2 - ESTRUT ATOMICA - ESTRUT CRISTALINA - DEFEITOS - DIFUSÃO

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TECNOLOGIA DOS MATERIAIS

Prof. Rialberth Cutrim

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PERSPECTIVA HISTÓRICA

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• As civilizações antigas foram designadas pelo nível de seus desenvolvimentos em relação aos materiais, isto é, Idade da Pedra, Idade do Bronze, etc.

• Os primeiros seres humanos utilizavam apenas os materiais encontrados naturalmente. Ex: Pedra, madeira, argila, pele, etc.

• Com o tempo eles descobriram técnicas para a produção de materiais que tinham propriedades superiores às dos produtos naturais. Ex: Cerâmica, alguns metais, etc.

• Além disso, foi descoberto que as propriedades de um material poderiam ser alteradas através de tratamentos térmicos e pela adição de outras substâncias.

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• A utilização de materiais tornou-se um processo de seleção, isto é, decidia-se qual era o material mais adequado para uma dada aplicação em virtude das suas características.

• Ao mesmo tempo, os cientistas compreenderam as relações entre os elementos estruturais dos materiais e suas propriedades.

• Desta forma vários materiais foram desenvolvidos com características relativamente específicas. Estes incluem metais, plásticos, vidros e fibras.

“Um avanço na compreensão de um tipo de material é frequentemente o precursor do progresso de uma tecnologia”, ou seja, à medida que os materiais se

desenvolvem a tecnologia evolui junto.”

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CIÊNCIA E ENGENHARIA DOS MATERIAIS

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• CIÊNCIA DOS MATERIAIS: Investigação (estudo) das relações que existem entre as estruturas e as propriedades dos materiais.

• ENGENHARIA DOS MATERIAIS: Consiste no projeto ou Engenharia da estrutura de um material.

• NOTA: Atentar para a relação:

PROPRIEDADES DOS MATERIAIS

ELEMENTOS ESTRUTURAIS

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• ESTRUTURA: Está relacionado ao arranjo de seus componentes internos.

o ESTRUTURA SUBATÔMICA: Envolve elétrons no interior dos átomos e a interação com seus núcleos.

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o ESTRUTURA ATÔMICA: Engloba a organização dos átomos ou moléculas em relação uns aos outros.

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o ESTRUTURA MICROSCÓPICA: Contém grandes grupos de átomos conglomerados. É observada através de um microscópio (MICROESTRUTURA).

Superliga de Níquel – INCONEL 600 Baquelite

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o ESTRUTURA MACROSCÓPICA: Pode ser vista a olho nu.

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• PROPRIEDADE: É uma peculiaridade do material em termos do tipo e da intensidade da reposta a um estímulo específico que lhe é imposto. o PROPRIEDADES MECÂNICAS: Relacionam deformação

com uma carga ou força aplicada.

ESTIMULO = FORÇA APLICADA => O material irá deformar.

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• PROPRIEDADE: É uma peculiaridade do material em termos do tipo e da intensidade da reposta a um estímulo específico que lhe é imposto. o PROPRIEDADES ELÉTRICAS: Com condutividade

elétrica e a constante dielétrica, o estímulo é um campo elétrico.

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• PROPRIEDADE: É uma peculiaridade do material em termos do tipo e da intensidade da reposta a um estímulo específico que lhe é imposto. o PROPRIEDADES TÉRMICAS: Pode ser representado em

termos de capacidade calorífica e da condutividade térmica.

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• PROPRIEDADE: É uma peculiaridade do material em termos do tipo e da intensidade da reposta a um estímulo específico que lhe é imposto. o PROPRIEDADES MAGNÉTICAS: Demonstram a resposta

de um material à aplicação de um campo magnético.

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• PROPRIEDADE: É uma peculiaridade do material em termos do tipo e da intensidade da reposta a um estímulo específico que lhe é imposto. o PROPRIEDADES ÓTICAS: O estimulo é a radiação

eletromagnética ou a luminosidade.

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• NOTA: 4 componentes que envolvem a Ciência e Engenharia dos Materiais.

PROCESSA-MENTO ESTRUTURA PROPRIEDA-

DESDESEMPE-

NHO

o A ESTRUTURA de um material irá depender da maneira como ele é PROCESSADO.

o O DESEMPENHO de um material será uma função das suas propriedades.

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o Ex.: Uma fotografia apresenta 3 amostras colocadas sobre um material impresso. As propriedades óticas de cada um dos 3 materiais são diferentes. • Transparente: Virtualmente, a totalidade da luz

refletida passa através dele. É um monocristal (altamente perfeita)

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o Ex.: Uma fotografia apresenta 3 amostras colocadas sobre um material impresso. As propriedades óticas de cada um dos 3 materiais são diferentes. • Translúcido: É composta por vários monocristais

muito pequenos todos conectados entre si. As fronteiras entre esse cristais espalham uma fração da luz refletida da página impressa.

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o Ex.: Uma fotografia apresenta 3 amostras colocadas sobre um material impresso. As propriedades óticas de cada um dos 3 materiais são diferentes. o Opaco: A amostra é composta não somente por

numerosos cristais pequenos interligados, mas também por um grande numero de poros ou espaços vazios muito pequenos. Estes poros também espalham de maneira efetiva a luz refletida.

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o Ex.: Uma fotografia apresenta 3 amostras colocadas sobre um material impresso. As propriedades óticas de cada um dos 3 materiais são diferentes.

• As estruturas destas amostras são diferentes em termos das fronteiras entre os cristais e poros, o que afeta as propriedades de transmitância ótica.

• Além disso, cada material foi produzido utilizando uma técnica de processamento diferente.

• Se a transmitância for um parâmetro importante em relação à aplicação no serviço final, o desempenho de cada material será diferente.

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• Por que estudar Ciência e Engenharia dos Materiais?o Para podermos selecionar o material correto (no caso de um

projeto) dentre muitos dos materiais que estão disponíveis.

o Para que isto seja possível:

1. As condições de serviço devem ser caracterizadas, uma vez que estas irão ditar as propriedades exigidas do material. Somente em raras situações irá existir um material perfeito para uma determinada situação. Ex.: Resistência vs Ductilidade.

2. Uma segunda consideração é qualquer deterioração das propriedades dos materiais que podem ocorrer durante a operação em serviço. Ex.: Reduções significativas na resistência mecânica podendo resultar da exposição à temperaturas elevadas ou a ambientes corrosivos.

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• Por que estudar Ciência e Engenharia dos Materiais?o Para podermos selecionar o material correto (no caso de um

projeto) dentre muitos dos materiais que estão disponíveis.

o Para que isto seja possível:

3. Fatores econômicos. Quanto irá custar o produto final acabado?

NOTA: Os Engenheiros, Cientistas e/ou Técnicos precisam se familiarizar com as várias características e com as técnicas de processamento dos materiais para se tornarem mais capacitados e confiantes na hora de fazer opções com base nos critérios listados acima.

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• CLASSIFICAÇÃO DOS MATERIAISo METAIS;

o CERÂMICOS;

o POLÍMEROS;

o COMPÓSITOS;

o BIOMATERIAIS;

o MATERIAIS AVANÇADOS.

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• CLASSIFICAÇÃO DOS MATERIAISo METAIS:

• São combinações de elementos metálicos (METAL + METAL);

• Possui um grande número de elétrons livres;

• São bons condutores de eletricidade e calor;

• Não são transparentes a luz visível (opacos);

• São muito resistentes, porém deformáveis;

• São muito aplicados em estruturas.

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• CLASSIFICAÇÃO DOS MATERIAISo METAIS:

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• CLASSIFICAÇÃO DOS MATERIAISo CERÂMICOS:

• São compostos por METAL + NÃO METAL;

• São geralmente compostos por argila, cimento, e vidro;

• São tipicamente isolantes elétricos e térmicos;

• São mais resistentes a altas temperaturas do que os metais ou polímeros;

• São duros e quebradiços.

