ESTRUTURA CRISTALINA DOS METAIS - Trajano Estrutura cristalina dos metais Marcelo F. Moreira 2. O arranjo

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  • Estrutura cristalina dos metais

    Marcelo F. Moreira

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    ESTRUTURA CRISTALINA DOS METAIS

    DEFINIÇÃO DE CRISTAL

    - Sólidos cristalinos: Uma substância pode ser considerada cristalina quando os

    átomos (ou moléculas) que a constitui estão dispostos segundo uma rede

    tridimensional bem definida e que é repetida por milhões de vezes. (Ordem de longo

    alcance)

    Exemplos: Todos os metais e a maior parte das cerâmicas

    - Sólidos amorfos ou não-cristalinos: Em geral, não apresentam regularidade na

    distribuição dos átomos e podem ser considerados como líquidos extremamente

    viscosos. Exemplos: Vidro, piche e vários polímeros

    SISTEMAS CRISTALINOS:

    - Para avaliarmos o grau de repetição de um estrutura cristalina é necessário

    definirmos qual a unidade estrutural que esta sendo repetida, que é chamada de

    célula unitária. A principal característica da célula unitária é que esta apresenta a

    descrição completa da estrutura como um todo, incluindo a estequiometria.

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    O arranjo mais estável dos átomos em um cristal será aquele que minimiza a

    energia livre por unidade de volume ou, em outras palavras:

    preserva a neutralidade elétrica da ligação; satisfaz o caráter direcional das ligações covalentes; minimiza as repulsões íon-íon e, além disso, agrupa os átomos do modo mais compacto possível.

    Distribuição de átomos no espaço e suas respectivas funções de probabilidade de se

    encontrar um átomo em função da distância - W(r)

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    OS SETE SISTEMAS CRISTALINOS: São todas as formas de células unitárias

    possíveis que podem ser "empilhadas" e preencher totalmente o espaço

    tridimensional.

    Sistema Lados e ângulos Geometria

    CÚBICO lados: a = b = c

    ângulos: α = β = γ = 90°

    TETRAGONAL lados: a = b ≠ c ângulos: α = β = γ = 90°

    ORTORÔMBICO lados: a ≠ b ≠ c ângulos: α = β = γ = 90°

    ROMBOÉDRICO lados: a = b = c

    ângulos: α = β = γ ≠ 90°

    HEXAGONAL lados: a = b ≠ c ângulos:α = β = 90° γ = 120°

    MONOCLÍNICO lados: a ≠ b ≠ c ângulos: α = γ = 90° ≠ β

    TRICLÍNICO

    lados: a ≠ b ≠ c ângulos: α ≠ β ≠ γ ≠ 90°

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    OS QUATORZE RETICULADOS CRISTALINOS DE BRAVAIS

    (Auguste Bravais cristalógrafo francês 1811-1863)

    - Representam as possibilidades de preenchimento dos sete reticulados cristalinos

    por átomos

    CONCEITOS IMPORTANTES PARA A CARACTERIZAÇÃO DOS RETICULADOS

    CRISTALINOS

    NÚMERO DE COORDENAÇÃO: Representa o número de átomos mais próximos à um átomo de referência.

    PARÂMETRO DO RETICULADO: Constitui uma relação matemática entre uma dimensão da célula e o raio atômico

    FATOR DE EMPACOTAMENTO ATÔMICO: É a relação entre o volume dos átomos no interior da célula unitária pelo volume total

    da célula

    F E A. . . Volume dos á tomos nointerior da cé lula

    Volume total da cé lula =

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    RETICULADOS CRISTALINOS MAIS IMPORTANTES:

    CCC - CÚBICO DE CORPO CENTRADO

    - Exemplos de metais CCC: Ferro α (Fe), Cromo (Cr), Molibdênio (Mo), Tantâlo (Ta), e Tungstênio (W)

    - N° de coordenação (que representa o n° de vizinhos mais próximos): 8

    - N° de átomos no interior do reticulado: 2 (8 x 1/8 + 1)

    - Fator de empacotamento atômico: 0,68 (68% do volume da célula é ocupado por

    átomos)

    - Parâmetro do reticulado: a R

    = 4

    3 .

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    CFC - CÚBICO DE FACES CENTRADAS

    - Exemplos de metais CFC: Alumínio (Al), Cobre (Cu), Ouro (Au), Chumbo (Pb), Níquel

    (Ni), Platina (Pt), Prata (Ag)

    - N° de coordenação: 12

    - N° de átomos no interior do reticulado: 4 (8 x 1/8 + 6 x 1/2)

    - Fator de empacotamento atômico: 0,74 (74% do volume da célula é ocupado por

    átomos)

    - Parâmetro do reticulado: a R= 2 2. .

