Aula 02 – Estrutura Cristalina
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Material para a aula:
•
Estruturas cristalinas de isopor
•
Imã
•
Pedaço de ferro
•
Alumínio
•
Pedra de cromo
Fazer o teste com o imã e correlacionar com a estrutura
cristalina
Por quê estudar?
As propriedades de alguns materiais estão
diretamente associadas à sua estrutura cristalina.
“ESTRUTURA LEVA A PROPRIEDADES”
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ARRANJAMENTO ATÔMICO: é a distribuição
espacial dos átomos, ou seja, é a maneira com
que os átomos estão arranjados espacialmente.
Os átomos podem estar dispostos (ARRANJADOS) de
forma:
ORGANIZADA, formando um sólido CRISTALINO
ALEATÓRIA, formando um sólido NÃO-CRISTALINO ou
AMORFO.
Desta forma os sólidos podem ser classificados de
acordo com a regularidade segundo o qual os
átomos estão arranjados (arranjamento atômico)
em:
Sólido CRISTALINO
Sólido NÃO-CRISTALINO ou AMORFO
O material ser ou não cristalino explica a diferença
significativa nas propriedades de materiais de
mesma composição química.
Ex.:cerâmicas e polímeros não-cristalinos tendem
a ser opticamente transparentes, enquanto na
forma cristalina tendem a ser opacos.
SÓLIDO NÃO-CRISTALINOS ou
AMORFO
Nos sólidos não-cristalinos ou amorfos não
existe ordem de longo alcance na disposição dos
átomos
SÓLIDO CRISTALINO
Sólido cristalino é aquele no qual os átomos encontram-se
ordenados sobre longas distâncias atômicas formando uma
estrutura tridimensional que se chama de rede cristalina. Isto
é, existe uma ordenação de grande alcance tal que na
solidificação, os átomos se posicionarão entre si num modo
tridimensional repetitivo.
SÓLIDOS CRISTALINOS
Os sólidos cristalinos são formado por células
unitárias que se repetem em longas distâncias
formando um retículo cristalino.
Video: Estrutura Cristalina parte01
SÓLIDOS CRISTALINOS
São três as células unitárias mais comuns em
metais: cúbica de corpo centrado (CCC), cúbica de
face centrada (CFC) e hexagonal compacta (HC).
Célula Unitária
(unidade básica repetitiva da estrutura tridimensional)
Estruturas Cristalinas são formadas por unidades básicas e
repetitivas denominadas de Células Unitárias;
Célula unitária: é o menor agrupamento de átomos
representativo de uma determinada estrutura cristalina
específica;
Célula Unitária - menor arranjo de átomos que pode
representar um sólido cristalino
A célula unitária é escolhida para representar a simetria da
estrutura cristalina;
Vídeo - Description CC, CFC, CS
EST. CÚBICA DE CORPO CENTRADO (CCC)
Metais que se solidificam na forma CCC:
•Ferro à temperatura ambiente (Fe)
•Cromo (Cr)
•Lítio (Li)
•Molibdênio (Mo)
•Tântalo (Ta)
•Tungstênio (W)
•Vanádio (V)
Metais, ou ligas metáticas que se solificam na forma CCC
pegam imã.
EST. CÚBICA DE FACE CENTRADA (CFC)
Metais que se solidificam na forma CFC:
•Cobre (Cu)
•Alumínio (Al)
•Prata (Ag)
•Ouro (Au)
•Chumbo (Pb)
•Níquel (Ni)
•Platina (Pt)
Metais, ou ligas metálicas, que se solificam na forma CFC
não pegam imã e são mais dúcteis que os metais, ou
ligas, que se solidificam na forma CCC.
EST. HEXAGONAL COMPACTA (HC)
Metais que se solidificam na forma HC:
•Cádmio(Cd)
•Magnésio (Mg)
•Titânio (Ti)
•Zinco (Zn)
•Cobalto (Co)
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POLIMORFISMO OU
ALOTROPIA
Poli = muitas
Morphos = formas
Polimorfismo = várias formas
Vídeo: polimorfismo
POLIMORFISMO OU ALOTROPIA
Alguns elementos químicos podem ter mais de uma
estrutura cristalina dependendo da temperatura
e/ou pressão ao o qual estão. Esse fenômeno é
conhecido como polimorfismo.
Geralmente as transformações polimorficas são
acompanhadas de mudanças na densidade e de
outras propriedades físicas.
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Exemplos de materiais
que exibem
POLIMORFISMO
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Carbono
•Grafite: estável nas condições ambientes
•Diamante: formado por pressões extremamente
altas.
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Ferro
CCC Acima de 1394°C
CFC De 910-1394°C
CCC 0 até 910°C
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Titânio
FASE  (CCC)
• Existe a partir de 883ºC
• É dura
FASE  (HC)
• Existe de 0 até 883ºC
• É mole
Imperfeições em sólidos
cristalinos
INTERTÍCIOS
Em qualquer estrutura cristalina os átomos não
ocupam todo o espaço disponível na célula unitária.