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Vidros de Argila

RefratáriosAbrasivosCimentosCerâmicaAvançadaÓticos

Compósitos reforçados

-Recipientes/ Uso doméstico

Branca Vermelha

Materiais utilizados em elevadas temperatura

Lixas Corte

Compósitos Estrutural

Motores Rotores

Válvulas

Produtos

Cerâmicos


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• CLASSIFICAÇÃO DOS MATERIAISo POLÍMEROS:

• São os plásticos e as borrachas;

• Possuem estruturas moleculares muito grande compostas geralmente por Carbono e Hidrogênio;

• Possuem baixa densidade e podem ser extremamente flexíveis;

• Apresentam baixa resistência ao calor;

• São bons isolantes térmicos e elétricos.

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• CLASSIFICAÇÃO DOS MATERIAISo POLÍMEROS:

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• CLASSIFICAÇÃO DOS MATERIAISo COMPÓSITOS:

• É a combinação de mais de um tipo de material.

• Ex.: Fibra de vidro (combina a resistência do vidro e a flexibilidade do polímero); Cimento-madeira.

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• CLASSIFICAÇÃO DOS MATERIAISo BIOMATERIAIS:

• São empregados em componentes implantados no interior do corpo humano para substituição de parte do corpo.

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• MATERIAIS AVANÇADOS

o São os materiais utilizados em aplicações de alta tecnologia (high-tech) = dispositivo ou produto que opera ou funciona utilizando princípios relativamente sofisticados (equipamentos eletrônicos, computadores, sistemas de fibra ótica, aeronaves, foguetes, etc.

o Esses materiais são tipicamente materiais tradicionais cujas propriedades foram aprimoradas, ou então materiais de alto desempenho recentemente desenvolvidos.

o Podem ser de todos os tipos de materiais (metais, cerâmicos, polímeros) e em geral são relativamente caros.

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• MATERIAIS AVANÇADOS

O emprego de materiais avançados no corpo e na tela do

iPhone 5 pode torná-lo mais fino e mais leve que o iPhone

atual.

A fibra óptica é um pedaço de vidro ou de materiais

poliméricos com capacidade de transmitir luz.

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• NECESSIDADES DOS MATERIAIS MODERNOS

o Desafio tecnológico: Desenvolver materiais ainda mais sofisticados e especializados se preocupando com o impacto que a produção destes materiais irá causar ao meio ambiente.

o Além do mais, a melhoria e utilização de um determinado material pode causar a perda de uma outra propriedade importante.• Ex: Peso dos veículos e de seus componentes =>

Eficiência dos combustíveis => Poluição (o motor será menos exigido).

• Em contrapartida: Peso dos veículos e de seus componentes => Menos estabilidade (no caso dos automóveis).

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ESTRUTURA ATÔMICA E LIGAÇÕES INTERATÔMICAS

• INTRODUÇÃO:

o Por que é importante estudar?– Algumas das propriedades importantes dos materiais

sólidos dependem dos arranjos geométricos dos átomos e, também, das interações que existem entre os átomos.

o O que vai ser estudado neste capítulo?– Alguns conceitos fundamentais:

• Estrutura atômica;

• Configurações eletrônicas dos átomos;

• Tabela periódica;

• e os vários tipos de ligações interatômicas primárias e secundárias.

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ESTRUTURA ATÔMICA

• ÁTOMO: – É a menor partícula que ainda caracteriza um

elemento químico.

– Consiste em um núcleo muito pequeno, composto por prótons e nêutrons, que é circundado por elétrons em movimento.

– Elétron: carga elétrica negativa;

– Próton: carga elétrica positiva;

– Nêutron: eletricamente neutro;

– Número Atômico (Z): É igual ao número de prótons no interior do átomo; Varia de 1 (Hidrogênio - H) e 94 (Plutônio - Pu);

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ESTRUTURA ATÔMICA

• MODELOS ATÔMICOS

1. Modelo atômico de Bohr:

• Elétrons orbitam ao redor do núcleo atômico em orbitais distintos, onde a posição de qualquer elétron é mais ou menos bem definida em termos de seu orbital;

• A energia do elétron é quantizada, ou seja, aos elétrons permite-se apenas que possuam valores de energia específicos;

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ESTRUTURA ATÔMICA

• MODELOS ATÔMICOS1. Modelo atômico de Bohr:

• A energia do elétron pode mudar, mas, para isto ele deve efetuar um salto quântico para um nível de energia mais elevada (com absorção de energia) ou para um nível mais baixo (com emissão de energia).

• Este modelo representa uma tentativa precoce de descrever os elétrons nos átomos tanto com relação à sua posição como da energia.

• Ele foi considerado limitado devido a sua incapaci-dade de explicar alguns fenômenos envolvendo os elétrons.

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ESTRUTURA ATÔMICA

• MODELOS ATÔMICOS1. Modelo atômico de Bohr:

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ESTRUTURA ATÔMICA

• MODELOS ATÔMICOS2. Modelo Mecânico-Ondulatório:

• Um elétron não é mais tratado como uma partícula que se move em um orbital distinto;

• A posição do elétron é considerada como sendo a probabilidade de um elétron estar em vários locais ao redor do núcleo (nuvem eletrônica).

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ESTRUTURA ATÔMICA

ESTRUTURA ATÔMICA• ÁTOMO => Curiosidades:

– O diâmetro da eletrosfera de um átomo é de 10.000 a 100.000 vezes maior que o diâmetro de seu núcleo;

– Se o núcleo de um átomo fosse do tamanho de um limão com um raio de 3cm, os elétrons mais afastados estariam cerca de 3 km de distância.

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ESTRUTURA ATÔMICA

http://pt.wikipedia.org/wiki/Lim%C3%A3o

http://pt.wikipedia.org/wiki/Cent%C3%ADmetro

http://pt.wikipedia.org/wiki/Quil%C3%B4metros

http://pt.wikipedia.org/wiki/Ficheiro:Sliced_lemon.jpg

ESTRUTURA ATÔMICA• NÚMEROS QUÂNTICOS

– Os números quânticos descrevem as energias dos elétrons nos átomos e são de enorme relevância quando se trata de descrever a posição dos elétrons nos átomos.

– Existem quatro números quânticos:• Número quântico principal;

• Número quântico de momento angular ou azimu-tal;

• Número quântico magnético;

• Número quântico de spin.

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ESTRUTURA ATÔMICA

http://pt.wikipedia.org/wiki/Spin

• NÚMEROS QUÂNTICOS

– Estes quatro números quânticos, além de se complementarem, nos permitem fazer uma descrição completa dos elétrons nos átomos. Eles podem nos fornecer:• o nível principal de energia do elétron; • o subnível de energia;• a orientação espacial da nuvem eletrônica e;• a orientação do próprio elétron na nuvem.

– Cada combinação dos quatro números quânticos é única para um elétron.

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ESTRUTURA ATÔMICA

http://pt.wikipedia.org/wiki/N%C3%ADvel_eletr%C3%B4nico

http://pt.wikipedia.org/wiki/Subn%C3%ADvel_de_energia

http://pt.wikipedia.org/wiki/Subn%C3%ADvel_de_energia


– NUMERO QUÂNTICO PRINCIPAL (n):

• Indica o nível de energia do elétron no átomo;

• Está relacionado à distancia de um elétron a partir do núcleo, ou a sua posição;

• Entre os átomos conhecidos em seus estados fundamentais, n varia de 1 a 7;

• O número máximo de elétrons em cada nível é dado por 2.n2, mas para os átomos conhecidos a distribuição eletrônica ocorre de acordo com a figura:

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ESTRUTURA ATÔMICA


– NUMERO QUÂNTICO PRINCIPAL (n):

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ESTRUTURA ATÔMICA


– NUMERO QUÂNTICO SECUNDÁRIO OU AZIMU-TAL (l):

• Indica a energia do elétron no subnível;

• Entre os átomos conhecidos em seus estados fundamentais, l varia de 0 a 3 e esses subníveis são representados pelas letras s, p, d, f, respectivamente.

• O número máximo de elétrons em cada subnível é dado por 2 (2 .l + 1):

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ESTRUTURA ATÔMICA


– NUMERO QUÂNTICO MAGNÉTICO (m):

• Determina o número de estado energético para cada subcamada , ou seja, indica a energia do elétron no orbital;

• m varia de –l a +l.

