Estrutura Cristalina Dos Metais 01

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Estrutura cristalina dos metais

Marcelo F. Moreira 1 ESTRUTURA CRISTALINA DOS METAIS - Slidos cristalinos: Uma substncia pode ser considerada cristalina quando os tomos (ou molculas) que a constitui esto dispostos segundo uma rede tridimensional bem definida e que repetida por milhes de vezes. (Ordem de longo alcance) Exemplos: Todos os metais e a maior parte das cermicas - Slidos amorfos ou no-cristalinos: Em geral, no apresentam regularidade na distribuio dos tomos e podem ser considerados como lquidos extremamente viscosos. Exemplos: Vidro, piche e vrios polmeros - Para avaliarmos o grau de repetio de um estrutura cristalina necessrio definirmos qual a unidade estrutural que esta sendo repetida, que chamada de clula unitria. A principal caracterstica da clula unitria que esta apresenta a descrio completa da estrutura como um todo, incluindo a estequiometria. Estrutura cristalina dos metais

Marcelo F. Moreira O arranjo mais estvel dos tomos em um cristal ser aquele que minimiza a energia livre por unidade de volume ou, em outras palavras: preserva a neutralidade eltrica da ligao; satisfaz o carter direcional das ligaes covalentes; minimiza as repulses on-on e, alm disso, agrupa os tomos do modo mais compacto possvel. Distribuio de tomos no espao e suas respectivas funes de probabilidade de se encontrar um tomo em funo da distncia - W(r)

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Marcelo F. Moreira OS SETE SISTEMAS CRISTALINOS: So todas as formas de clulas unitrias possveis que podem ser "empilhadas" e preencher totalmente o espao tridimensional. Sistema Lados e ngulos Geometria CBICO lados: a = b = c ngulos: = = = 90 TETRAGONAL lados: a = b c ngulos: = = = 90 ORTORMBICO lados: a b c ngulos: = = = 90 ROMBODRICO lados: a = b = c ngulos: = = 90 HEXAGONAL lados: a = b c ngulos: = = 90 = 120 MONOCLNICO lados: a b c ngulos: = = 90 TRICLNICO lados: a b c ngulos: 90

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Marcelo F. Moreira OS QUATORZE RETICULADOS CRISTALINOS DE BRAVAIS (Auguste Bravais cristalgrafo francs 1811-1863) - Representam as possibilidades de preenchimento dos sete reticulados cristalinos por tomos NMERO DE COORDENAO: Representa o nmero de tomos mais prximos um tomo de referncia. PARMETRO DO RETICULADO: Constitui uma relao matemtica entre uma dimenso da clula e o raio atmico FATOR DE EMPACOTAMENTO ATMICO: a relao entre o volume dos tomos no interior da clula unitria pelo volume total da clula FEAVolume dos tomos nointerior da clula Volume total da clula= Estrutura cristalina dos metais

Marcelo F. Moreira 5 RETICULADOS CRISTALINOS MAIS IMPORTANTES: - Exemplos de metais C: Ferro (Fe), Cromo (Cr), Molibdnio (Mo), Tantlo (Ta), e Tungstnio (W) - N de coordenao (que representa o n de vizinhos mais prximos): 8 - N de tomos no interior do reticulado: 2 (8 x 1/8 + 1) - Fator de empacotamento atmico: 0,68 (68% do volume da clula ocupado por tomos) Estrutura cristalina dos metais

Marcelo F. Moreira 6 CFC - CBICO DE FACES CENTRADAS - Exemplos de metais CFC: Alumnio (Al), Cobre (Cu), Ouro (Au), Chumbo (Pb), Nquel (Ni), Platina (Pt), Prata (Ag) - N de coordenao: 12 - N de tomos no interior do reticulado: 4 (8 x 1/8 + 6 x 1/2) - Fator de empacotamento atmico: 0,74 (74% do volume da clula ocupado por tomos)

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Marcelo F. Moreira 7 HC - HEXAGONAL COMPACTA - Exemplos de metais HC: Cdmio (Cd), Cobalto (Co), Titnio (Ti), Zinco (Zn), Magnsio (Mg) - N de coordenao: 12 - N de tomos no reticulado: 2 (6/3) - Fator de empacotamento atmico: 0,74 (74% do volume da clula ocupado por tomos) - Relao c/a terica: 1,633 Estrutura cristalina dos metais Marcelo F. Moreira 8 RAIOS ATMICOS E ESTRUTURAS CRISTALINAS PARA ALGUNS METAIS Metal Estrutura cristalina Raio atmico [nm] Valncia mais comum

Temperatura de fuso [C]