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    HC - HEXAGONAL COMPACTA

    - Exemplos de metais HC: Cádmio (Cd), Cobalto (Co), Titânio α (Ti), Zinco (Zn), Magnésio (Mg)

    - N° de coordenação: 12

    - N° de átomos no reticulado: 2 (6/3)

    - Fator de empacotamento atômico: 0,74 (74% do volume da célula é ocupado por

    átomos)

    - Relação c/a teórica: 1,633

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    RAIOS ATÔMICOS E ESTRUTURAS CRISTALINAS PARA ALGUNS METAIS

    Metal Estrutura

    cristalina Raio atômico

    [nm] Valência mais

    comum Temperatura de

    fusão [°C]

    Alumínio CFC 0.1431 3+ 660 Berílio HC 0,1140 2+ 1278 Cádmio HC 0.1490 2+ 321 Cálcio CFC 0,1970 2+ 839 Cromo CCC 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 (α) CCC 0.1241 2+ 1538 Chumbo CFC 0.1750 2+ 327 Lítio CCC 0,1520 1+ 181 Magnésio HC 0,1600 2+ 649 Molibdênio CCC 0.1363 4+ 2617 Manganês CS 0,1120 2+ 1244 Níquel CFC 0.1246 2+ 1455 Nióbio CCC 0,1430 5+ 2468 Platina CFC 0.1387 2+ 1772 Prata CFC 0.1445 1+ 962 Silício Diamante 0,1180 4+ 1410 Tântalo CCC 0.1430 3020 Titânio (α) HC 0.1445 4+ 1668 Tungstênio CCC 0.1371 4+ 3410 Zinco HC 0.1332 2+ 420

    ALOTROPIA

    A estrutura cristalina de equilíbrio é dependente da temperatura e da pressão.

    O exemplo clássico é o carbono que pode ser amorfo, grafita ou diamante.

    O Fe apresenta estrutura cristalina CCC na temperatura ambiente. Entretanto a 912°C

    o Fe sofre uma transformação alotrópica para CFC. A transformação alotrópica é

    freqüentemente acompanhada por modificações de densidade e outras propriedades

    físicas.

    Exemplo-

    Alotropia do Fe puro

    Temperatura

    [°C]

    Estrutura

    cristalina

    Nome

    0 – 911 CCC Ferrita alfa

    911 - 1392 CFC Austenita

    1392 – 1536 CCC Ferrita delta

    > 1536 amorfa Líquido

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    ESTRUTURAS CRISTALINAS COMPACTAS - Estruturas CFC e HC apresentam F.E.A. = 0,74 (empacotamento mais eficiente para esferas de mesmo diâmetro) Adicionalmente a representação de células cristalinas, as estruturas CFC e HC podem ser descritas através de empilhamentos de planos compactos (máxima densidade atômica)

    Seqüência de empilhamentos possíveis:

    Empilhamento A B A B A..

    HEXAGONAL COMPACTO - HC

    Empilhamento A B C A B C A B C...

    CÚBICO DE FACES CENTRADAS - CFC

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    EXEMPLOS ADICIONAIS

    ESTRUTURAS CRISTALINAS EM CERÂMICAS E POLÍMEROS

    - POLIETILENO (C2H2):

    Entre os polímeros, o polietileno apresenta fácil cristalização formando células

    cristalinas ortorrômbicas.

    - GRAFITA (C):

    Apresenta estrutura muito diferente da estrutura hexagonal convencional.

    Camadas hexagonais são ligadas por ligações fracas. Estas camadas podem ser

    consideradas macromoléculas planares.

    Ligações fortes no hexágono permitem que a ligação seja mantida até 2200 °C,

    enquanto ligações fracas permitem o deslizamento entre camadas, conferindo

    propriedades lubrificantes.

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    BUCKYBALL (C60)

    Outra forma polimórfica do C descoberta em 1985 durante experimentos de

    vaporização de C com laser, cujo objetivo era o de simular a síntese de cadeias de C

    de estrelas de C.

    A estrutura do buckyball consiste de um aglomerado de 60 átomos de C formando uma molécula esférica. Cada molécula de C60 é composta por grupos de

    átomos de C formando 20 hexágonos e 12 pentágonos, arranjados de maneira que

    nenhum pentágono fique ao lado de outro pentágono. Esta estrutura é conhecida

    como domo geodésico e é precisamente a forma de uma bola de futebol.

    O nome buckymisterfullereno ou buckyball é uma homenagem a Richard Buckymister Fuller, designer, arquiteto e inventor da estrutura arquitetônica do domo

    geodésico. O nome fullereno é dado aos materiais que contenham moléculas