PRINCÍPIOS DA CIÊNCIA E TECNOLOGIA DOS MATERIAIS
AULA 02: ESTRUTURA CRISTALINA DOS MATERIAIS
Prof. Iran Aragão
PRINCÍPIOS DA CIÊNCIA E TECNOLOGIA DOS MATERIAIS
Objetivo da aula
Ao final desta aula, você deverá conhecer:
1. Estrutura da Matéria;
2. A malha cristalina;
3. Tipos principais de estruturas cristalinas;
4. Estrutura cristalina dos Metais.
Aula 02: Estrutura Cristalina dos Materiais
PRINCÍPIOS DA CIÊNCIA E TECNOLOGIA DOS MATERIAIS
INTRODUÇÃO
 Importância
das
ligações
metálicas,
iônicas
e
covalentes, na classificação dos metais, cerâmicos e
polímeros;
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PRINCÍPIOS DA CIÊNCIA E TECNOLOGIA DOS MATERIAIS
INTRODUÇÃO
 Importância
das
ligações
metálicas,
iônicas
e
covalentes, na classificação dos materiais: metais,
cerâmicos e polímeros.
 Conhecer as estruturas cristalinas dos materiais.
Relacionar
esta
análise
com
o
comportamento
mecânico durante seu emprego;
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PRINCÍPIOS DA CIÊNCIA E TECNOLOGIA DOS MATERIAIS
LIGAÇÃO ATÔMICA
As propriedades macroscópicas dos materiais dependem
essencialmente do tipo de ligação entre os átomos.
O tipo de ligação depende fundamentalmente dos
elétrons (camada de valência).
Os elétrons são influenciados pelos prótons e nêutrons
que formam o núcleo atômico.
Os prótons e nêutrons caracterizam quimicamente o
elemento e seus isótopos.
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CONSTITUIÇÃO DOS MATERIAIS
• Os materiais são constituídos por átomos que, no estado
sólido, se mantêm unidos por ligações químicas primárias
e secundárias.
• Esse tipo de ligação afeta as propriedades químicas e
físicas do material.
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Forças de ligação e energias de ligação
• O conhecimento das forças interatômicas que ligam os
átomos entre si nos permitem entender muitas das
propriedades físicas dos materiais.
• Sua magnitude varia com a
distância.
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FORÇAS DE LIGAÇÃO E ENERGIAS DE LIGAÇÃO
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CONSTITUIÇÃO DA MATÉRIA
• Basicamente toda matéria é constituída de Moléculas;
• o átomo é a unidade fundamental do material;
• a estrutura do átomo segue o modelo de Bohr:
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CONSTITUIÇÃO DA MATÉRIA
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PRINCÍPIOS DA CIÊNCIA E TECNOLOGIA DOS MATERIAIS
LIGAÇÕES QUÍMICAS
• Representam a união entre os átomos de um mesmo
elemento ou de elementos diferentes.
• Quando os átomos se unem, modificam sua eletrosfera,
ganhando, perdendo ou compartilhando elétrons.
• Dependendo dos átomos que se unem, as ligações
podem ser iônicas, covalentes, metálicas.
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ASSOCIAÇÃO DE ÁTOMOS
• Iônica
• Covalente
• Metálica
• Van Der Waal
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ASSOCIAÇÃO DE ÁTOMOS
Ligação Iônica
• Elétrons
sendo
liberados
pelas
camadas de valência;
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Ligação iônica
• Resulta da atração entre cátions e ânions.
• Todas as substâncias iônicas são sólidas.
• Apresentam-se na forma de cristais.
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ASSOCIAÇÃO DE ÁTOMOS
Covalente
• Elétrons sendo compartilhados com
átomos
adjacentes
(hidrogênio,
ametais e semimetais). Esse tipo de
ligação
é
comum
em
compostos
orgânicos, por exemplo em materiais
poliméricos e diamante.
• Quando os átomos se unem por ligação covalente formam
as substâncias covalentes ou moleculares.
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LIGAÇÃO COVALENTE
Representação estrutural
plana.
