2 - Estruturas Cristalinas

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ESTRUTURASCRISTALINAS

Por onde vamos comear? Pelo comeo, naturalmente! E onde est esse comeo? Est no prprio material, em uma coisinha bem pequenininha chamada TOMO.

TOMOO tomo, que no d para a gente ver nem com um microscpio, determina se o material ao, plstico, madeira ou ar. Estabelece a maneira como cada material se comporta na natureza e tambm como ele funciona diante dos processos de fabricao e da utilizao do dia-a-dia.

TOMOA teoria diz que no tomo existe um ncleo formado pelos prtons e pelos neutros. Por conveno, os prtons so partculas com cargas positivas, e os neutros, partculas estveis que tm pouca influncia sobre as propriedades fsicas e qumicas mais comuns dos elementos. Os eltrons, carregados negativamente, giram em rbitas em volta desse ncleo.

O que estrutura ? A palavra estrutura vem do latim structura, derivada do verbo struere, construir. No sentido mais geral, ela significa organizao das partes ou dos elementos que formam um todo.

O que estrutura dos materiais? o arranjo que os tomos podem assumir no estado slido.

Exemplos: 1 - Uma caixa cheia de bolas de gude. 2 - Pilhas de laranjas no supermercado.

As estruturas podem ser classificadas de acordo com a regularidade na qual os tomos ou ons se dispem em relao a seus vizinhos:

Cristalinos

No-cristalinos ou amorfos

ESTRUTURA CRISTALINASe voc pudesse ampliar a maioria dos materiais slidos a ponto de ver as partculas que o compem, observaria que essas partculas se arrumam de uma forma muito organizada.

Estrutura no-cristalina ou amorfa No existe ordem de longo alcance na disposio dos tomos.

As propriedades dos materiais slidos cristalinos depende da estrutura cristalina, ou seja, da maneira na qual os tomos, molculas ou ons esto espacialmente dispostos.

DISTRIBUIO DOS TOMOS NO ESPAO (Funes de Probabilidade)

Gs (1019 tomo/cm3 -livre caminho mdio)

Lquido (1022 tomo/cm3 ordem de curto alcance)

Amorfo (1023 tomo/cm3 ordem de curto alcance)

Cristalino (1023 tomo/cm3 - ordem de longo alcance)

ARRANJAMENTO ATMICOPor que estudar?As propriedades de alguns materiais esto diretamente associadas sua estrutura cristalina (ex:magnsio e berlio que tm a mesma estrutura se deformam muito menos que ouro e prata que tm outra estrutura cristalina) Explica a diferena significativa nas propriedades de materiais cristalinos e no cristalinos de mesma composio (materiais cermico e polimricos nocristalinos tendem a ser opticamente transparentes enquanto cristalinos no)

Polimorfismo ou alotropiaAlguns metais e no-metais podem ter mais de uma estrutura cristalina dependendo da temperatura e presso. Esse fenmeno conhecido como polimorfismo. Geralmente, as transformaes polimrficas so acompanhadas de mudanas na densidade e mudanas de outras propriedades fsicas.

Exemplos CarbonoGrafita estvel nas condies ambientais, enquanto que o diamante formado a presses extremamente elevadas. Grafita usado em moldes de fundio para ligas metlicas. Diamante usado na confeco de ferramentas de corte, como brocas para perfuraes.

Cristalinidade arranjo dos tomos em modelo tridimensional, ordenado, repetido e de longo alcance (muitas distncias atmicas); origina-se da coordenao atmica; estas estruturas so conhecidas como CRISTAIS; algumas vezes este modelo controla a forma externa do material; caracterstica de todos os metais, boa parte do cermicos e alguns polmeros.

ESTRUTURA CRISTALINA

Clulas Unitrias padres de repetio (reticulados); como o modelo se repete indefinidamente conveniente a subdiviso da rede cristalina em clulas unitrias;

clulas unitrias representam a menor poro da rede que se repete e tm todas as caractersticas do cristal inteiro; caracterizada pelo parmetro cristalino (a), que a distncia repetida (tamanho da clula unitria), e os ngulos entre as arestas.

