Sólidos metálicos
Fe
Hg
Quais são?
Metalóides
Metais
Não-metais
Sólidos metálicos → partilha de e-’s por muitos átomos iguais
(muitos átomos e poucos electrões).
→ Energias de ionização baixas.
Propriedades
→ Condutividade eléctrica (↓ com T↑).
→ Condutividade térmica.
→ Maleabilidade (fazer folhas).
→ Ductibilidade (fazer fios).
→ Brilho (“metálico”).
Quando impuros as propriedades mudam muito → Ligas metálicas
Estruturas dos metais
Mosaico de grãos cristalinos
Propriedades mecânicas dependem das dimensões dos grãos
(p.e., dureza, flexibilidade, etc.)
Estruturas dos metais
Todos os átomos iguais
Esferas rígidas
Melhor aproveitamento do espaço
Estruturas cristalinas dos grãos:
Hexagonal compacta (HC), NC = 12
Cúbica de faces centradas (CFC), NC = 12
Cúbica de corpo centrado (CCC), NC = 8 + 6
Estruturas dos metais → empilhamento de esferas
Mais compacto: 6 vizinhos
2ª camada (2 alternativas)
Menos compacto: 4 vizinhos
Estruturas dos metais → empilhamento de esferas
Átomos da 3ª camada
directamente sobre os da 1ª
→ estrutura ABAB
Estrutura hexagonal compacta (HC)
×
2ª camada (2 alternativas)
×
3ª camada
×
Estrutura hexagonal compacta (HC)
Cada átomo tem 12 vizinhos
próximos: NC = 12
Estrutura cúbica de faces centradas (CFC)
C
B
A
Átomos da 3ª camada não ficam
directamente sobre os da 1ª →
estrutura ABCABC
×
2ª camada
×
3ª camada
×
Estrutura cúbica de faces centradas (CFC)
C
B
A
45º
AB
C
BA
C-
A-
A
Estrutura cúbica de faces centradas (CFC)
NC = 12
45º
AB
C
BA
C-
A-
A
CFC e HC são estruturas compactas
melhor aproveitamento do espaço
Percentagem de espaço ocupado?
Vcubo = a3
pertence a 8 cubos
8×⅛=1
Quantas esferas?
4 esferas
4
16
Vesferas = 4 × π r 3 = π r 3
3
3
pertence a 2 cubos
6×½=3
a↔r?
b=4r
b2 = 2 a2 (velho Pitágoras)
2 a2 = (4 r)2
16 3
3
πr
2
Vesferas
16
×
2
π
3
×100 =
×
100
=
×100 = 74%
3
64r
3 × 64
Vcubo
3
22
⎛1
2⎞
a = ⎜ ( 4r ) ⎟
⎝2
⎠
Vcubo
1
2
=
4r
1
22
3
64
r
= a3 = 3
22
Para HC é igual (só a trigonometria é que é mais complicada)
Estrutura cúbica de corpo centrado (CCC)
NC = 8 + 6
Não é uma estrutura compacta
Estrutura cúbica de corpo centrado (CCC)
Percentagem de espaço ocupado?