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ASSOCIAÇÃO DE ÁTOMOS
Van Der Waal
• Elétrons não são compartilhados, apenas, há influência
mútua das ondas eletrônicas estacionarias;
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ASSOCIAÇÃO DE ÁTOMOS
Van Der Waal
•
São ligações secundárias ou físicas
•
A polarização (formação de dipólos) devido a estrutura da
ligação produz forças atrativas e repulsivas entre átomos
e moléculas
•
A ligação é fraca
•
Exemplo desse tipo de ligação acontece entre átomos de
H e em estruturas moleculares polares
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ASSOCIAÇÃO DE ÁTOMOS
Metálica
• Elétrons
sendo
compartilhados
pelos
átomos
adjacentes;
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LIGAÇÃO METÁLICA
• Um metal é formado por um conjunto de átomos iguais,
dispostos em camadas superpostas.
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LIGAÇÃO METÁLICA
• O que mantém os átomos unidos em um metal é a
atração
elétrica
entre
o
conjunto
dos
elétrons
praticamente livres e o conjunto dos cátions.
• As substâncias que se ligam através de ligações
metálicas são os metais, e estes apresentam as
propriedades
de
ductibilidade,
maleabilidade
e
condutividade elétrica
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LIGAÇÃO METÁLICA
• Forma-se com átomos de baixa eletronegatividade
(apresentam no máximo 3 elétrons de valência)
• Os elétrons de valência são divididos com todos os
átomos (não estão ligados a nenhum átomo em
particular) e assim eles estão livres
• A ligação metálica não é direcional porque os elétrons
livres protegem o átomo carregado positivamente das
forças repulsivas eletrostáticas
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REDES BRAVAIS
• O modelo resultante dessa disposição típica dos átomos
é chamado reticulado;
• Estes sistemas admitem 14 combinações conhecidas
como Rede de Bravais.
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AS 14 REDES DE BRAVAIS
•Dos 7 sistemas cristalinos
podemos identificar 14 tipos
diferentes de células unitárias,
conhecidas com redes de Bravais.
•Cada uma destas células unitárias
tem certas características que
ajudam a diferenciá-las das outras
células unitárias.
•Estas características também
auxiliam na definição das
propriedades de alguns materiais.
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REDES BRAVAIS
• As redes cristalinas mais importantes:
 Cúbica:
- Cúbica de corpo centrado (CCC);
- Cúbida de face centrada (CFC).
 Hexagonal:
- Hexagonal compacta (HC).
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REDE CÚBICA DE CORPO CENTRADO (CCC)
• A rede cúbica de corpo centrado é uma rede cúbica na
qual existe um átomo em cada vértice e um átomo no
centro do cubo. Os átomos se tocam ao longo da
diagonal.
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REDE CÚBICA DE CORPO CENTRADO (CCC)
NC: Número de Coordenação,
que corresponde ao número de
átomos vizinhos mais próximos.
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REDE CÚBICA DE CORPO CENTRADO (CCC)
• Fator de empacotamento atômico (APF= atomic
packing factor)
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REDE CÚBICA DE FACE CENTRADA (CFC)
• A rede cúbica de face centrada é uma rede cúbica na
qual existe um átomo em cada vértice e um átomo no
centro de cada face do cubo. Os átomos se tocam ao
longo das diagonais das faces do cubo.
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REDE CÚBICA DE FACE CENTRADA (CFC)
a=4R
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REDE CÚBICA DE FACE CENTRADA (CFC)
a=4R
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REDE HEXAGONAL COMPACTA (HC)
• A rede hexagonal compacta pode ser representada por
um prisma com base hexagonal com átomos na base e
no topo e um plano de átomos no meio da altura.
• O sistema Hexagonal Compacto é mais comum nos
metais (ex: Mg, Zn, Be, Cd).
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REDE HEXAGONAL COMPACTA (HC)
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REDE HEXAGONAL COMPACTA (HC)
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TABELA RESUMO PARA O SISTEMA CÚBICO
Átomos
Número de
Parâmetro
por célula coordenação
de rede
CCC
CFC
2
4
8
12
4R/(3)1/2
4R/(2)1/2
Fator de
empacotamento
0,68
0,74
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ALOTROPIA DO FERRO PURO
A temperaturas acima de 912° o Fe apresenta-se na
forma alotrópica
(CCC); Acima de 912° até
1394° (CFC); Acima de 1394° até 1538° (CCC).
A alotropia do Fe é importante porque a forma
alotrópica pode dissolver o Carbono (C) até 2,11% a
1148o, o que tem grande significado no tratamento
térmico dos aços.
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Bom Estudo!
Até a próxima aula!
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