Trabalho Química

UNIVERSIDADE FEDERAL RURAL DO SEMI-ARIDO

DEPARTAMENTO DE AGROTECNOLOGIA E CIÊNCIAS SOCIAIS

BACHARELADO EM CIÊNCIA E TECNOLOGIA

QUIMICA APLICADA A ENGENHARIA

ESTRUTURAS CRISTALINAS EM MATERIAIS CONDUTORES E EM MATERIAIS ISOLANTES

e

TÓPICOS DE CIÊNCIAS DOS MATERIAIS

Jéssica Paula Simplício  Albano

Mariana Medeiros

Mossoró – RN

2013

Introdução

        Todos os materiais são constituídos de átomos. Durante o final do século XIX e inicio do século XX surgiram várias teorias para explicar a natureza e a estrutura dos átomos, á medida que as técnicas de investigação e as ferramentas matemáticas de análise foram se desenvolvendo. As pesquisas e experiências realizadas evoluíram o conceito do átomo, desde a visão simplista grega do átomo pequeno e indivisível até se chegar ao modelo atual, que é baseado na mecânica quântica, onde o átomo é composto de diversas subpartículas atômicas, sendo as mais conhecidas os elétrons, os prótons e os neutros.

Desenvolvimento

Estruturas Cristalinas

        A estrutura dos materiais sólidos é resultado da natureza de suas ligações química, a qual define a distribuição espacial de seus átomos, íons ou moléculas.  Os sólidos podem ser cristalinos ou amorfos.

        Em um solido cristalinos os átomos, os íons ou moléculas estão ordenados em arranjos bem-definidos. Esses sólidos geralmente têm superfícies planas ou faces que fazem ângulos definidos entre si. As pilhas regulares de partículas que produzem essas faces também fazem com que os sólidos tenham formas altamente regulares.

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Figura 1 - Ex. de sólido cristalino: Diamante

        Os sólidos amorfos são aqueles cujas partículas não têm estrutura regular. Eles não possuem faces e formas bem definidas. Muitos sólidos amorfos são misturas de moléculas que não se encaixam muito bem. A maioria dos outros são compostos de moléculas grandes e complicados. Sólidos amorfos familiares incluem a borracha e o vidro.

        Como as partículas de um solido amorfo não apresentam uma ordem definida em longas distancias, as forças intermoleculares variam em intensidade por toda a amostra. Assim, os sólidos amorfos não se fundem a temperaturas especificas. Em vez disso, eles se tornam macios durante uma faixa de temperatura à proporção que as forças intermoleculares de varias intensidades são rompidas. Um sólido cristalino, ao contrario, funde-se as temperaturas específicas.

        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 referencias, definidos como parâmetros de rede, e aos ângulos entre tais eixos, pode-se obter células unitárias de diversos tipos. Ou seja, a unidade de um sólido que se repete o tijolo cristalino, é conhecida como célula unitária.

        Um sólido cristalino pode ser representado por uma rede tridimensional de pontos, cada um dos quais representa uma vizinhança idêntica no cristal. Tal rede de pontos é chamada rede cristalina.

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Figura 2 - Célula unitária de um cristal de sal (NaCl)

        Cada célula unitária pode ser descritas pelo comprimento das arestas das células e pelos ângulos entre as arestas. As redes de todos os compostos cristalinos podem ser descritos por sete tipos básicos de células unitárias. A mais simples delas é a célula unitária cúbica, na qual todos os lados são iguais em comprimento e todos os ângulos são de 90°.

        Existem três tipos de células unitárias cubicas. Quando os pontos de rede estão tão somente nos vértices, a célula unitária é chamada cúbica simples. Quando também aparece um ponto de rede no centro das células unitária, a célula é cúbica de corpo centrado. E quando a célula tem pontos de rede no centro de cada face, bem como em cada vértice, ela é cúbica de face centrada.  

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Figura 3 - Os três tipos de células unitárias principais.

As estruturas cristalinas estão presentes em diversos materiais, em que os átomos distribuídos dentro de sua estrutura formam uma rede chamada retículo cristalinos. O reticulado cristalino é uma rede de pontos que se prolonga infinitamente nas três direções do espaço.

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Figura 4 - Parâmetros de rede e ângulos dos sete sistemas cristalinos

        As propriedades dos sólidos dependem tanto do arranjo das partículas quanto das forças atrativas entre elas. Os sólidos moleculares, que constituem em átomos ou moléculas mantidos juntos por forças intermoleculares, são macios e tem baixos pontos de fusão. Os sólidos covalentes, que consistem em átomos mantidos juntos por ligações covalentes que se estendem por todo o sólido, são duros e têm altos pontos de fusão. Os sólidos iônicos são duros e quebradiços e tem altos pontos de fusão. Os sólidos metálicos, que consistem em cátions metálicos mantidos juntos por um ‘mar’ de elétrons, exibem larga faixa de propriedades.

           Designam-se por cristais moleculares os cristais constituídos por moléculas interligadas entre si por forças de Van der Waals ou, em determinados casos, por pontes de hidrogénio.

          Uma das características dos cristais moleculares é o facto de terem pontos de fusão e de ebulição geralmente baixos. De facto, como as forças de ligação intermoleculares são de baixa intensidade, também é baixo o valor de energia necessário para fundir ou vaporizar os cristais moleculares. Tal, faz com que a maior parte dos cristais moleculares apenas existam a baixas temperaturas. Nas condições de temperatura média ambiental, tornam-se líquidos ou gases. É o caso da água (H2O), que apenas forma cristais de gelo abaixo dos 0ºC.

           Um Cristal Iônico é um sólido isolante formado por íons positivos e íons negativos, que se atraem com forças Coulombianas. A atração eletrostática é responsável pela ligação dos íons, o ponto de fusão é alto, também, apresentam função de isolantes elétricos, possuem a característica de serem firmes e quebradiços. O exemplo mais simples é o cristal de NaCl, onde o íon de Na+ e o íon de Cl- atraem-se eletrostaticamente para formar o cristal. De modo geral, quanto menor for o raio do íon e quanto maior for a sua carga, maior será o ponto de fusão e ebulição do composto por ele formado.