Este fato implica em que existam espaços vazios
entre os átomos da estrutura, esses vazios recebem
o nome de INTERSTÍCIOS.
Interstícios
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DEFEITOS NA ESTRUTURA
CRISTALINA
Embora até aqui tenha-se representado uma
estrutura cristalina como uma rede de pontos
que se distribui regularmente pelo espaço com
átomos a ela associados e também regularmente
distribuídos, isto não acontece nos materiais
cristalinos reais.
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DEFEITOS NA ESTRUTURA
CRISTALINA
1. Lacunas ou vacâncias
2. Impurezas
i. Impurezas substitucional
ii. Impureza intersticial
3. Auto-intersticial
4. Discordânicias
5. Contorno de grão
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1. Lacunas ou Vacâncias
Caracteriza-se pela ausência de um átomo
em uma posição que deveria ser ocupada na
estrutura cristalina.
2. Impurezas
Impurezas ou átomos estranhos estão sempre presentes, é difícil
refinar metais até uma pureza que seja superior a 99,9999%.
Os átomos de impurezas podem ocupar
um interstício ou uma lacuna.
Se ocupar uma lacuna ele será
chamado de átomo de impureza
substitucional
Se ocupar um interstício será chamado
de átomo de impureza intersticial
Uma liga metálica, ou simplesmente liga, é uma
mistura de dois ou mais metais ou de um metal
(metais) e um não-metal (não-metais).
O tipo mais simples de liga é a solução sólida. Uma
solução sólida é um sólido constituído por dois ou
mais elementos dispersos atomicamente numa
única fase. Geralmente, existem dois tipos de
soluções sólidas: substitucionais e intersticiais.
Solução Sólida Substitucional
Ocorrem quando o soluto (átomo em menor concentração)
substitui o solvente (átomo em maior concentração),
mantendo a estrutura cristalina.
Exemplos: ligas de bronze (cobre/estanho) e latão
(cobre/zinco).
Para ocorrer uma grande solubilidade, no estado sólido, de
um elemento em outro, deve-se atender as seguintes
condições:
• Os diâmetros atômicos dos elementos não devem diferir
mais que cerca de 15%.
• Os dois elementos devem apresentar a mesma estrutura
cristalina.
• As eletronegatividades dos dois elementos não devem ser
consideravelmente diferentes, de modo a não se formarem
compostos.
• Os dois elementos devem ter a mesma valência.
Solução Sólida Intersticial
Nas soluções intersticiais, os átomos de soluto ocupam os
espaços entre os átomos de solvente, ou seja, os
interstícios. As soluções sólidas intersticiais formam-se
quando os átomos de um tipo são muito menores do que
os do outro.
Exemplos de átomos que,
devido
ao
seu
pequeno
tamanho,
podem
formar
soluções sólidas intersticiais: H,
C, N e O
3. Auto-intersticial
Presença de um átomo em um interstício da
estrutura cristalina. Pelo fato dos interstícios em
uma estrutura serem pequenos com relação aos
átomos que abrigam, um defeito intersticial
produz uma distorção e um acúmulo de energia
muito maior do que uma lacuna.
3. Discordâncias
O caso mais comum deste tipo
de
defeito
é
chamado
de
discordância em cunha. Neste caso
uma discordância em cunha pode
ser vista como um plano extra de
átomos, produzindo um efeito de
cunha no reticulado.
Vídeo: 3.1 Defining a Linear Defect – the Dislocation 2:29 final
4. Discordâncias
Por envolver um grande número de átomos, uma
discordância envolve um acúmulo de energia muito
maior do que um defeito de lacuna ou intersticial.
4. Discordâncias
Se a discordância estiver livre para se
deslocar pelo reticulado cristalino a deformação
se produz facilmente, ao passo que se existirem
defeitos como os intersticiais ou a presença de
precipitados, o deslocamento será dificultado
restringindo a deformação.
Isto irá se refletir em uma maior força para o
material se deformar.
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5. Contorno de grão
Em um material real, não existe uma estrutura
cristalina com uma única orientação.
Observando-se a orientação da estrutura de um
material constata-se que ela é subdividida em um
grande número de zonas, cada uma delas com uma
orientação diferente, isto é, cada uma das zonas
forma um cristal independente.
5. Contorno de grão
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Contorno de grão
Estes cristais que possuem uma orientação
particular são chamados de grãos.
Todos os grãos de uma mesma fase do material
possuem a mesma estrutura cristalina, diferindo
somente na orientação.
Contorno de grão
Grão
Monocristais são materiais para os quais a
ordem atômica se estende ininterruptamente ao
longo da totalidade da amostra.
Monocristais: um grão
Policristais: constitui a grande maioria dos
materiais.
Policristais: compostos por muitos grãos.