• Para uma subcamada s existe um único estado energético, enquanto para as subcamadas p, d e f existem, respectivamente 3, 5 e 7 estados ou orbitais;

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ESTRUTURA ATÔMICA


– NUMERO QUÂNTICO SPIN (mS):

• Indica o momento de rotação dos elétrons;

• Deve está orientado para cima ou para baixo com dois valores possíveis (+1/2 e -1/2) os quais indicam o sentido de rotação, podendo ser horário ou anti-horário, respectivamente.

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ESTRUTURA ATÔMICA

ESTRUTURA ATÔMICA

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o RESUMO

ESTRUTURA ATÔMICA

ESTRUTURA ATÔMICA• CONFIGURAÇÕES ELETRÔNICAS

– PRINCÍPIO DE PAULI:

• É utilizado para se determinar a maneira como os estados ou orbitais são preenchidos com elétrons.

• Cada orbital ou estado eletrônico pode comportar um máximo de 2 elétrons com Spins opostos.

• Neste sentido, as subcamadas s, p, d e f podem acomodar, cada uma, um total de 2, 6, 10 e 14 elétrons, respectivamente;

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ESTRUTURA ATÔMICA

ESTRUTURA ATÔMICA

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- Diagrama de Pauling:

• Descreve como ocorre a distribuição eletrônica dos níveis e subníveis em ordem crescente de energia.

• Um subnível deve ser completamente preenchido para depois iniciar o se-guinte.

ESTRUTURA ATÔMICA

ESTRUTURA ATÔMICA• CONFIGURAÇÃO ELETRÔNICA

– A configuração eletrônica ou a estrutura de um átomo representa a maneira segundo o qual estes orbitais são ocupados (Princípio da exclusão de Pauli);

– Na notação convencional, o número de elétrons em cada subcamada é indicado por um índice sobrescrito após a designação da camada e subcamada;

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ESTRUTURA ATÔMICA

ESTRUTURA ATÔMICA• CONFIGURAÇÃO ELETRÔNICAExs:

– Para o ferro 26Fe, esta é a distribuição eletrônica: 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 3d6 , onde o índice representa o número de elétrons em cada subnível.

– É importante lembrar que para átomos neutros, o número de elétrons é igual ao de prótons.

– Para o íon (átomo que recebeu – cátions - ou perdeu – ânions - elétrons) 26 Fe 2+, temos a seguinte distribuição eletrônica:

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ESTRUTURA ATÔMICA


– Elétrons de Valência: São aqueles que ocupam a camada preenchida mais externa.

• IMPORTÂNCIA: – Participam das ligações entre os átomos para formar os

agregados atômicos e moleculares;

– Muitas das propriedades físicas e químicas dos sólidos estão baseadas nesses elétrons de valência.

• EXs:

– (26Fe ) 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 3d6

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ESTRUTURA ATÔMICA


– Alguns átomos possuem o que é conhecido por “configurações eletrônicas estáveis” => Os orbitais dentro da camada eletrônica mais externa ou de valência estão completamente preenchidos.

– Normalmente, isto corresponde a ocupação dos orbitais s e p para a camada mais externa por um total de 8 elétrons.

• 10Ne => 1s2 2s2 2p6

• 18Ar => 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6

• 36Kr => 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 3d10 4s2 4p6

– Estes elementos são os gases inertes ou nobres (virtualmente não reativos).

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ESTRUTURA ATÔMICA

ESTRUTURA ATÔMICA• TABELA PERIÓDICA

– É um agrupamento dos elementos químicos existentes;

– Cada elemento foi classificado na TP de acordo com a sua configuração eletrônica;

– Os elementos estão posicionados em ordem crescente de número atômico, em 7 fileiras horizontais chamadas PERÍODOS.

– O arranjo é tal que todos os elementos localizados em uma dada coluna ou grupo possuem estruturas semelhantes dos elétrons de valência, bem como propriedades físicas e químicas semelhantes.

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ESTRUTURA ATÔMICA

ESTRUTURA ATÔMICA

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• TABELA PERIÓDICA

ESTRUTURA ATÔMICA

ESTRUTURA ATÔMICA

– Eletropositividade: • Tendência de um elemento ceder seus poucos elétrons de

valência para se tornarem íons carregados positivamente;• Ex: Os metais (a maioria dos elementos da TP se

enquadram sob a classificação de metal.

– Eletronegatividade: • Tendência de um elemento em aceitar elétrons para

formar íons carregados negativamente. Algumas vezes eles compartilham elétrons com outros átomos;

• Estão situados ao lado direito da TB.– Nota: Os átomos apresentam maior tendência em aceitar

elétrons se as suas camadas mais externas estiverem quase totalmente preenchidas e se elas estiverem “menos protegidas”, isto é, mais próximas do núcleo.

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• TABELA PERIÓDICA

ESTRUTURA ATÔMICA


– Como regra geral a eletronegatividade aumenta ao se deslocar da esquerda para a direita e de baixo para cima da TP.

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ESTRUTURA ATÔMICA


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ESTRUTURA ATÔMICA

ESTRUTURA ATÔMICA• LIGAÇÕES QUÍMICAS

– O que é? • União entre átomos.

– Como ocorre?• Regra do Octeto: A estabilidade de um átomo está no

fato de ele possuir 8 elétrons na sua última camada (ou 2, em se tratando da camada K).

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• Estes elementos são gases na condição ambiente, chamados gases nobres.

• Um átomo adquire estabilidade quando tem configuração eletrônica semelhante à dos gases nobres.

LIGAÇÕES INTERATÔMICAS

• É pela união com outros átomos que ele adquire essa configuração estável.

• Essa união entre átomos é chamada de ligação química.


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o Tudo tende a uma situação de estabilidade maior (Lei univer-sal);

o A estabilidade de um corpo aumenta com a diminuição da quantidade de energia desse corpo;

o Exs: 2 carros (um à 20km/h e outro a 180km/h). O 2º tem maior velocidade => maior energia => maior instabilidade.



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IÔNICA COVALENTE METÁLICA

ESTRUTURA ATÔMICA– LIGAÇÃO IÔNICA

o Formam-se ligações iônicas quando elementos eletropositivos (METAIS) reagem com elementos eletronegativos (AMETAIS).

o Ocorre pela transferência de elétrons.

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o Ex: NaCl => Cloreto de Sódio.

11Na => 1s2 2s2 2p6 3s1 => Um átomo de Sódio pode assumir a estrutura eletrônica do Neônio pela transferência do seu único elétron de valência para o átomo de Cloro.

17Cl => 1s2 2s2 2p6 3s2 3p5 => Após esta transferência o íon Cloro adquire uma carga negativa e uma configuração eletrônica idêntica à do Argônio.

o NOTA: No Cloreto de Sódio, todo Sódio e todo Cloro existem como íons.

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o Ex: NaCl => Cloreto de Sódio.

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• É chamada NÃO-DIRECIONAL, isto é, a magnitude da ligação é igual em todas as direções ao redor do íon.

• Para que materiais iônicos sejam estáveis, em um arranjo tridimensional todos os íons positivos devem possuir íons carregados negativamente como seus visinhos mais próximos, e vice-versa

• É a ligação predominante nos materiais cerâmicos;

• Apresentam energias de ligação que geralmente variam na faixa entre 600 e 1500 kJ/mol. São relativamente altas => Temperatura de fusão elevada. Ex: NaCl (P.F. = 801 ºC e P.E. = 1465 ºC).

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o Os materiais iônicos são duros e quebradiços e, além disso, são bons isolantes elétricos e térmicos;

o Essas propriedades são uma consequência direta das configurações eletrônicas e/ou da natureza das ligações iônicas.


ESTRUTURA ATÔMICA– LIGAÇÃO COVALENTE

o Ocorre por compartilhamento de elétron entre átomos adjacentes;

o Dois átomos ligados covalentemente irão cada um contribuir com pelo menos 1 elétron para a ligação e os elétrons compartilhados podem ser considerados como pertencentes a ambos os átomos;

o Exs:

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o Ex: Metano (CH4)

• O átomo de Carbono possui 4 elétrons de valência enquanto que cada 1 dos 4 átomos de Hidrogênio possui apenas 1 elétron em sua camada mais externa.

