitrias. Alm do mais, estas
caractersticas tambmauxiliam na definio daspropriedades de um materialparticular.
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POLIMORFISMO OUALOTROPIA
Alguns metais e no-metais podem ter maisde uma estrutura cristalina dependendo datemperatura e presso. Esse fenmeno
conhecido como polimorfismo. Geralmente as transformaes polimorficas
so acompanhadas de mudanas nadensidade e mudanas de outras propriedadesfsicas.
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EXEMPLO DE MATERIAIS QUEEXIBEM POLIMORFISMO
Ferro Titnio
Carbono (grafite e diamante) SiC (chega ter 20 modificaes cristalinas)
Etc.
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ALOTROPIA DO FERRO
Na temperatura ambiente, oFerro tm estrutura ccc, fatorde empacotamento de 0,68 eum raio atmico de 1,241.
A 910C, o Ferro passa paraestrutura cfc, fator de
empacotamento de 0,74 e umraio atmico de 1,292.
A 1394C o ferro passa
novamente para ccc.
ccc
cfc
ccc
At 910C
De 910-1394C
De 1394C-PF
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ALOTROPIA DO TITNIO
FASE Existe at 883C Apresenta estrutura hexagonal compacta
moleFASE Existe a partir de 883C Apresenta estrutura ccc dura
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DIAMANTE
Ligao fraca
Ligao forte
NANOTUBOS DE CARBONO
GRAFITA
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DIREES?
(o,o,o)
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DIREES PARA OSISTEMA CCC
No sistema ccc os tomosse tocam ao longo da
diagonal do cubo, quecorresponde a famlia dedirees
Ento, a direo a
de maior empacotamentoatmico para o sistema ccc
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DIREES PARA OSISTEMA CFC
No sistema cfc os tomosse tocam ao longo da
diagonal da face, quecorresponde a famlia dedirees
Ento, a direo a
de maior empacotamentoatmico para o sistema cfc
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El i M i d C t DEM/PUCRS
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PLAN
OSCRISTA
LINO
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DENSIDADE ATMICALINEAR E PLANAR
Densidade linear= tomos/cm (igual ao fator deempacotamento em uma dimenso)
Corresponde frao do comprimento da linhaocupada com tomos
Densidade planar= tomos/unidade de rea (igual
ao fator de empacotamento em duas dimenses)Corresponde frao da rea cristlogrfica planar
ocupada com tomos
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