2 esferas: 8 × ⅛ + 1 = 2
4
8
Vesferas = 2 × π r 3 = π r 3
3
3
b = 4r
⎫
⎪
2
b 2 = a 2 + c 2 ⎬ → (4r ) = a 2 + 2a 2 = 3a 2
c 2 = 2a 2 ⎪⎭
⎛ (4 r )
a = ⎜⎜
⎝ 3
Vcubo
2
⎞
⎟
⎟
⎠
1
2
4r
= 12
3
3
r
64
= a3 = 3
32
Vesferas
Vcubo
8 3
3
πr
2
π
8
×
3
3
×100 =
×100 =
×100 = 68%
64 3
64 × 3
3 r
32
Estruturas cristalinas dos metais
Li
CCC
HC
Be
HC
Na
CCC
Mg
HC
K
CCC
Ca
CFC
CCC
Sc
HC
CFC
Ti
HC
CCC
V
CCC
Cr
CCC
Mn
*
Fe
CCC
CFC
Co
HC
CFC
Ni
CFC
Cu
CFC
Zn
HC
Ga
*
Rb
CCC
Sr
CFC
HC
CCC
Y
HC
CFC
Zr
HC
CCC
Nb
CCC
Mo
CCC
Tc
HC
Ru
HC
Rh
CFC
Pd
CFC
Ag
CFC
Cd
HC
In
*
Sn
*
Sb
*
Cs
CCC
Ba
CCC
La-Lu
Hf
HC
CCC
Ta
CCC
W
CCC
Re
HC
Os
HC
Ir
CFC
Pt
CFC
Au
CFC
Hg
*
Tl
HC
CCC
CFC
Pb
CFC
Bi
*
Po
*
Fr
Ra
Ac-Lr
La
HC,HC
CFC
Ce
HC
CFC
Pr
CFC
HC,
HC
Nd
CFC
HC,
HC
Pm
—
Sm
*
CCC
Eu
CCC
Gd
HC
Tb
HC
Dy
HC
Ho
HC
Er
HC
Tm
HC
Yb
HC
Lu
HC
Ac
CFC
Th
CFC
CCC
Pa
*
U
*
CCC
Np
*
Pu
*
CFC
CCC
Am
—
Cm
—
Bk
—
Cf
—
Es
—
Fm
—
Md
—
No
—
Lr
—
Al
CFC
Teoria das bandas
Banda de energia
(muitos níveis com ∆E muito pequeno):
Quase-contínuo
1
2
3
4
5
.......
Número de átomos combinados
n
Teoria das bandas
Para n átomos:
Bandas de energia (permitidas) e
hiatos (gaps, ou bandas proibidas)
Energia
E2
r0
2p
E1
2s
Ψ2
∆E2
ΦA
Ψ1
1s
H
r1 r0
ΦB
r
H H
H
∆E1
Teoria das bandas
Para n átomos:
Bandas de energia (permitidas) e
hiatos (gaps, ou bandas proibidas)
Energia
Níveis de energia
à distância r0
2p
2s
Bandas
permitidas
Bandas
proibidas
1s
Nível permitido
r1 r0
r
Teoria das bandas
Para n átomos:
Bandas de energia (permitidas) e
hiatos (gaps, ou bandas proibidas)
Energia
Níveis de energia
à distância r0
Níveis de energia
à distância r1
Bandas
permitidas
SOBREPOSTAS
2p
2s
Bandas
permitidas
Bandas
proibidas
Banda
proibidas
1s
Nível permitido
r1 r0
r
Nível permitido
Teoria das bandas
É o caso do Na (e dos metais alcalinos em geral)
Banda
incompletamente
preenchida
Níveis de E vazios
facilmente acessíveis
para os e-’s
banda de condução, 3p
vazia
bandas proibidas
banda de valência, 3s
semi-preenchida e
sobreposição com a banda
de condução, 3p
vazia
banda, 2p
completamente preenchida
nível 2s, preenchido
Condutividade eléctrica
Brilho metálico
nível 1s, preenchido
Brilho e condutividade
---------------
++++++++++
-
+
Corrente eléctrica
(por convenção)
Potencial eléctrico → e-’s ganham velocidade → aumenta a E → níveis acessíveis
Banda de valência incompletamente preenchida
banda de condução,
incompletamente
preenchida ou
sobreposta com a banda
de valência
Condutividade / Ω-1 m-1
1010
Cobre e ouro
Ferro
Chumbo
10
Condutores
5
banda de valência,
completamente
preenchida
bandas proibidas
Bismuto
10
0
níveis completamente
ocupado por electrões
Silício e Germânio com impurezas
10-5
Ferrites
Semicondutores
Silício
10
-10
banda de condução,
vazia
Cloreto de sódio
Vidro
∆E
10-15
Diamante
Isolantes
bandas proibidas
Sílica fundida
10-20
banda de valência,
completamente
preenchida
níveis completamente
ocupado por electrões
Poliestireno
(∆E elevado)
Energia de coesão
Ponto de fusão
250
W
Ta
Nb
Os
Re
Tc
150
Zr
Hf
Co
Cr
Fe
Sc
Ni
Grau de preenchimendo da banda d
Pt
Rh
Ti
100
Ir
Ru
Mo
V
La
Y
Pd
Cu
Au
Ag
Mn
50
Ca
Zn
Níveis antiligantes
Ba
Sr
Cd
Rb
K
Cs
Hg
0
4000
W
Re
Os
Ta
Mo
Ti
Sc
2000
Zr
Co
Fe
Mn
Pd
Ag
Sr
Zn
K
Rh
Cu
Ca
1000
Hf
Pt
Y
Ni
Ir
Ru
Tc
V Cr
0
Níveis ligantes
Nb
3000
Ponto de fusão / K
Energia de coesão / kcal mol
-1
200
La
Ba
Au
Cd
Rb
Cs
Hg
Semipreenchida:
Máximo de níveis ligantes ocupados e
níveis antiligantes vazios
Avaliação de Propriedades Físicas
PF, PE, viscosidade, dureza, etc.