• O Hidrogênio pode adquirir uma configuração eletrônica de Hélio (2 elétrons de valência) quando um átomo de carbono compartilhar um elétron com ele.

• O átomo de Carbono possui, após o compartilhamento, 4 pares de elétrons, ou seja, 8 elétrons de valência, possuindo a estrutura do Neônio.

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• A ligação covalente é DIRECIONAL, isto é, ela ocorre entre átomos específicos e pode existir somente na direção entre um átomo e o outro que participa do compartilhamento de elétrons;

• Podem ser muito fortes, como no DIAMANTE que é muito duro e possui uma temperatura de fusão muito alta (>3550ºC), ou elas podem ser muito fracas, como ocorre com o bismuto (Tf=270ºC);

• Ligações típicas dos materiais POLIMÉRICOS (apresentam uma longa cadeia de átomos de carbono como estrutura molecular);

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ESTRUTURA ATÔMICA– LIGAÇÃO METÁLICA

• Ligação encontrada nos metais e sua ligas;• Ocorre entre: METAL +METAL;• Os materiais metálicos possuem 1, 2 ou, no máximo 3

elétrons de valência;• Estes elétrons de valência não se encontram ligados a

qualquer átomo em particular no sólido e encontram-se mais ou menos livres para se movimentar ao longo de todo metal;

• Eles podem ser considerados como pertencendo ao metal como um todo, ou como se estivessem formando um “mar de elétrons” ou uma “nuvem de elétrons”;

• Os elétrons restantes (os que não são de valência), juntamente com os núcleos atômicos, formam o que chamamos de “núcleos iônicos”. 75



• Os elétrons livres protegem os núcleos iônicos carregados positivamente das forças eletrostáticas mutuamente repulsivas que eles iriam exercer uns sobre os outros. => Apresenta caráter NÃO-DIRECIONAL.

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• Exs:• Aço — constituído por Fe (ferro) e C (carbono).

• Aço inoxidável — constituído por Fe (ferro), C (carbono), Cr (cromo) e Ni (níquel).

• Ouro 18k — constituído por 75% de Au (ouro) e 25% de Ag (prata) e/ou Cobre. Já o ouro 24K é constituído 100% de ouro.

• Bronze — constituído por Cu (cobre) e Sn (estanho).

• Latão— constituído por Cu (cobre) e Zn (zinco).

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Para reflexão:

(1 João 4:10) “Nisto está o amor: não em que nós tenhamos amado a Deus, mas em

que ele nos amou a nós, e enviou seu Filho como propiciação pelos nossos

pecados.”

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ESTRUTURA CRISTALINA

Estrutura Cristalina• CONCEITOS FUNDAMENTAIS

– O que é CRISTALIZAÇÃO? => SOLIDIFICAÇÃO

– MATERIAL CRISTALINO:

oÉ aquele no qual os átomos estão situados em um arranjo que se repete ou que é periódico ao longo de grandes distâncias atômicas;

oExiste ordem de longo alcance;

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– O que é CRISTALIZAÇÃO? => SOLIDIFICAÇÃO

– MATERIAL CRISTALINO:

oQuando ocorre a solidificação os átomos se posicionarão em um padrão tridimensional repetitivo, no qual cada átomo está ligado aos seus átomos visinhos mais próximos.

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– MATERIAL AMORFO: oNão apresenta estrutura cristalina;oNão existe ordem de longo alcance.

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– ESTRUTURA CRISTALINA:oÉ a maneira segundo o qual os átomos, íons ou

moléculas estão arranjados espacialmente;

oAo descrever estrutura cristalina, os átomos (ou íons) são considerados como se fossem esferas sólidas que possuem diâmetros bem definidos. => Modelo da esfera rígida atômica, no qual as esferas que representam os átomos vizinhos mais próximos se tocam entre si.

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Os átomos são representados como esferas

rígidas.


– CÉLULA UNITÁRIA

oÉ a unidade estrutural básica de uma estrutura cristalina;oEla define a estrutura cristalina em virtude da sua

geometria e da posição dos átomos em seu interior;

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o Existem três estruturas cristalinas relativamente simples para a maioria dos metais:• Cúbica de face centrada (CCC);

• Cúbica de corpo centrado (CFC);

• Hexagonal compacta (HC).


Estrutura Cristalina• OS 7 SISTEMAS CRISTALINOS

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Estrutura Cristalina• OS 7 SISTEMAS CRISTALINOS

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Estrutura Cristalina• AS 14 REDES DE BRAVAIS

o Dos 7 sistemas cristalinos podemos identificar 14 tipos diferentes de células unitárias, conhecidas como redes de Bravais.

o Cada uma destas células unitárias tem certas características que ajudam a diferenciá-las das outras células unitárias.

o Estas características também auxiliam na definição das propriedades de um material particular.

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Estrutura Cristalina• AS 14 REDES DE BRAVAIS

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Estrutura Cristalina• CONCEITOS IMPORTANTES

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Estrutura Cristalina• CÚBICO SIMPLES (CS)

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o Apenas 1/8 de cada átomo cai dentro da célula unitária, ou seja, a célula unitária contém apenas 1 átomo.

o Essa é a razão pelo qual os metais não cristalizam na estrutura cúbica simples (devido ao baixo empa-cotamento atômico)

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Estrutura CristalinaESTRUTURA CRISTALINA• CÚBICO SIMPLES (CS)

a

Parâmetro de rede

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Estrutura CristalinaESTRUTURA CRISTALINA• CÚBICO SIMPLES (CS)

o NÚMERO DE COORDENAÇÃO:• Para a estrutura cúbica simples o número de

coordenação é 6.• Relação entre o raio atômico (r) e o parâmetro de rede

(a) : No sistema cúbico simples os átomos se tocam na face: => aCS = 2 R

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Estrutura Cristalina• CÚBICO SIMPLES (CS)

o FATOR DE EMPACOTAMENTO ATÔMICO

FEA = Número de átomos x Volume dos átomos

Volume da célula unitária

• Volume dos átomos = número de átomos X vol. Esfera (4R3/3)

• Volume da célula = volume Cubo = a3

• Fator de Empacotamento Atômico?


3

3

1x4. .r3F.E.A

(2.r)

F.E.A 0,52 52%

Estrutura Cristalina• CÚBICO DE CORPO CENTRADO (CCC)

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o Na estrutura CCC os átomos estão localizados em todos os 8 vértices e 1 único átomo localizado no centro do cubo;

o Cada átomo de uma estrutura CCC é cercado por 8 átomos adjacentes;

o Há 2 átomos por célula unitária na estrutura CCC, equivalente a 1 átomo distribuído entre os 8 vértices (1/8 de átomo em cada vértice) e 1 único átomo localizado no centro da célula unitária;

o O Fe, Cr, W cristalizam em CCC.

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Estrutura CristalinaESTRUTURA CRISTALINA• CÚBICO DE CORPO CENTRADO (CCC)

96

Estrutura CristalinaESTRUTURA CRISTALINA

2 2X 2.a X a 2

X

22 24.r a. 2 a

CCC

4.ra

3

• CÚBICO DE CORPO CENTRADO (CCC)

o Relação entre o raio atômico (r) e o parâmetro de rede (a) para o sistema CCC.

• No sistema CCC os átomos se tocam ao longo da diagonal do cubo :

1/8 de átomo

1 átomo inteiro

o Para a estrutura CCC o número de coordenação é 8, ou seja, cada átomo central possui como visinhos mais próximos os seus 8 átomos localizados nos vértices do cubo.

97

Estrutura CristalinaESTRUTURA CRISTALINA• CÚBICO DE CORPO CENTRADO (CCC)

o NÚMERO DE COORDENAÇÃO:

98

• CUBICO DE CORPO CENTRADO (CCC)

o FATOR DE EMPACOTAMENTO ATÔMICO

Fator de empacotamento = Número de átomos x Volume dos átomos

Volume da célula unitária

o Exercício: Calcular o F.E.A para a estrutura CCC.

