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Estruturas Cristalinas

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ESTRUTURAS CRISTALINAS
INTRODUÇÃO A estrutura dos materiais sólidos é resultado da natureza de suas ligações químicas, a qual define a distribuição espacial de seus átomos, íons ou moléculas. A grande maioria dos materiais comumente utilizados em engenharia, particularmente os metálicos, exibe um arranjo geométrico de seus átomos bem definido, constituindo umaestrutura cristalina. Um material cristalino, independente do tipo de ligação encontrada no mesmo, apresenta um agrupamento ordenado de seus átomos, íons ou moléculas, que se repete nas três dimensões. Nesses sólidos cristalinos, essa distribuição é muito bem ordenada, exibindo simetria e posições bem definidas no espaço. Em estruturas cristalinas, o arranjo de uma posição em relação a uma outraposição qualquer deve ser igual ao arranjo observado em torno de qualquer outra posição do sólido, ou seja, qualquer posição em uma estrutura cristalina caracteriza-se por apresentar vizinhança semelhante.

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Estruturas Cristalinas

A partir do conceito de estrutura cristalina, onde, é possível descrever um conjunto de posições atômicas, iônicas ou moleculares repetitivas, surge o conceitode célula unitária. Uma célula unitária é definida como a menor porção do cristal que ainda conserva as propriedades originais do mesmo. Através da adoção de valores específicos associados às unidades de medidas nos eixos de referências, definidos como parâmetros de rede, e aos ângulos entre tais eixos, pode-se obter células unitárias de diversos tipos. Em meados do século passado, o cientistafrancês A. Bravais propôs que o estudo das estruturas cristalinas poderia ser elaborado com a utilização de sete sistemas cristalinos básicos. Partindo desses sete sistemas cristalinos seria possível descrever 14 células unitárias, as quais englobariam qualquer tipo de estrutura cristalina conhecida. Na tabela 3.1 são mostradas as principais características desses arranjos no tocante a parâmetros derede e ângulos entre eixos. Na figura 3.1 são apresentados as células unitárias de Bravais.

Tabela 3.1. Parâmetros de rede e ângulos dos sete sistemas cristalinos de Bravais.

SISTEMAS

EIXOS

ÂNGULOS ENTRE OS EIXOS

CÚBICO TETRAGONAL ORTORRÔMBICO MONOCLÍNICO TRICLÍNICO HEXAGONAL ROMBOÉDRICO

a=b=c a=b≠c a≠b≠c a≠b≠c a≠b≠c a1=a2=a3≠c a=b=c

Todos os ângulos = 900 Todos os ângulos =900 Todos os ângulos = 900 2 ângulos = 900 e 1 ângulo ≠ 900 Todos ângulos diferentes e nenhum igual a 900 3 ângulos = 900 e 1 ângulo = 1200 Todos os ângulos iguais, mas diferentes de 900

Estruturas Cristalinas

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a a

a a a a

a a a

CÚBICO

a

a

c

β

c

β

c

c

b

a

b

a

a

a

MONOCLÍNICO

TETRAGONAL

b

b

b

b b

c

c

c

c

aa

a

a

ORTORRÔMBICO

γ α c β α α b a α

a a a c

a

a

a

TRICLÍNICO

ROMBOÉDRICO

HEXAGONAL

Figura 3.1. Células unitárias do arranjos cristalinos de Bravais.

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Estruturas Cristalinas

ESTRUTURAS CRISTALINAS COMPACTAS Bravais sugeriu a existência de 14 tipos de arranjos cristalinos, porém, alguns desses ocorrem com maior freqüência que outros. A maioria doselementos, principalmente aqueles com caráter metálico elevado, transforma-se de líquido para sólido assumindo estruturas altamente densas, como mostra a tabela 3.2. Nesse caso não existem restrições em relação à direcionalidade das ligações (ligações covalentes) ou restrições associadas à neutralidade da rede e a fatores geométricos (ligações iônicas). Uma avaliação mais aprofundada dos arranjoscristalinos de Bravais revela que as estruturas cúbica de corpo centrado (CCC), cúbica de face centrada (CFC) e hexagonal compacta (HC) são aquelas que permitem maior grau de empacotamento atômico. A estrutura hexagonal compacta é na verdade uma modificação da estrutura hexagonal simples, já mostrada anteriormente.

Exemplo 3.1 O chumbo exibe estrutura CFC. Qualquer quantidade de chumbo sólido...
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