Alumnio CFC 0.1431 3+ 660 Berlio HC 0,1140 2+ 1278 Cdmio HC 0.1490 2+ 321 Clcio CFC 0,1970 2+ 839 Cromo C 0.1249 3+ 1875 Cobalto HC 0.1253 2+ 1495 Cobre CFC 0.1278 1+ 1085 Estanho tetragonal 0,1510 4+ 232 Ouro CFC 0.1442 1+ 1064 Ferro () C 0.1241 2+ 1538 Chumbo CFC 0.1750 2+ 327 Ltio C 0,1520 1+ 181 Magnsio HC 0,1600 2+ 649 Molibdnio C 0.1363 4+ 2617 Mangans CS 0,1120 2+ 1244 Nquel CFC 0.1246 2+ 1455 Nibio C 0,1430 5+ 2468 Platina CFC 0.1387 2+ 1772 Prata CFC 0.1445 1+ 962 Silcio Diamante 0,1180 4+ 1410 Tntalo C 0.1430 3020 Titnio () HC 0.1445 4+ 1668 Tungstnio C 0.1371 4+ 3410 Zinco HC 0.1332 2+ 420 A estrutura cristalina de equilbrio dependente da temperatura e da presso. O exemplo clssico o carbono que pode ser amorfo, grafita ou diamante. O Fe apresenta estrutura cristalina C na temperatura ambiente. Entretanto a 912C o Fe sofre uma transformao alotrpica para CFC. A transformao alotrpica freqentemente acompanhada por modificaes de densidade e outras propriedades fsicas. Exemplo- Alotropia do Fe puro Temperatura [C] Estrutura cristalina Nome 0 911 C Ferrita alfa 911 - 1392 CFC Austenita 1392 1536 C Ferrita delta > 1536 amorfa Lquido Estrutura cristalina dos metais

Marcelo F. Moreira 9 ESTRUTURAS CRISTALINAS COMPACTAS - Estruturas CFC e HC apresentam F.E.A. = 0,74 (empacotamento mais eficiente para esferas de mesmo dimetro) Adicionalmente a representao de clulas cristalinas, as estruturas CFC e HC podem ser descritas atravs de empilhamentos de planos compactos (mxima densidade atmica) Seqncia de empilhamentos possveis: Empilhamento A B A B A.. HEXAGONAL COMPACTO - HC Empilhamento A B C A B C A B C Estrutura cristalina dos metais

Marcelo F. Moreira 10 EXEMPLOS ADICIONAIS - POLIETILENO (C2H2): Entre os polmeros, o polietileno apresenta fcil cristalizao formando clulas cristalinas ortorrmbicas. - GRAFITA (C): Apresenta estrutura muito diferente da estrutura hexagonal convencional. Camadas hexagonais so ligadas por ligaes fracas. Estas camadas podem ser consideradas macromolculas planares. Ligaes fortes no hexgono permitem que a ligao seja mantida at 20 C, enquanto ligaes fracas permitem o deslizamento entre camadas, conferindo propriedades lubrificantes. Estrutura cristalina dos metais

Marcelo F. Moreira 1 BUCKYBALL (C60) Outra forma polimrfica do C descoberta em 1985 durante experimentos de vaporizao de C com laser, cujo objetivo era o de simular a sntese de cadeias de C de estrelas de C. A estrutura do buckyball consiste de um aglomerado de 60 tomos de C formando uma molcula esfrica. Cada molcula de C60 composta por grupos de tomos de C formando 20 hexgonos e 12 pentgonos, arranjados de maneira que nenhum pentgono fique ao lado de outro pentgono. Esta estrutura conhecida como domo geodsico e precisamente a forma de uma bola de futebol.

O nome buckymisterfullereno ou buckyball uma homenagem a Richard Buckymister Fuller, designer, arquiteto e inventor da estrutura arquitetnica do domo geodsico. O nome fullereno dado aos materiais que contenham molculas de C60. Aplicaes: Pesquisas recentes tm levado a sntese de outros fullerenos. Apesar de muito recente, este material tem despertado interesse nas res de qumica, fsica, cincia dos materiais e engenharia. A estrutura da buckyball nica e formaria

superfcies passivas em escala de nm. De modo similar os buckytubes seriam, em teoria, fibras de altssima resistncia para a utilizao como reforo de materiais compsitos. Estruturas repetidas de Cn formam uma estrutura CFC (densidade de 1,65 g/cm3 e a = 1,41nm) que dopada com ons metlicos, principalmente K (K3C60), so a mais recente famlia de materiais supercondutores. Referncias: Callister, W. D. MATERIALS SCIENCE AND ENGINEERING An Introduction John Wiley & Sons INC. Shackelford, J. F. INTRODUCTION TO MATERIALS SCIENCE FOR ENGINEERS Prentice Hall 1992 Estrutura cristalina dos metais

Marcelo F. Moreira 12 MATERIAIS POLICRISTALINOS A maior parte dos materiais so compostos por um conjunto de pequenos cristais ou gros. Como a orientao cristalogrfica aleatria, o encontro de dois gros forma uma superfcie na qual existe um desarranjo atmico. Esta superfcie conhecida como contorno de gro Exemplos de contornos de gro em materiais metlicos: Estrutura cristalina dos metais

Marcelo F. Moreira Forma terica dos gros em estruturas policristalinas ORTOTETRACAIDECAEDRO: 24 vrtices, 36 arestas e 14 faces Os resultados tericos sobre a forma dos gros em policristais so muito prximos aos observados na natureza. (alumnio de granulao grosseira imerso em Ga - 50C) Estrutura cristalina dos metais