O FEA PARA A ESTRUTURA CCC É O,68

o Uma vez que o número de coordenação é menor na estrutura CCC do que na CFC o FEA na estrutura CCC também é menor do que na CFC, sendo de 0,68 contra 0,74 na CFC.


Estrutura Cristalina• CÚBICO DE FACE CENTRADA (CFC)

99


o Na estrutura CFC os átomos estão localizados em cada um dos vértices e nos centros de todas as faces;

o As esferas se tocam umas às outras através de uma diagonal da face;

100

Estrutura CristalinaESTRUTURA CRISTALINA• CÚBICO DE FACE CENTRADA (CFC)

101


o RELAÇÃO ENTRE O RAIO ATÔMICO (R) E O PARÂMETRO DE REDE (a) PARA O SISTEMA CFC

22 2a a 4.r

2 22.a 16.r

2 2a 8.r

a 2.r. 2

o Cada átomo em um vértice é compartilhado por 8 células unitárias;

o Já os átomos das faces pertencem somente a duas células unitárias;

o Há 4 átomos por célula unitária na estrutura CFC. 1/8 de cada um dos 8 vértices, e metade de cada um dos 6 átomos localizados nas faces;

o É o sistema mais comum encontrado nos metais (Al, Fe, Cu, Pb, Ag, Ni,...).

102


103


o NÚMERO DE COORDENAÇÃO (CFC)

o Para a estrutura CFC o número de coordenação é 12.

104

Estrutura Cristalina• FATOR DE EMPACOTAMENTO ATÔMICO (CFC)

FEA = Número de átomos X Volume dos átomos Volume da célula unitária

Volume dos átomos = Volume Esfera = 4..R3/3

Volume da célula unitária = Volume Cubo = a3

Ou seja, 74% da célula unitária está preenchida com átomos.


3

3

4x4. .r3F.E.A

2.r. 2

CFCF.E.A 0,74

3

3

16. .r3F.E.A

16.r . 2

TABELA RESUMO PARA O SISTEMA CÚBICO

105


Célula Unitária

Átomos/ Célula

Número de Coordenação

Parâmetro de Rede FEA

CS 1 6 2R 0,52

CCC 2 8 4R/(3)1/2 0,68

CFC 4 12 4R/(2)1/2 0,74

106

Estrutura Cristalina

o Os metais não cristalizam no sistema hexagonal simples porque o fator de empacotamento é muito baixo.

o Entretanto, cristais com mais de um tipo de átomo cristalizam neste sistema.

ESTRUTURA CRISTALINA• HEXAGONAL SIMPLES (HS)

107

Estrutura CristalinaESTRUTURA CRISTALINA• HEXAGONAL COMPACTA (HC)

o O sistema Hexagonal Compac-

ta é mais comum nos metais (ex: Mg, Zn);

o Na HC cada átomo de uma dada camada está diretamente abaixo ou acima dos interstícios formados entre as camadas adjacentes.

108


o As faces inferior e superior da célula unitária são compostas por 6 átomos que formam hexágonos regulares e que se encontram em torno de um único átomo no centro;

o Um outro plano que fornece 3 átomos adicionais para a célula unitária está localizado entre os planos superior e inferior;

ESTRUTURA CRISTALINA• HEXAGONAL COMPACTA (HC)

109


o O número de coordenação?NC = 12 e, portanto, o fator de

empacotamento é o mesmo da CFC, ou seja, 0,74.

o Quantos átomos por célula unitária? 6 átomos/cel. unitária 1/6 de cada um dos 12 átomos

localizados nos vértices das faces superior e inferior = 2 átomos;

Metade de cada um dos dois átomos centrais localizados nas faces superior e inferior = 1 átomo;

3 átomos localizados no plano intermediário.


110


o Existem 2 parâmetros de rede representando os parâmetros de base (a) e de altura (c)


111


oCálculo dos parâmetros de rede:

112



113



114



115

Estrutura Cristalina• RAIO ATÔMICO E ESTRUTURA CRISTALINA DE

ALGUNS METAIS


116

Estrutura Cristalina• CÁLCULO DA DENSIDADE

o Um conhecimento da estrutura cristalina de um sólido metálico permite o cálculo da sua densidade ( = m/V) verdadeira que é obtida através da relação:

n = número de átomos da célula unitáriaA = peso atômicoVc = volume da célula unitáriaNA = Número de Avogadro (6,02 x 1023 átomos/mol)


C

n.A

V .NA

117


o Exercício 1: O cobre possui raio atômico de 0,128nm, uma estrutura cristalina CFC e um peso atômico de 63,5 g/mol. Calcule a sua densidade e compare a resposta com sua densidade medida experimentalmente.

o O valor encontrado na literatura para a densidade do cobre é de 8,94 g/cm³, que está de boa concordância com o resultado anterior.


3 3 23

4átomos / cel.unit. x 63,5g / mol

16.r . 2 cm x 6,023.10 átomos / mol

8 3 23

4átomos / cel.unit. x 63,5g / mol

16. 2 x 1,28.10 cm / cel.unit. x 6,023.10 átomos / mol

38,89g / cm

118


o Exercício 2: O ferro, na temperatura ambiente, tem estrutura CCC, raio atômico = 0,124 nm e peso atômico = 55,847g/mol. Calcular a sua densidade e comparar com a densidade obtida experimentalmente (7,87 g/cm³).

Dados: N° de Avogadro NA= 6,023 . 1023 átomos/mol


119

Estrutura Cristalina• POLIMORFISMO E ALOTROPIA

o Alguns metais e não-metais podem ter mais de uma estrutura cristalina dependendo da temperatura e pressão. Esse fenômeno é conhecido como polimorfismo.

o Geralmente as transformações polimórficas são acompanhadas de mudanças na densidade e mudanças de outras propriedades físicas.

o Quando encontrado em sólidos elementares, esta condição é frequentemente conhecida por alotropia.

o A estrutura cristalina de equilíbrio é dependente da temperatura e da pressão. O exemplo clássico é o carbono que pode ser amorfo, grafita ou diamante.


120

Estrutura Cristalina• POLIMORFISMO E ALOTROPIA

o O Fe apresenta estrutura cristalina CCC na temperatura ambiente. Entretanto a 912°C o Fe sofre uma transformação alotrópica para CFC. A transformação alotrópica é freqüentemente acompanhada por modificações de densidade e outras propriedades físicas.


121

Estrutura Cristalina• DIREÇÕES CRISTALOGRÁFICAS

o Qualquer linha (ou direção) do sistema de coordenadas pode ser especificada através de dois pontos.

o Um deles sempre é tomado como sendo a origem do sistema de coordenadas, geralmente (0,0,0) por convenção;

o a, b e c definem os eixos de um sistema de coordenadas em 3D.


122


o Um vetor com o comprimento conveniente é posicionado de tal modo que ele passa através da origem do sistema de coordenadas;

o Qualquer vetor pode ser movido através da origem do retículo cristalino sem sofre alterações, desde que seu paralelismo seja mantido;

o O comprimento da projeção do vetor sobre cada um dos 3 eixos é determinado. Estes são medidos em termos das dimensões da célula unitária, a, b e c;


123


o Estes 3 números são multiplicados ou divididos por um fator comum, a fim de reduzi-los aos mesmos valores inteiros;

o Os 3 índices, não separados por vírgulas, são colocados entre cochetes [u v w ].


124


o A escolha de uma origem é arbitrária, uma vez que cada ponto do reticulado cristalino é idêntico.

o A designação de pontos, direções e planos específicos fixados no espaço absoluto serão alterados caso a origem seja mudada, MAS ...

o...todas as designações serão auto-consistentes se partirem da origem como uma referência absoluta.

o Exemplo: Dada uma origem qualquer, haverá sempre uma direção [110] definida univocamente, e [110] sempre fará exatamente o mesmo ângulo com a direção [100].


o São representadas entre colchetes = [uvw]

125

Estrutura CristalinaESTRUTURA CRISTALINA• DIREÇÕES CRISTALOGRÁFICAS

o Se a subtração der negativa,

coloca-se uma barra sobre

o número.