Sólidos
Covalentes
Metais
PF
Sólidos Iónicos
diamante, grafite (C),
SiO2, Si, Ge, ZnS, etc.
Fe, Co, Zn,
etc.
ligações covalentes
direccionais (3D)
NaCl, CaCl2, etc.
Energia reticular, U
(atracção entre iões opostos)
grau de preenchimento
da banda d
Substâncias
moleculares
H2O, O2, etc.
Forças intermoleculares:
Lig. H > Forças vdW
Forças de vdW: Nº de e-’s (α) excepto
para moléculas pequenas (< 15 e-’s)
muito polares (µ).
Ligas metálicas
Preparam-se por fusão conjunta dos metais
(ou por redução, também conjunta, de compostos desses metais)
Propriedades muito diferentes dos metais puros
Importância tecnológica
Por exemplo:
Propriedade
Variação
do metal
para a liga
Exemplos e excepções
Importância especial
Temperatura de fusão
diminui
Fe puro – 1540°C
Fe + 3%C – 1150 a 1250°C
Excepção importante:
o P.F. do Cu é aumentado
ao formar uma liga com o
Ni.
Torna mais fácil a fusão e a
moldagem de peças metálicas. A
liga de Wood (Bi, Pb, Sn e Cd)
funde a 71°C e é usada em alarmes
automáticos contra incêndios.
Resistividade eléctrica
aumenta
A presença de 0,004% P
aumenta a resistividade do
Cu puro em 5%.
Cu puro – 1,67 µΩ cm
Cu + 30% Zn – 6,2 µΩ cm
Aplicação em aquecedores
eléctricos de resistência.
Grânulos discretos
(metais mutuamente
insolúveis), p.e. Bi-Cd
Misturas metálicas
(polifásicas)
Ligas metálicas
Soluções sólidas
de substituição
Ocupação pelo “soluto”
de posições na rede
cristalina do “solvente”
Soluções sólidas
intersticiais
Ocupação pelo “soluto”
de cavidades
intersticiais na rede
cristalina do “solvente”
Soluções sólidas
(monofásicas)
Compostos
intermetálicos
Metais reagem entre si (χ’s ≠s)
e originam compostos bem
definidos MaM’b
Soluções sólidas de substituição
Estrutura desordenada
rM’s, χ’s, estruturas cristalinas, nº e-’s valência
semelhantes
p.e., solubilidade no cobre
Solubilidade Máxima (% atómica)
Pd
100
∆ (por vezes)
Au
Pt
Ni
50
Al
Ag
Pb
0
0.7
0.85
1
r M/r Cu
1.15
1.3
Estrutura ordenada
Soluções sólidas instersticiais
Metais com elementos não metálicos (p.e.: H, C, N)
Quociente de raios inferior a 0.591
PF’s e dureza muito elevados
Aço → Fe-C