Estruturas cristalinas de Metais

Apresentação em tema: "Estruturas cristalinas de Metais"— Transcrição da apresentação:

1 Estruturas cristalinas de Metais
QUÍMICA (Eng. Civil+Minas) 2014/15 14ª Aula Estruturas cristalinas de Metais Docente: Ana Maria Rego

2 DESLOCALIZAÇÃO DE TODOS OS ELECTRÕES
Aplicabilidade do modelo do electrão livre: Metais descritos como redes de átomos ionizados (iões), ordenados segundo um critério de economia de espaço (modelo das esferas rígidas). A coesão entre estes iões é assegurada pelos electrões de valência ionizados, supostos livres (deslocalizados).

3 CRITÉRIOS DE ECONOMIA DE ESPAÇO
Empilhamentos Densos de Esferas Uma dimensão (linha de átomos): Duas dimensões (plano de átomos): Interstício 120º

4 Tetraédricos Octaédrico CRITÉRIOS DE ECONOMIA DE ESPAÇO
Empilhamentos Densos de Esferas Interstício no plano de baixo mas não no plano de cima Três dimensões: Tetraédricos Interstício no plano de cima mas não no plano de baixo Interstício no plano de baixo e no plano de cima Octaédrico

5 CRITÉRIOS DE ECONOMIA DE ESPAÇO
Empilhamentos Densos de Esferas Interstício no plano de baixo e no plano de cima Três dimensões: Interstício em todos os planos Interstício só no plano do meio O terceiro plano coincide com o 1º  Sequência ABABAB.... Estrutura Hexagonal compacta (HC) Cada átomo apresenta 12 átomos em primeira vizinhança (tangentes entre si): 6 no mesmo plano, mais 3 no plano inferior e mais 3 no plano superior  um índice de coordenação 12.

6 CRITÉRIOS DE ECONOMIA DE ESPAÇO
Empilhamentos Densos de Esferas Interstício no plano de baixo e no plano de cima Três dimensões: Interstícios no plano de baixo e no plano do meio Interstício no plano do meio e no de cima Os três planos são diferentes  Sequência ABCABCABC.... Estrutura Cúbica de Faces Centradas (CFC) Cada átomo apresenta 12 átomos em primeira vizinhança (tangentes entre si): 6 no mesmo plano, mais 3 no plano inferior e mais 3 no plano superior  um índice de coordenação 12.

7 Compacidade de estruturas
Uma dimensão Linhas compactas A escolha do comprimento não pode ser arbitrária. A melhor escolha é um segmento com extremidades em pontos equivalentes da linha. L Pontos indubitavelmente equivalentes são os centros dos átomos. Linhas não compactas h 2r 2r+h

8 h Duas dimensões Compacidade de estruturas Plano de máxima compacidade
Mesmo no plano mais compacto, não é possível preencher toda a superfície.

9 Estrutura Hexagonal compacta (HC)

10 Estrutura Cúbica de faces centradas (CFC)
Diagonal do cubo A C A 3 distâncias interplanares

11 Estruturas Semicompactas
Estrutura Cúbica Simples (CS) Cada átomo apresenta 6 átomos em primeira vizinhança (tangentes entre si): 4 no mesmo plano, mais 1 no plano inferior e mais 1 no plano superior  um índice de coordenação 6.

12 Estruturas Semicompactas
Estrutura Cúbica de Corpo Centrado (CCC) 109º 28’ 70o 32’ Sobreposição tipo ABAB Plano semicompacto de átomos distorcido a 70o 32’ Cada átomo apresenta 8 átomos em primeira vizinhança (tangentes entre si)  um índice de coordenação 8.

13 Determinação da Massa Volúmica Teórica, , de um Metal
Massa de átomos na célula base = nº de átomos na célula base  mátomo mátomo = Massa atómica molar (M)/Nº de Avogadro (NA) Volume da célula base = aresta3 (nas estruturas cúbicas) Estrutura Cúbica Simples (CS) Volume da célula base = a3 = (2r)3 1 átomos em cada vértice do cubo. Só 1/8, de cada um destes átomos, pertence ao cubo a=2r nº de átomos na célula base = 1/8  8 (vértices) = 1 =1M/[(2r)3NA]

14 Estrutura Cúbica de Corpo Centrado (CCC)
(Teorema de Pitágoras) Número de átomos da célula base cúbica de corpo centrado (C.C.C.) = 81/8 + 1= 2 Vértices Centro do cubo Volume da célula base cúbica de corpo centrado (C.C.C.), V = a3

15 Estrutura Cúbica de Faces Centradas (CFC)
Volume da célula base cúbica de faces centradas (C.F.C.), V = a3 Número de átomos da célula base cúbica de faces centradas (C.F.C.) = = 81/8 + 61/2= 4 Centro das 6 faces Vértices

16 Estrutura Hexagonal Compacta (HC)
Número de átomos da célula base hexagonal compacta (H.C.) = = 12  1/6 + 2  ½ + 3 = 6 Vértices Plano do centro do prisma hexagonal Centro da base Volume da célula base hexagonal compacta (H.C.): A massa volúmica é igual à que foi obtida para a estrutura CFC dado que as duas estruturas têm a mesma compacidade.

17 Espaços Intersticiais ou Interstícios das Estruturas Compactas
Tetraedro Octaedro Maior esfera que cabe no interstício Interstício Tetraédrico Interstício Octaédrico

18 Onde estão os interstícios na célula CFC?
Interstícios octaédricos no centro e nas arestas da CFC Nº de interstícios octaédricos na CFC =  ¼ = 4 = = Nº de átomos na CFC Interstícios tetraédricos no cubo de faces centradas= 1 por cada vértice Nº de interstícios tetraédricos na CFC = 1  8 = 8 = 2  Nº de átomos na CFC

19 CCC HC CCC HC CFC CCC CFC HC HC CCC CCC CCC CCC HC CFC CFC HC CFC CCC CFC HC HC CCC CCC HC HC CFC CFC CFC HC CCC CCC HC HC CCC CCC HC HC CFC CFC CFC HC CFC CCC CCC CFC

20 Modos de Bravais

21 Defeitos em cristais

22 Defeitos pontuais estruturais
Lacuna atómica Átomo intersticial

23 Defeitos pontuais químicos
Átomo de substituição Átomo (diferente) intersticial São raros (He) os átomos suficientemente pequenos para não deformarem os interstícios

24 Ligas

25 Substituição (dois ou mais metais) Soluções sólidas LIGAS
Intersticiais (metal + não metal) Compostos intermetálicos (dois ou mais metais de electronegatividades muito diferentes) Condições a que dois elementos devem obedecer para que uma liga de substituição entre eles ocorra em toda a gama de concentrações: (1) as dimensões relativas dos átomos constituintes não devem diferir em mais de 15% (2) as estruturas cristalinas que os componentes puros apresentam devem ser iguais (3) as respectivas electronegatividades devem ser o mais semelhantes possível (4) devem ter o mesmo número de electrões de valência. Uma liga intersticial ocorre sempre numa gama de concentrações muito limitada porque os elementos não metálicos são geralmente demasiado grandes para caberem nos interstícios sem os deformarem (com excepção do Hidrogénio e do Hélio).

26 Estruturas cristalinas dos metais
Sumário Estruturas cristalinas dos metais Modelo das esferas rígidas Critério de economia de espaço: direcções, planos e estruturas 3D máxima compacidade (HC e CFC) Outras estruturas menos compactas (CCC e CS) Estimativa de massas volúmicas Defeitos em estruturas Ligas metálicas