126


o Os números devem ser divididos ou multiplicados por um

fator comum para dar números inteiros

127


• DIREÇÕES CRISTALOGRÁFICASo FAMÍLIA DE DIREÇÕES

• Para algumas estruturas cristalinas, várias direções não paralelas com índices diferentes são, na realidade, equivalentes;

• Isto significa que o espaçamento entre os átomos ao longo de cada direção é o mesmo.

• Por exemplo, em cristais cúbicos, todas as direções representadas pelos seguintes índices são equivalentes:

[100], [100], [010], [010], [001] e [001]

• Por conveniência as direções equivalentes são agrupadas em família, que é representada entre colchetes: 100

128

Estrutura CristalinaESTRUTURA CRISTALINA

129

Estrutura Cristalina• PLANOS CRISTALOGRÁFICOS

o IMPORTÂNCIA:

1. Para a determinação da estrutura cristalina:

• Os métodos de difração medem diretamente a distância entre planos paralelos de pontos do reticulado cristalino. o Esta informação é usada para determinar os

parâmetros do reticulado de um cristal.

• Os métodos de difração também medem os ângulos entre os planos do reticulado. o Estes são usados para determinar os ângulos

interaxiais de um cristal.


130


o IMPORTÂNCIA:

2. Para a deformação plástica:

• A deformação plástica (permanente) dos metais ocorre pelo deslizamento de discordâncias, escorregando uns sobre os outros no cristal.

• Este deslizamento tende a acontecer preferencialmente ao longo de planos direções específicos do cristal (mais densos).


131


o São representados de maneira similar às direções;

o A célula unitária é a base com sistema de coordenadas com 3 eixos

o Em todos os sistemas cristalinos, os planos cristalo-gráficos são representados pelos índices de Miller = (hkl)

o Quaisquer dois planos que sejam paralelos entre si são equivalentes tendo os mesmos índices.


132

Estrutura CristalinaESTRUTURA CRISTALINA• PLANOS CRISTALOGRÁFICOS

133


Planos (010)o São paralelos aos eixos x e z

(paralelo à face);

o Cortam um eixo (neste exemplo: y em 1 e os eixos x e z em );

o 1/ , 1/1, 1/ = (010).


134


Planos (110)o São paralelos a um eixo (z);

o Cortam dois eixos (x e y);

o 1/ 1, 1/1, 1/ = (110).


135


Planos (111)o Cortam os 3 eixos

cristalográficos;

o 1/ 1, 1/1, 1/ 1 = (111).


136

Estrutura Cristalina• FAMÍLIA DE PLANOS {110}


137



138



139

Para reflexão:

(1 João 4:10) “Nisto está o amor: não em que nós tenhamos amado a Deus, mas em

que ele nos amou a nós, e enviou seu Filho como propiciação pelos nossos

pecados.”

140

Estrutura Cristalina• PLANOS NO SISTEMA CÚBICO

o A simetria do sistema cúbico faz com que a família de planos tenham o mesmo arranjo e densidade;

o Deformação em metais envolve deslizamento de planos atômicos.

o O deslizamento ocorre mais facilmente nos planos e direções de maior densidade atômica (menor distorção atômica).


141

Estrutura Cristalina• DENSIDADE ATÔMICA LINEAR

o Direções equivalentes possuem densidades lineares idênticas;

o O vetor direção está posicionado de forma a passar através dos centros dos átomos , e a fração do comprimento da linha que é interceptada por estes átomos é igual à densidade linear.

DL = Lc / Ll

Lc= comprimento linear total que intercepta os círculos (a direção passa por quantos raios?).

Ll = comprimento linear dentro da célula unitária (comprimento do vetor);


142

Estrutura CristalinaESTRUTURA CRISTALINA• DENSIDADE ATÔMICA LINEAR

o Exercício: Calcule a densidade linear para a direção [100] em uma estrutura cristalina CCC.

Lc = 2.R , pois o vetor interceptou 2 círculos, ou seja, 2 raios foram

interceptados.

c

l

LDL L

4

3l ccc

RL a

2.4.

3

RR

0,866

143

Estrutura Cristalina• DENSIDADE ATÔMICA PLANAR

o Planos cristalográficos equivalentes possuem densidades planares idênticas;

o O plano de interesse está posicionado de tal modo que ele passa através dos centros dos átomos;

o A densidade planar é simplesmente a fração da área cristalográfica planar total que está ocupada pelos átomos;

DP = Ac /Ap

Ac= área total de círculos;

Ap= área planar da célula unitária.


144

Estrutura CristalinaESTRUTURA CRISTALINA• DENSIDADE ATÔMICA PLANAR

o Exercício: Calcule a densidade planar para o plano (110) em uma estrutura cristalina CFC.

Calculando a área do retangulo:

4.AC R

2. . 2CFCAD a R

.PA AC AD(4 ).(2 2)PA R R

28 2PA RCalculando a área total dos círculos:• ¼ de cada átomo A, C, D e F;• ½ dos átomos B e E;• Total = 2 círculos.

2(2)cA RC

P

ADP

A

2

2

2

8 2

R

R

0,555

145

Estrutura Cristalina• PLANOS DE MAIOR DENSIDADE ATÔMICA NO

SISTEMA CCC

o A família de planos {110} no sistema CCC é o de maior densidade atômica.


146

Estrutura Cristalina• PLANOS DE MAIOR DENSIDADE ATÔMICA NO

SISTEMA CFC

o A família de planos {111} no sistema CFC é o de maior densidade atômica.


147

Estrutura Cristalina• MATERIAIS POLICRISTALINOS

o A maior parte dos materiais são compostos por um conjunto de pequenos cristais ou grãos.

o Tais materiais são chamados PLOCRISTALINOS.

o Como a orientação cristalográfica é aleatória, o encontro de dois grãos forma uma superfície na qual existe um desarranjo atômico.

o Esta superfície é conhecida como contorno de grão.


148



149



150

Estrutura Cristalina• SÓLIDOS NÃO-CRISTALINOS

o Não possuem um arranjo atômico regular e sistemático ao longo de distâncias atômicas relativamente grandes.

o São chamados de AMORFOS ou líquidos super resfriados, visto que suas estruturas atômicas lembram as de uma líquido.

o Resfriamento rápido favorece a formação de um sólido não cristalino (pouco tempo disponível para o processo de ordenação).

o Geralmente os metais são cristalinos, alguns materiais cerâmicos são cristalinos, enquanto outros, os vidros inorgânicos são amorfos.

o Os polímeros podem ser completamente cristalinos, totalmente não cristalinos e uma mistura de ambos.


• ESTRUTURAS CERÂMICAS

o Compostas por pelo menos dois elementos.

o Compostos AX, AmXp com m e/ou p 1, AmBnXp.

o Estruturas mais complexas que metais.

o Ligações puramente iônica até totalmente covalente.

o Ligação predominante iônica: estruturas composta por íons (cátions – positivos e ânions – negativos).

o Número de Coordenação (número de ânions vizinhos mais próximos para um cátion) está relacionado com a razão: rC/rA..

151

ESTRUTURA CRISTALINA - CERÂMICAS

o Cátion (muito pequeno) ligado a dois ânions de forma linear.

o Cátions envolvido por três ânions na forma de um triângulo eqüilátero planar.

o Cátion no centro de um tetraedro.

o Cátion no centro de um octaedro.

o Ânions localizados em todos os vértices de um cubo e um cátion no centro. 152


Na+Cl-

• ESTRUTURA DO CLORETO DE SÓDIO (AX)

o Número de coordenação é 6 para ambos tipos de íons (cátions – e ânions +), rc/ra está entre 0,414 – 0,732.

o Configuração dos ânions tipo CFC com um cátion no centro do cubo e outro localizado no centro de cada uma das arestas do cubo.

o Outra equivalente seria com os cátions centrados nas faces, assim a estrutura é composta por duas redes cristalinas CFC que se interpenetram, uma composta por cátions e outra por ânions.

o Mesma estrutura: MgO, MnS, LiF, FeO.

153


Cs+Cl-

• ESTRUTURA DO CLORETO DE CÉSIO (AX)

o Número de coordenação é 8 para ambos tipos de íons.

o Ânions no vértice e cátion no centro do cubo.

o Intercâmbio de ânions e cátions produz a mesma estrutura cristalina.

o Não é CCC, pois estão envolvidos íons de duas espécies diferentes.

