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; Aula 02: Estrutura Cristalina dos Materiais 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; Aula 02: Estrutura Cristalina dos Materiais 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. Aula 02: Estrutura Cristalina dos Materiais PRINCÍPIOS DA CIÊNCIA E TECNOLOGIA DOS MATERIAIS 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. Aula 02: Estrutura Cristalina dos Materiais PRINCÍPIOS DA CIÊNCIA E TECNOLOGIA DOS MATERIAIS 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. Aula 02: Estrutura Cristalina dos Materiais PRINCÍPIOS DA CIÊNCIA E TECNOLOGIA DOS MATERIAIS FORÇAS DE LIGAÇÃO E ENERGIAS DE LIGAÇÃO Aula 02: Estrutura Cristalina dos Materiais PRINCÍPIOS DA CIÊNCIA E TECNOLOGIA DOS MATERIAIS 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: Aula 02: Estrutura Cristalina dos Materiais PRINCÍPIOS DA CIÊNCIA E TECNOLOGIA DOS MATERIAIS CONSTITUIÇÃO DA MATÉRIA Aula 02: Estrutura Cristalina dos Materiais 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. Aula 02: Estrutura Cristalina dos Materiais PRINCÍPIOS DA CIÊNCIA E TECNOLOGIA DOS MATERIAIS ASSOCIAÇÃO DE ÁTOMOS • Iônica • Covalente • Metálica • Van Der Waal Aula 02: Estrutura Cristalina dos Materiais PRINCÍPIOS DA CIÊNCIA E TECNOLOGIA DOS MATERIAIS ASSOCIAÇÃO DE ÁTOMOS Ligação Iônica • Elétrons sendo liberados pelas camadas de valência; Aula 02: Estrutura Cristalina dos Materiais PRINCÍPIOS DA CIÊNCIA E TECNOLOGIA DOS MATERIAIS Ligação iônica • Resulta da atração entre cátions e ânions. • Todas as substâncias iônicas são sólidas. • Apresentam-se na forma de cristais. Aula 02: Estrutura Cristalina dos Materiais PRINCÍPIOS DA CIÊNCIA E TECNOLOGIA DOS MATERIAIS 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. Aula 02: Estrutura Cristalina dos Materiais PRINCÍPIOS DA CIÊNCIA E TECNOLOGIA DOS MATERIAIS LIGAÇÃO COVALENTE Representação estrutural plana. Aula 02: Estrutura Cristalina dos Materiais PRINCÍPIOS DA CIÊNCIA E TECNOLOGIA DOS MATERIAIS ASSOCIAÇÃO DE ÁTOMOS Van Der Waal • Elétrons não são compartilhados, apenas, há influência mútua das ondas eletrônicas estacionarias; Aula 02: Estrutura Cristalina dos Materiais PRINCÍPIOS DA CIÊNCIA E TECNOLOGIA DOS MATERIAIS 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 Aula 02: Estrutura Cristalina dos Materiais PRINCÍPIOS DA CIÊNCIA E TECNOLOGIA DOS MATERIAIS ASSOCIAÇÃO DE ÁTOMOS Metálica • Elétrons sendo compartilhados pelos átomos adjacentes; Aula 02: Estrutura Cristalina dos Materiais PRINCÍPIOS DA CIÊNCIA E TECNOLOGIA DOS MATERIAIS LIGAÇÃO METÁLICA • Um metal é formado por um conjunto de átomos iguais, dispostos em camadas superpostas. Aula 02: Estrutura Cristalina dos Materiais PRINCÍPIOS DA CIÊNCIA E TECNOLOGIA DOS MATERIAIS 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 Aula 02: Estrutura Cristalina dos Materiais PRINCÍPIOS DA CIÊNCIA E TECNOLOGIA DOS MATERIAIS 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 Aula 02: Estrutura Cristalina dos Materiais PRINCÍPIOS DA CIÊNCIA E TECNOLOGIA DOS MATERIAIS REDES BRAVAIS • O modelo resultante dessa disposição típica dos átomos é chamado reticulado; • Estes sistemas admitem 14 combinações conhecidas como Rede de Bravais. Aula 02: Estrutura Cristalina dos Materiais PRINCÍPIOS DA CIÊNCIA E TECNOLOGIA DOS MATERIAIS 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. Aula 02: Estrutura Cristalina dos Materiais PRINCÍPIOS DA CIÊNCIA E TECNOLOGIA DOS MATERIAIS REDES BRAVAIS • As redes cristalinas mais importantes: Cúbica: - Cúbica de corpo centrado (CCC); - Cúbida de face centrada (CFC). Hexagonal: - Hexagonal compacta (HC). Aula 02: Estrutura Cristalina dos Materiais PRINCÍPIOS DA CIÊNCIA E TECNOLOGIA DOS MATERIAIS 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. Aula 02: Estrutura Cristalina dos Materiais PRINCÍPIOS DA CIÊNCIA E TECNOLOGIA DOS MATERIAIS REDE CÚBICA DE CORPO CENTRADO (CCC) NC: Número de Coordenação, que corresponde ao número de átomos vizinhos mais próximos. Aula 02: Estrutura Cristalina dos Materiais PRINCÍPIOS DA CIÊNCIA E TECNOLOGIA DOS MATERIAIS REDE CÚBICA DE CORPO CENTRADO (CCC) • Fator de empacotamento atômico (APF= atomic packing factor) Aula 02: Estrutura Cristalina dos Materiais PRINCÍPIOS DA CIÊNCIA E TECNOLOGIA DOS MATERIAIS 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. Aula 02: Estrutura Cristalina dos Materiais PRINCÍPIOS DA CIÊNCIA E TECNOLOGIA DOS MATERIAIS REDE CÚBICA DE FACE CENTRADA (CFC) a=4R Aula 02: Estrutura Cristalina dos Materiais PRINCÍPIOS DA CIÊNCIA E TECNOLOGIA DOS MATERIAIS REDE CÚBICA DE FACE CENTRADA (CFC) a=4R Aula 02: Estrutura Cristalina dos Materiais PRINCÍPIOS DA CIÊNCIA E TECNOLOGIA DOS MATERIAIS 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). Aula 02: Estrutura Cristalina dos Materiais PRINCÍPIOS DA CIÊNCIA E TECNOLOGIA DOS MATERIAIS REDE HEXAGONAL COMPACTA (HC) Aula 02: Estrutura Cristalina dos Materiais PRINCÍPIOS DA CIÊNCIA E TECNOLOGIA DOS MATERIAIS REDE HEXAGONAL COMPACTA (HC) Aula 02: Estrutura Cristalina dos Materiais PRINCÍPIOS DA CIÊNCIA E TECNOLOGIA DOS MATERIAIS 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 Aula 02: Estrutura Cristalina dos Materiais PRINCÍPIOS DA CIÊNCIA E TECNOLOGIA DOS MATERIAIS 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. Aula 02: Estrutura Cristalina dos Materiais PRINCÍPIOS DA CIÊNCIA E TECNOLOGIA DOS MATERIAIS Bom Estudo! Até a próxima aula! Aula 02: Estrutura Cristalina dos Materiais