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 secundária
Três 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 dúctil
sólidos iônicos: duros e frágeis
sólidos covalentes: elevado ponto de ebulição
Sólido 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 fundamentais
Material 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
Célula unitária
Rede Cristalina
Estrutura Cristalina
Sete Sistemas Cristalinas
Eixos
•
•
•
•
•
•
•
Cúbico
Hexagonal
Tetragonal
Trigonal
Ortorrômbico
Monoclínico
Triclínico
a=b=c
a=b#c
a=b#c
a=b=c
a#b#c
a#b#c
a#b#c
Ângulos entre eixos
α=β=γ=90o
α=β=90o γ=120o
α=β=γ=90o
α=β=γ#90o
α=β=γ=90o
α=γ=90o#β
α#β#γ#90o
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 em
uma dada estrutura espacial
Estruturas cristalinas
EMPACOTAMENTOS
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
N de átomos
o
por célula
• Cúbico simples:
FEA = 4/3πr3
como a=2r
FEA=0,52
1
FEA = 4/3πr3
como a=4r/√3
a3
• Cúbico de Face Centrada:
FEA=0,68
2
FEA = 4/3πr3
FEA=0,74
4
a3
• Cúbico de Corpo Centrado:
a3
como a=2r/√2
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 unitária
PA= peso atômico
VC= 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.