154


célula unitária do titanato de bário (BaTiO3)

• ESTRUTURA DO TITANATO DE BÁRIO (AmBnXp)

o Dois tipos de cátions (A e B);o Estrutura cristalina cúbica.

155


156


• CÁLCULO DA DENSIDADE

n’ = número de íons da fórmula (Ex: BaTiO3 = 1 Ba, 1Ti e 3O) dentro de cada célula unitária.

AC = soma dos pesos atômicos de todos os cátions.

AA = soma dos pesos atômicos de todos os ânions.

VC = Volume da célula unitária.

NA= Número de Avogadro (6,02 x 1023 átomos/mol).

AC

AC,

NV

)AA(n

157


• CARBONO

– DIAMANTE:• Possui uma estrutura cristalina onde cada átomo de

carbono se une fortemente, através de ligações covalentes, a quatro átomos de carbono.

• Isto resulta em uma estrutura muito rígida e muito polarizada, que é a estrutura natural mais rígida que existe.

158


• CARBONO

– DIAMANTE:• Além da dureza, o empacotamento dos átomos no

diamante é de tal ordem que aumenta a densidade do mineral.

• Notar na figura que a distância interatômica entre os átomos de carbono no diamante é 0,15nm.

• Na grafita esta distância é 0,67 nm.

159


• CARBONO

– GRAFITA:• A grafita (ou grafite) é uma das formas alotrópicas do

carbono com sistema hexagonal, negra, usada como mina de lápis e em diversos equipamentos e peças industriais.

• No grafite, os átomos de carbono estão arranjados em camadas e cada átomo está circundado por outros três, com os quais forma ligações simples ou duplas.

• As camadas são mantidas juntas por forças atômicas fracas de van der Waals.

• O comprimento da ligação carbono – carbono nas camadas é de 1,42Å (ou 0,142nm) e a distância entre as camadas é de 3,4Å (0,34nm).

160


• CARBONO

– GRAFITA:• O grafite, além de macio, é um bom condutor de calor

e eletricidade ao longo das camadas.

161


• CARBONO

– FULORENO:• Os fulerenos são a terceira forma mais estável do

carbono, após o diamante e o grafite. • Foram descobertos recentemente tornando-se

populares entre os químicos, tanto pela sua beleza estrutural quanto pela sua versatilidade para a síntese de novos compostos químicos.

162


• CARBONO

– FULORENO:• Foram chamados de "buckminsterfullerene" em

homenagem ao arquiteto R. Buckminster Fuller.• Sua forma é a de em domo geodésico composto por 12

pentágonos e 20 hexágonos. Sua fórmula é C60.• O fulereno C70, que se parece a uma bola de rugby,

tem mais hexágonos, porém com o mesmo número de pentágonos.

163


164

DETERMINAÇÃO DA ESTRUTURA CRISTALINA POR DIFRAÇÃO DE RAIO X

O FENÔMENO DA DIFRAÇÃO:Quando um feixe de raios x é dirigido à um material

cristalino, esses raios são difratados pelos planos dos átomos ou íons dentro do cristal

DIFRAÇÃO DE RAIO X

165


166

LEI DE BRAGG

n= 2 dhkl.sen

l é comprimento de onda;

• N é um número inteiro de ondas;

• d é a distância interplanar;

• O ângulo de incidência.

dhkl= a(h2+k2+l2)1/2

Válido para sistema cúbico


167

DISTÂNCIA INTERPLANAR (dhkl)• É uma função dos índices de Miller e do parâmetro

de rede:


12 2 2 2( )hkl

ad

h k l

168


169


170


171


172


173

O DIFRATOMÊTRO DE RAIOS X

• T= fonte de raio X• S= amostra• C= detector• O= eixo no qual a amostra e o

detector giram

Detector

Fonte

Amostra


174

DIFRATOGRAMA


175

DEFEITOS CRISTALINOS

• POR QUÊ ESTUDAR?

• As propriedades de alguns materiais são profundamente influenciadas pela presença de imperfeições.

• É importante ter um conhecimento sobre os tipos de imperfeições que existem e sobre os papéis que elas desempenham ao afetar o comportamento dos materiais.

• QUESTIONAMENTOS:

• Por que os cristais de silício empregados na produção de chips semicondutores contem dopantes (boro ou fósforo)?

• O que torna o aço mais duro e resistente que o ferro puro?

• Por que os metais CFC tendem a ser mais dúcteis que os metais CCC e HC?

176

DEFEITOS CRISTALINOSDEFEITOS CRISTALINOS

• Todos os materiais apresentam um grande número de defeitos e imperfeições em suas estruturas cristalinas.

“NÃO EXISTEM ESTRUTURAS CRISTALINAS PERFEITAS.”

• Diversas propriedades dos materiais metálicos são profundamente afetadas pela presença de defeitos cristalinos e freqüentemente, determinadas características são intencionalmente alteradas pela introdução de quantidades controladas de defeitos.

177


• Nitretação é um tratamento termoquímico da metalurgia em que se promove enriquecimento superficial com nitrogênio, usando-se de um ambiente nitrogenoso à determinada temperatura.

• Busca-se o aumento da dureza do aço até certa profundidade. O objetivo é difundir o nitrogênio. Para isso, um material com estrutura CCC é melhor para a difusão. Temperaturas abaixo de 720°C são ideais.

• Cementação é a introdução de carbono na superfície de um aço de baixo teor, através de uma reação química, em temperatura superior a da zona crítica desse aço.

• Visa a alteração da composição química de uma camada superficial do aço, de modo que após a têmpera e revenimento, esta camada apresenta uma dureza mais elevada do que a do núcleo.

178


http://pt.wikipedia.org/wiki/Nitrog%C3%AAnio

http://pt.wikipedia.org/wiki/A%C3%A7o

• As imperfeições ou defeitos cristalinos são classificados em três classes:

Imperfeições de pontuais:• Lacunas;

• Auto-intersticial;

• Impurezas;

• Soluções sólidas.

Imperfeições lineares:• Discordâncias;

• Maclas.

Imperfeições de superfície:• Contornos de fase; contornos de grão; contornos de macla...

179


• DEFEITOS PONTUAIS• São descontinuidades localizadas nos arranjos atômicos ou

iônicos. • Envolve normalmente um átomo ou íon, ou mesmo um par.

180

DEFEITOS CRISTALINOS - PONTUAIS

• DEFEITOS PONTUAIS• Podem ser criados pelo movimento dos átomos ou íons,

quando há aumento de energia decorrente de aquecimento, durante o processamento do material ou devido à introdução de impurezas ou dopagem.• Impurezas Elementos ou compostos químicos que se

originam de matérias-primas ou do processamento.• Dopantes Elementos ou compostos adicionados

deliberadamente, em condições conhecidas e em locais específicos da estrutura, para obter um efeito benéfico nas propriedades ou processamento.

• De modo geral, o efeito das impurezas é prejudicial, enquanto que o efeito dos dopantes é útil nas propriedades dos materiais.

181


• DEFEITOS PONTUAIS• Embora o defeito ocorra em apenas uma ou duas posições

atômicas sua presença afeta posições mais distantes no cristal.

182


• LACUNAS

o É a ausência de um átomo em uma posição atômica originalmente ocupada por um átomo.

o As LACUNAS ou VACÂNCIAS constituem o ÚNICO tipo de defeito que está em equilíbrio com o cristal. Assim o n° de lacunas para uma dada quantidade de material é função da temperatura de acordo com a equação:

183


• LACUNAS

o Exemplo: 1 m3 de Cobre possui 8.1028 átomos e a 1000°C apresenta Nv = 2.2 1025.

184


• AUTO-INTERSTICIAL

o É um átomo do cristal posicionado em uma sítio intersticial, que em circunstâncias normais estaria vago.

185



o Átomos ou íons intersticiais, embora menores que os átomos ou íons localizados nos pontos de rede, são maiores que os espaços intersticiais que ocupam => a região ao redor do defeito é comprimida e distorcida.

186



o Em pequenas concentrações, os átomos de carbono ocupam os interstícios da estrutura cristalina do ferro, introduzindo tensões mecânicas nas vizinhanças do átomo adicionado.

