A Estrutura Cristalina

ESTRUTURA CRISTALINA

        A estrutura física dos materiais sólidos depende fundamentalmente do arranjo estrutural de seus átomos, íons e ou moléculas. A grande maioria dos materiais comumente utilizados em engenharia, particularmente os metálicos, exibe um arranjo geométrico de seus átomos bem definido, constituindo uma estrutura cristalina. Um material cristalino, independente do tipo de ligação encontrada no mesmo, caracteriza-se por apresentar um agrupamento ordenado de seus átomos, íons ou moléculas, que se repete nas três dimensões.         Os arranjos atômicos em um sólido cristalino podem ser descritos usando, como referência, os pontos de intersecção de uma rede de linhas nas três dimensões. Em um cristal ideal, o arranjo destes pontos em torno de um ponto particular deve ser igual ao arranjo em torno de qualquer outro ponto da rede cristalina. Dessa maneira, é possível descrever um conjunto de pontos ou posições atômicas repetitivo, denominado de célula unitária. Uma célula unitária é também definida como a menor porção do cristal que ainda conserva as propriedades originais do mesmo. Através da adoção de valores específicos, como parâmetros axiais e ângulos interaxiais, pode-se obter células unitárias de diversas naturezas. O estudo da estrutura interna dos materiais necessita da utilização de 7 arranjos atômicos básicos, que podem representar as estruturas de todas as substâncias cristalinas conhecidas (Tabela III.1. Geometria dos sistemas cristalinos).[pic 1]

        

        Estes 7 arranjos atômicos básicos definem 7 sistemas cristalinos. Partindo desses sistemas, A. J. Bravais derivou 14 células unitárias, que permitem descrever qualquer estrutura cristalina possível mostradas na Figura 1.[pic 2]

Figura 1 - Arranjo Atômicos de Bravais.

Principais Estruturas Cristalinas.

        A maioria dos elementos metálicos transforma-se de líquido para sólido assumindo estruturas altamente densas, quais sejam: cúbica de corpo centrado (CCC), cúbica de face centrada (CFC) e hexagonal compacta (HC), que são mostradas na figura 2. A estrutura hexagonal compacta é na verdade uma modificação da estrutura hexagonal simples. A maioria dos metais cristalizam-se seguindo estes arranjos compactos, pois a energia é liberada com a aproximação dos átomos. Assim, uma estrutura densa apresenta nível de energia mais baixo e, portanto, mais estável. As dimensões de células unitárias metálicas são extremamente pequenas.

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Figura 2 - Célula Unitária de Maior Importância em estudos cristalográficos: CCC, CFC e HC.

Cristais Cúbicos

        A estrutura cúbica é uma das que ocorrem com maior frequência nas substâncias cristalinas e é considerada a de maior importância. Dependendo da posição que os átomos ocupam na estrutura cúbica, as mesmas podem ser classificadas em cúbica simples (CS), cúbica de corpo centrada (CCC) e cúbica de face centrada (CFC).

Célula Cúbica Simples (CS)

        Neste arranjo atômico existe um átomo em cada vértice de um cubo. Uns parâmetros de grande importância no estudo das estruturas cristalinas é o parâmetro de rede. No caso da estrutura CS, o parâmetro de rede é dado pelo tamanho da aresta deste cubo, ou seja, a= 2R, onde R é o raio atômico. A figura 3, mostra a representação Esquemática de tal célula cristalina.

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Figura 3 - Representação Esquemática de uma célula Unitária.

        Como forma de classificar o nível de ocupação por átomos em uma estrutura cristalina, define-se o “fator de empacotamento (F.E.)”, que é dado por (Figura 4):

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Célula Cúbica de Corpo Centrado (CCC).

        Neste arranjo estrutural existe um átomo em cada vértice de um cubo e outro átomo no centro do mesmo, como mostra a figura 4. Esta estrutura pode ser encontrada no tungstênio, tântalo, bário, nióbio, lítio, potássio, vanádio, cromo, etc. Nesse caso, o fator de empacotamento pode ser calculado:

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Figura 4 - Representação Esquemática de uma Célula Cúbica de Corpo Centrado (CCC)

Célula Cúbica de Face Centrada (CFC).

        Este arranjo caracteriza-se por exibir os mesmo átomos nos vértices encontrados nos outros dois arranjos cúbicos e mais 1 átomo em cada face do cubo. A estrutura cúbica de face centrada é a estrutura do alumínio, cálcio, níquel, cobre, prata, ouro, platina, chumbo, etc. Neste caso existe um total de quatro átomos no interior da célula unitária. A figura 5 apresenta um diagrama esquemático desta estrutura.

        O parâmetro de rede no caso da estrutura CFC pode ser obtido através da diagonal da face, ou:

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Figura 5 - Representação Esquemática de uma Célula Cúbica de Face Centrada (CFC)

Cristais Hexagonais

        As estruturas cristalinas hexagonais, juntamente com as estruturas cúbicas, formam os arranjos atômicos dos principais cristais elementares ou aqueles formados por 1 único átomo. Destes cristais, aproximadamente 52 % apresentam estrutura cúbica, 28% exibem estrutura hexagonal e os 20% restantes estão distribuídos entre os outros 5 tipos estruturais. Isto faz com que a estrutura hexagonal tenha grande importância em cristalografia, o que torna necessário o estudo da mesma. Existem dois tipos de arranjo hexagonal, quais sejam: hexagonal simples e hexagonal compacto.

Célula Hexagonal Simples (HS).

        Esta estrutura é formada por dois hexágonos sobrepostos, e em cada vértice destes hexágonos, existe um átomo. Outro átomo localiza-se no centro de cada hexágono. A estrutura cristalina hexagonal simples pode ser representada pelo arranjo hexagonal mostrado na figura 6. Esta estrutura cristalina pode ser encontrada no selênio e no telúrio. O número de átomos existentes no interior de uma célula hexagonal simples é 3. O fator de empacotamento de cristais hexagonais simples: