MÓDULO 1: Ligação química, Estrutura cristalina

A Ciência dos Materiais faz parte do conhecimento básico para todas as

Engenharias, uma vez que as propriedades dos materiais definem o

DESEMPENHO de um determinado componente e o PROCESSO DE

FABRICAÇÃO do mesmo.

Estrutura Atômica e Ligação Química

Os átomos são representados pelo modelo de Bohr, onde um núcleo,

composto por nêutrons e prótons, é circundado por elétrons.

Representação do modelo atômico de Bohr

Cada átomo é composto por:

• Núcleo → prótons e nêutrons.

• Eletrosfera → elétrons, que circundam o núcleo.

Elétrons e prótons são carregados eletricamente.

• elétrons tem carga negativa;

• prótons tem carga positiva;

• nêutrons não tem carga.

Cada elemento é caracterizado:

• Pelo seu número atômico → número de prótons dentro do núcleo.

• Pela sua massa atômica → soma do número de prótons e do número de

nêutrons dentro do núcleo.

As propriedades macroscópicas dos materiais dependem essencialmente

do tipo de ligação entre os átomos. O tipo de ligação depende fundamentalmente

dos elétrons envolvidos na ligação, os quais são influenciados pelos prótons e

nêutrons que formam o núcleo atômico. Os prótons e nêutrons caracterizam

quimicamente o elemento e seus isótopos.

Ligações Atômicas

Existem mais de 100 elementos químicos. Deles, no entanto apenas 1/3

aparece com frequência na natureza.

Os elementos se ligam para formar os sólidos para atingir uma

configuração mais estável: oito elétrons na camada mais externa (Regra do

octeto).

A ligação química é formada pela interação dos elétrons de valência

através de um dos seguintes mecanismos:

• Ganho de elétrons

• Perda de elétrons

• Compartilhamento de elétrons

Tipos de ligações

As ligações químicas são as responsáveis pelas principais propriedades

dos materiais. Desta forma, devido à ligação metálica, com seus elétrons livres,

os metais são excelentes condutores de calor e energia elétrica, enquanto que

os polímeros e cerâmicas são excelentes isolantes, uma vez que os elétrons nas

respectivas ligações químicas, covalentes e iônicas, estão compartilhados ou

foram cedidos ao átomo vizinho.

Ligação iônica: na ligação iônica um ou mais elétrons são transferidos de um

átomo eletropositivo (metal) para outro mais eletronegativo (não metal).

Exemplos: cloreto de sódio (NaCl) e fluoreto de cálcio (CaF2).

Envolve uma ligação entre metal + não metal

Envolve a transferência de elétrons de um átomo para outro.

A ligação iônica resulta da atração eletrostática entre dois íons de cargas

opostas.

• A ligação é não-direcional.

• Grande diferença de eletronegatividade entre os elementos.

• É a ligação predominante nos materiais cerâmicos.

• Os materiais são duros e quebradiços.

• Bons isolantes térmicos e elétricos.

Ligação covalente: ligação covalente é aquela que se dá por compartilhamento

de um ou mais elétrons por dois ou mais átomos. Formam-se então um ou mais

pares comuns que pertencem a ambos os átomos presentes na ligação. Quando

2 ou mais átomos se ligam exclusivamente por ligação covalente, o conjunto

formado é chamado de MOLÉCULA.

A ligação covalente é a principal responsável pela formação das

estruturas moleculares dos compostos orgânicos e pelas estruturas moleculares

dos polímeros. Ex. polietileno (PE)

Alguns compostos cerâmicos, tais como, carbeto de silício (SiC), nitreto

de boro (BN) têm caráter covalente predominante, assim como o diamante.

• Envolve compartilhamente dos elétrons de valência de átomos

adjacentes.

• A ligação resultante é altamente direcional.

• Pequena diferença de eletronegatividade entre os elementos.

• É a ligação predominante nos compostos orgânicos, em polímeros e

semicondutores.

Ligação Metálica: os elétrons apresentam-se desvinculados de átomos

específicos, formando uma nuvem de elétrons.

Os metais têm entre um e três elétrons de valência. Esses elétrons não

estão ligados a um único átomo, mas encontram-se mais ou menos livres para

se movimentarem por todo o material, formando uma nuvem de elétrons, o que

os torna excelentes condutores térmicos e elétricos.

• A ligação resultante é não-direcional.

• Os elétrons de valência passam a se comportar como elétrons “livres”:

• Formam uma “nuvem de elétrons”.

• São bons condutores.

Resumo das ligações químicas

Exercícios:

1. Quais os tipos de ligações químicas existentes nos materiais metálicos,

cerâmicos e poliméricos.

Resp.: Materiais metálicos apresentam ligações químicas primárias do tipo

metálica, os materiais cerâmicos apresentam ligações químicas primárias do tipo

iônica ou covalente e os materiais poliméricos apresentam ligações químicas

primárias do tipo covalente.

Estrutura Cristalina

Os materiais sólidos podem ser classificados de acordo com a

regularidade segundo a qual seus átomos ou íons estão arranjados uns em

relação aos outros.

Os materiais que não se cristalizam não apresentam ordem atômica de

longo alcance. Esses materiais são chamados de não cristalinos ou amorfos.

Um material cristalino é aquele em que os átomos estão situados em

posições de uma matriz que se repete, é periódica, ao longo de grandes

distâncias atômicas. Algumas das propriedades dos sólidos cristalinos

dependem da estrutura cristalina do material, ou seja, da maneira pela qual os

átomos, íons ou moléculas estão arranjados no espaço.

Ao descrever as estruturas cristalinas, os átomos são considerados

esferas sólidas rígidas com diâmetros bem definidos. Isso é conhecido por

modelo da esfera atômica rígida, no qual as esferas que representam os átomos

vizinhos mais próximos tocam-se umas nas outras. Rede cristalina é uma matriz

tridimensional de pontos que coincidem com posições dos átomos (ou os centros

de esferas).

Estrutura cristalina – os átomos estão arrumados de forma a constituírem uma

rede cristalina regular no espaço, com posições definidas entre si. Existem 14

arranjos cristalinos diferentes que se agrupam em sete sistemas diferentes

(sistema de Bravais).

Os 14 arranjos de Bravais.

Célula unitária – o menor volume que, por repetição no espaço, reproduz o

reticulado cristalino. Uma célula unitária e escolhida para representar a simetria

da estrutura cristalina, onde todas as posições de átomos no cristal podem ser

geradas através de translações das distâncias integrais da célula unitária ao

longo de cada uma das suas arestas. Assim sendo a célula unitária consiste na

unidade estrutural básica ou bloco construtivo básico da estrutura cristalina.

Estrutura Cristalina nos Metais

A ligação nesse grupo de materiais é metálica, e sua natureza é não

direcional. Existem três estruturas cristalinas relativamente simples para a

maioria dos metais mais comuns, são elas:

1. Cúbica de Faces Centradas (CFC);

2. Cúbica de Corpo Centrado (CCC);

3. Hexagonal Compacta (HC).

Estrutura Cúbica de Face Centrada (CFC)

A estrutura cristalina encontrada em muitos metais possui uma célula

unitária com geometria cúbica, com os átomos localizados em cada um dos

vértices (1/8 de átomos em cada vértice) e meio átomo nos centros de todas as

faces do cubo. Essa estrutura é chamada de estrutura cristalina cúbica de faces

centradas (CFC). Alguns dos metais mais familiares que possuem essa estrutura

cristalina são o cobre, o alumínio, a prata e o ouro.

A aresta da célula unitária CFC possui a seguinte dimensão:

���� �4�

√2� 2√2�

Representação da estrutura CFC

Estrutura Cúbica de Corpo Centrado (CCC)

Outra estrutura cristalina metálica comumente encontrada também possui

célula unitária cúbica, com 1/8 de átomo localizados em todos os oito vértices e

um único outro átomo localizado no centro do cubo. Essa estrutura é conhecida

por estrutura cristalina cúbica de corpo centrado (CCC). O cromo, o ferro e o

tungstênio, assim como diversos outros metais, exibem uma estrutura cristalina

do tipo CCC.

A aresta da célula unitária CCC possui a seguinte dimensão:

���� �4�

√3�4√3

3�

Representação da estrutura CCC

Estrutura Cristalina Hexagonal Compacta (HC)

A última estrutura cristalina comumente encontrada nos metais possui

uma célula unitária com formato hexagonal. As faces superior e inferior da célula

unitária são compostas por seis átomos que formam hexágonos regulares e que

se encontram ao redor de um único átomo central. Outro plano que contribui com

três átomos adicionais para a célula unitária está localizado entre os planos

superior e inferior. Os átomos localizados nesse plano intermediário possuem

como vizinhos mais próximos átomos em ambos os planos adjacentes. O

equivalente a seis átomos está contido em cada célula unitária; um sexto de cada

um dos 12 átomos localizados nos vértices das faces superior e inferior, metade

de cada um dos dois átomos no centro das faces superior e inferior, e todos os

três átomos interiores que compõe o plano intermediário. Os metais HC são o

cádmio, o magnésio, o titânio e o zinco.

Representação da estrutura CFC

Polimorfismo ou Alotropia

Alguns metais e não metais podem ter mais de uma estrutura cristalina

dependendo da temperatura e pressão. Esse fenômeno é conhecido como

polimorfismo. Geralmente as transformações polimórficas são acompanhadas

de mudanças na densidade e mudanças de outras propriedades físicas

Fator de Empacotamento Atômico (FEA)

Representa o volume da célula unitária efetivamente ocupado pelos

átomos.

�� � ������������

�����������������

Fator de Empacotamento Atômico para as principais

estruturas cristalinas presentes nos metais.

Imperfeições estruturais ou defeitos cristalinos.

Defeito cristalino é uma imperfeição ou um “erro” no arranjo periódico

regular dos átomos em um cristal. Podem envolver uma irregularidade na

posição ou tipo de átomo.

Apenas uma pequena fração dos sítios atômicos é imperfeita. Cerca de

menos de 1 em 1 milhão

Mesmo sendo poucos eles influenciam muito nas propriedades dos

materiais e nem sempre de forma negativa

Defeitos cristalinos

Entre os principais defeitos cristalinos apresentados pelos metais estão

as vacâncias e átomos intersticiais (defeitos pontuais), as discordâncias (defeitos

lineares), os contornos de grão e superfícies externas (defeitos interfaciais) e

inclusões, porosidade e fases (defeitos volumétricos).

Exercícios

1. Na célula unitária do sistema cúbico simples há efetivamente:

a) 8 átomos

b) 6 átomos

c) 4 átomos

d) 2 átomos

e) 1 átomo

Resp.: e) Como há apenas 1/8 de átomo por vértice e 8 vértices ela é

representada por 1 único átomo

2. O diamante e o grafite são duas substâncias formadas a partir de átomos de

carbono e, no entanto, apresentam propriedades muito diferentes. Assinale a

alternativa errada.

a) No diamante a ligação entre os átomos de carbono tem uma geometria

hexagonal que dá simetria espacial ao cristal conferindo-lhe altíssima

dureza.

b) O grafite pode conduzir eletricidade.

c) No diamante a ligação entre os átomos de carbono tem geometria

tetraédrica.

d) O grafite tem estrutura cristalina hexagonal compacta.

e) As ligações dos átomos de carbono no diamante são de natureza

covalente.

Resp.: a)