187



o Caso haja discordâncias nos cristais tentando se movimentar através desses defeitos, elas irão encontrar resistência ao movimento, o que reduz a capacidade de deformação permanente de metais e ligas.

188


• IMPUREZAS

o NÃO existe metal 100% puro;

o Átomos estranhos (impurezas ou elementos de liga) sempre estarão dispersos na estrutura cristalina; Estas impurezas são classificadas em duas classes:

189

o SUBSTITUCIONAIS - Na qual os átomos de soluto estão alocados em posições atômicas originalmente pertencentes ao átomo de solvente.

o INTERSTICIAIS - Na qual os átomos de soluto estão posicionados nos interstícios das células cristalinas do solvente.


• IMPUREZAS

o Os defeitos substitucionais perturbam o cristal, criando tensões em sua vizinhança.

o Podem ocorrer em razão da presença de impurezas ou da adição deliberada para formar ligas.

o Uma vez introduzidas, é independente da temperatura.

o Em geral, os átomos substitucionais elevam a resistência do material.

o Exemplos:

• Incorporação de dopantes, como o fósforo (P) e boro (B), ao silício.

• Acréscimo de cobre ao níquel.190


• SOLUÇÕES SÓLIDAS

o É obtida com a adição intencional de outros elementos (elementos de liga) no metal solvente.

o Do mesmo modo que os defeitos, as soluções sólidas também são classificadas em substitucionais e intersticiais.

191


• DISCORDÂNCIAS

o Uma discordância é um defeito cristalino linear no qual diversos átomos estão desalinhados e conseqüentemente provocam uma distorção na estrutura cristalina.

o Toda a teoria de deformação e endurecimento de metais é fundamentada na movimentação de discordâncias.

o Pode ser de 3 formas:

• DISCORDÂNCIA EM CUNHA OU ARESTA;

• DISCORDÂNCIA EM HÉLICE;

• DISCORDÂNCIAS MISTAS.

192

DEFEITOS CRISTALINOS - LINEARES

• DISCORDÂNCIA EM CUNHA (ARESTA)

o Pode ser entendida como um plano extra de átomos no reticulado que provoca uma imperfeição linear;

o Vetor de Burgues (b) representa a magnitude e a direção da distorção do reticulado;

193

o A magnitude desta distorção normalmente tem a ordem de uma distância Interatômica;

o Na discordância em cunha o vetor de Burgues é perpendicular a linha de discordância (plano extra).



o Pode ser entendida como um plano extra de átomos no reticulado que provoca uma imperfeição linear;

o Vetor de Burgues (b) representa a magnitude e a direção da distorção do reticulado;

194



195


• DISCORDÂNCIA EM HÉLICE OU ESPIRAL

o Pode ser imaginada como sendo o resultado da aplicação de uma tensão de cisalhamento;

o O vetor de Burgues é paralelo a linha de discordância A-B.

196





197





198


• DISCORDÂNCIA MISTA

o Os materiais metálicos só apresentarão discordâncias mistas.

199


• DISCORDÂNCIA

200


• DISCORDÂNCIA

201


• CONTORNOS DE FASE

o Os contornos de fase são as fronteiras que separam fases com estruturas cristalinas e composições distintas.

202

DEFEITOS CRISTALINOS - SUPERFICIAIS

• CONTORNOS DE GRÃO

o São superfícies que separam dois grãos ou cristais com diferentes orientações.

o Como são possíveis diferentes orientações entre cristais adjacentes existem contornos de grão “mais” ou “menos” ajustados:

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• CONTORNOS DE GRÃO

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• CONTORNOS DE MACLA

o Podemos considerar as maclas como um tipo especial de contorno de grão no qual existe uma simetria especular, ou seja, os átomos de um lado do contorno estão localizados em uma posição que é a posição refletida do outro lado.

o A região de material entre os contornos é chamada de macla.

o As maclas são resultantes de deslocamentos atômicos produzidos por tensões de cisalhamento (maclas de deformação) ou durante tratamento térmico (maclas de recozimento).

o A formação de maclas (maclação) ocorre em planos cristalográficos definidos e direções cristalográficas específicas, que são dependentes da estrutura cristalina.

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o Maclas de recozimento ocorrem em metais com estrutura CFC.

o Maclas de deformação ou mecânicas são observáveis em metais CCC e HC.

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DIFUSÃO

• É o fenômeno do transporte de material através do movimento dos átomos. É como os átomos se movem através dos sólidos:

o INTERDIFUSÃO: Processo segundo o qual os átomos de um metal se difundem para o interior de um outro metal.

DIFUSÃODIFUSÃO

Inicialmente Tempo # 0

o AUTODIFUSÃO: Difusão de um componente do material, quando todos os átomos que mudam de posição são do mesmo tipo.

NOTA: Existe uma tendência ou transporte líquidos dos átomos da região de alta concentração para a região de baixa concentração.

DIFUSÃODIFUSÃO

• MECANISMOS DE DIFUSÃO EM SÓLIDOS METÁLICOS:

o Difusão por lacunas ou substitucional:

• Envolve o deslocamento de um átomo de uma posição normal da rede cristalina para um sítio vago no retículo (lacunas); Átomos trocam de posição com as lacunas;

• Observada em impurezas substitucionais;

• A taxa de difusão depende do número de vazios e da energia de ativação para troca de posição;

O número de lacunas aumenta com a temperatura;

DIFUSÃODIFUSÃO

• MECANISMOS DE DIFUSÃO EM SÓLIDOS METÁLICOS:

o Difusão intersticial:

• Envolve átomos que migram de uma posição intersticial para outra vizinha que esteja vazia;

• Encontrado para a interdifusão de impurezas: C, H, N e O (átomos pequenos o bastante para ocupar posições intersticiais);

• Ocorre mais rapidamente que a difusão por lacuna pois os átomos intersticiais são menores => mais móveis;

• Além disso, existem mais posições intersticiais vazias do que lacunas.

DIFUSÃODIFUSÃO

• FLUXO DE DIFUSÃO

o O fluxo de difusão, J, é usado para determinar a velocidade com que uma difusão ocorre;

o Pode ser dada em função do número de átomos por área e tempo (at/m2.s) ou em termos do fluxo de massa (kg/m2.s) ;

M = massa difundida através do plano;

A = Área do plano;

t = tempo de difusão

DIFUSÃODIFUSÃO

• FATORES QUE INFLUENCIAM NO PROCESSO DE DIFUSÃO:

DIFUSÃO

Temperatura:

o Quando eleva-se a temperatura, eleva-se o coeficiente de difusão.

o Ex: Para a autodifusão do Fe no Fe (alfa), o coeficiente de difusão aumenta em aproximadamente seis ordens de magnitude (de 3,0x10-21 para 1,8x10-15 m2/s) ao se elevar a temperatura de 500 para 900ºC

DIFUSÃO

DIFUSÃO

Temperatura:

DIFUSÃO• FATORES QUE INFLUENCIAM NO PROCESSO DE DIFUSÃO:

Microestrutura:

o Os coeficientes de difusão se modificam com os caminhos de difusão disponíveis no material;

o Geralmente a difusão ocorre mais facilmente em regiões estruturais menos restritivas. Estrutura CCC;

o A difusão ocorremais rapidamente em materiais policristalinos do que em monocristais, devido à presença de contornos de grão e discordâncias nos primeiros.

Dif

usiv

idad

e (

m2/s

)

Superfície

Volume

Contornode grão

DIFUSÃODIFUSÃO• FATORES QUE INFLUENCIAM NO PROCESSO DE DIFUSÃO:

Difusão: migração discreta de átomos de sítio a sítio da rede/trocando posições;

2 Condições básicas:

um sítio adjacente vazio;

átomo deve ter energia suficiente (energia de vibração) para:

quebrar ligações com o átomo vizinho;

gerar distorção da rede.

Força MotrizGradiente de concentração Difusão de átomos

DIFUSÃO - ResumoDIFUSÃO - Resumo

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2 - ESTRUT ATOMICA - ESTRUT CRISTALINA - DEFEITOS - DIFUSÃO

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