Como descrever as estruturas cristalinas?

Utilizando a clula unitria. Consiste num pequeno grupo

de tomos que forma um modelo repetitivo ao longo da estrutura tridimensional. escolhida para representar a

simetria da estrutura cristalina. a unidade estrutural bsica

e define a estrutura cristalina em virtude da sua geometria e das posies dos tomos no seu interior.

Sistemas Cristalinos cbico; tetragonal; ortorrmbico; monoclnico; triclnico;

hexagonal; rombodrico.

Sistemas Cristalinos - tetragonaisa1 = a2 cc

todos os ngulos so iguais a 90

a2 a1

Sistemas Cristalinos - ortorrmbicoabcc

todos os ngulos so iguais a 90

b a

Sistemas Cristalinos - monoclnicoabcc

dois ngulos de 90

b a

Sistemas Cristalinos - triclnicoabcc

todos os ngulos diferentes de 90 e diferentes entre si

a

b

Sistemas Cristalinos - rombodricoa1 = a2 = a3a3

a2

a1

todos os ngulos iguais entre si mas diferentes de 90

Sistemas Cristalinos - hexagonala1 a2 = a3 c

c

ngulos de 90 e 120

a3

a2 a1

Reticulados Cbicos maioria dos metais; nmero significativo de cermicos; poucos polmeros; cbico simples (CS); cbico de corpo centrado (CCC);

cbico de faces centradas (CFC);

SISTEMA CBICO SIMPLESApenas 1/8 de cada tomo cai dentro da clula unitria, ou seja, a clula unitria contm apenas 1 tomo.

NMERO DE COORDENAO PARA CCCNmero de de coordenao: corresponde ao nmero de tomos vizinhos mais prximos.

Para a estrutura cbica simples o nmero de coordenao 6.

RELAO ENTRE O RAIO ATMICO (R) E O PARMETRO DE REDE (a) PARA O SITEMA CBICO SIMPLES

No sistema cbico simples os tomos se tocam na face. a= 2 R

Fator de empacotamento atmico - FEA

a relao entre o volume ocupado pelos tomos e o volume da clula unitria. FEA = volume de 1 tomo (esfera) x 1 tomo / volume do cubo .

4 3 4 3 4 3 R R R FEA 3 3 3 3 3 3 0,52 52% a (2 R) 8R Os metais no cristalizam na estrutura cbica simples, devido ao baixo empacotamento atmico.

Cbico Corpo CentradoNa est. ccc cada tomo dos vrtices do cubo dividido com 8 clulas unitrias J o tomo do centro pertence somente a sua clula unitria.

Cadatomodeuma estrutura ccc cercado por 8 tomos adjacentes. H2tomos/clulaunitria na estrutura ccc

Fe, Cr, W, Na, K

Nmero de coordenao - NC

NC = 8

Cbico Corpo Centrado

a 4R 3

Fe, Cr, W, Na, K

f.e.a. = 0,68

Cbico Faces Centradas

Na est. cfc cada tomo dos vrtices do cubo dividido com 8 clulas unitrias

J os tomos das faces pertencem somente a duas clulas unitriasH4 tomos/clula unitria na estrutura cfc o sistema mais comum encontrado nos metais (Al, Ni, Fe(),Cu,Ag,Pb,Au,Pt)

Al, Ca, Cu, Ni, Ag, Pb, Au

Nmero de coordenao - NC

1/2 de tomo

1/8 de tomo

H 4 tomos por clula unitria.

NC = 12

Cbico Faces Centradas

a 4R / 2

Al, Ca, Cu, Ni, Ag, Pb, Au

f.e.a. = 0,74

Resumo: sistema cbicotomos por clula Relao com a Fator de empacotamento

Sistema CSCCC CFC

NC 68 12

12 4

2R4R/(3)1/2 2R(2)1/2

0,520,68 0,74