Aula 04 – Ciências dos Materiais

Estrutura Cristalinas dos Metais

Sólidos • A formação do estado sólido pode ser considerada em termos dos dois tipos de

ligações interatômicas: primária e secundáriaTrês tipos de ligações primárias:Ligações iônica – os sólidos se formam via forças Coulombianas atrativas que ocorrem

entre os íons que são espécies eletricamente carregadas formadas por átomos que perderam (cátions) ou ganharam (ânions) elétrons;

Ligações covalente – os sólidos são formados por um compartilhamento dos elétrons de valência entre todos os átomos adjacentes;

Ligações metálicas – os sólidos são formados por cátions metálicos que compartilham seus elétrons de valências entre todos os cátions adjacentes, formando um “mar de elétrons” que atua como uma forma de “cola” para manter os núcleos catiônicos juntos (superando a força repulsiva de carga iguais)

Dois tipos de ligações secundárias:Ligações de van der Waals – forças resultantes da atração elétrica não de cargas

opostas como nas ligações iônicas, mas de dipolos elétricos que podem ser: induzidos ou permanente (formado por moléculas polares)

Ligações de Hidrogênio – são também forças resultantes de atrações de dipolos elétricos, só que com uma separação de carga muito mais forte do que ocorre nos dipolos elétricos normais (formado por moléculas fortemente polares). Isto ocorre quando o hidrogênio se liga covalente a um dos elementos: Oxigênio (O), Flúor (F) ou Nitrogênio (N).

Relação com as Propriedades

• Sólidos iônicos em geral são :- duros - isolantes térmicos e elétricos- apresentam altos pontos de fusão e

ebulição- baixos coeficientes de expansão térmica

Relação com as Propriedades

• Sólidos covalentes podem ser :- duros ou frágeis dependendo de suas

estruturas de empacotamento e da natureza dos átomos envolvido.

- isolantes térmicos e elétricos- apresentam altos pontos de fusão e

ebulição- baixos coeficientes de expansão térmica

Relação com as Propriedades• Sólidos metálicos:- bons condutores elétricos e térmicos devido aos

elétrons livres;- ruptura dúctil na temperatura, ou seja, a fratura

só ocorre após os materiais terem sofridos significativos níveis de deformação permanente;

- a ligação pode ser fraca ou forte e conseqüentemente seus pontos de fusão e ebulição;

- altos coeficientes de expansão térmica

Relação com as Propriedades• Sólidos Moleculares: formados por ligações

secundárias- apresentam baixíssimos pontos de fusões e

ebulições.- por outro lado, muitos polímeros modernos,

apesar de serem sólidos moleculares podem apresentar pontos de fusões e ebulições mais elevados pela presença de ligações de hidrogênio e pela presença de moléculas polares (dipolos permanente)

- podem apresentarem elevadas taxas de deformações elástica e permanente.

Exercício

• Tendo em conta os modelos atômicos e os tipos de enlaces químicos formados entre os átomos justifique as seguintes propriedades:

sólidos metálicos : ruptura dúctilsólidos iônicos: duros e frágeissólidos covalentes: elevado ponto de ebuliçãoSólido molecular: baixíssimo ponto de fusão

Estrutura dos Sólidos

•Por que estudar? além dos tipos de ligações químicas muitas das propriedades de alguns materiais estão diretamente relacionadas com suas estruturas cristalinas ou não-cristalinas!

•Conceitos fundamentaisMaterial cristalino: é aquele em que seus átomos estão posicionados em um arranjo repetitivo ou periódico ao longo de grandes distâncias atômicas;Estrutura cristalina: forma pela qual os átomos, íons ou moléculas do material estão espacialmente arranjados.Rede cristalina: um arranjo tridimensional de pontos que coincidem com as posições dos átomos, íons ou moléculas centrais do material.Células unitárias: é a menor estrutura repetitiva da rede ou estrutura cristalina e define a estrutura cristalina em termos de sua geometria

Universidade Paulista – UNIP Curso de Engenharia

Cúbica de Corpo Centrado - CCC

Modelo de esferas rígidas:- 02 átomos estão associados a cada célula unitária;- Fator de empacotamento

Estrutura Cristalina

Rede Cristalina

Célula unitária

Sete Sistemas Cristalinas

• Cúbico a=b=c α=β=γ=90o

• Hexagonal a=b#c α=β=90o γ=120o

• Tetragonal a=b#c α=β=γ=90o

• Trigonal a=b=c α=β=γ#90o

• Ortorrômbico a#b#c α=β=γ=90o

• Monoclínico a#b#c α=γ=90o#β

• Triclínico a#b#c α#β#γ#90o

Eixos Ângulos entre eixos

Estrutura cristalina dos metais

• 03 estruturas cristalinas relativamente simples são encontradas para a maioria dos metais mais comum:

- cúbica simples - cs- cúbica de faces centradas - cfc- cúbica de corpo centrado - ccc

Universidade Paulista – UNIP Curso de Engenharia

No Coordenação – NC: número de vizinhos mais próximos de um dado átomo emuma dada estrutura espacial

EMPACOTAMENTOSEstruturas cristalinas

Estruturas amorfas

Fator de Empacotamento Atômica – FEA = Volumedos átomos célula unitária / Volume total da célula unitária

Fator de Empacotamento para um metal de raio r

• Cúbico simples:

FEA = 4/3πr3 como a=2r FEA=0,52 1 a3

• Cúbico de Corpo Centrado:

FEA = 4/3πr3 como a=4r/√3 FEA=0,68 2

• Cúbico de Face Centrada:

FEA = 4/3πr3 como a=2r/√2 FEA=0,74 4

a3

a3

No de átomos por célula

Fator de Empacotamento

• FEA = Volume dos átomos em uma célula unitária, Vat = 4/3πr3

Volume total da célula unitária, VC

4r

a

a

a3

Cálculo da densidade teórica de um sólido metálico

ρ = nPA VCNA

Onde:n= número de átomos por célula unitáriaPA= peso atômicoVC= volume da célula unitária

NA = número de Avogrado (6,02x1023)

Exercícios• Calcule o raio de um átomo de tântalo sabendo

que o Ta possui uma estrutura cristalina CCC, uma massa específica (densidade) de 16,6g/cm3 e um peso atômico de 180,9 g/mol.

• O Nióbio possui um raio atômico de 0,143 nm e uma massa específica de 8,57g/cm3. Determine se ele possui uma estrutura cristalina CFC ou CCC.Peso atômico =92,9g/mol.

• O raio atômico do Pb vale 0,175nm, calcule o volume de sua célula unitária em m3 sabendo que o Pb apresenta estrutura cristalina CFC.