Estrutura Cristalina

ESTRUTURA CRISTALINA: A palavra estrutura vem do latim structura, derivada do verbo stuere, construer. No sentido mais geral, ela significa organização das partes ou dos elementos que formam um todo.

Robert Hooke em 1665, foi um dos pioneiros a estabelecer relação entre a forma externa de um cristal e sua estrutura interna.

Em 1784, René Just deu um passo além e propôs que os cristais poderiam ser entendidos como um empacotamento de unidades romboédricas que ele denominou “moléculas integrantes”.

Um cristal geralmente é definido como um sólido com seus átomos arranjados em um reticulado periódico tridimensinal.

Idealmente, o arranjo mais estável dos átomos em um cristal será aquele que minimiza a energia livre por unidade de volume ou, em outras palavras, aquele que:

preserva a neutralidade elétrica

satisfaz o caráter direcional das ligações covalente

minimiza as repulsões íons-íons

agrupa os átomos o mais compactamente possível

A grande maioria dos sólidos é cristalina, por outro lado nem todos os sólidos são cristalinos. Alguns, µµcomo os vidros e as resinas termorrígidas são totalmente amorfos. Outros, como muitos termoplásticos apresentam regiões cristalinas em uma matriz amorfa.

As substâncias cristalinas apresentam anisotropia de várias propriedades, tais como: constantes elétricas, contantes ópticas, condutividade elétrica e térmica, dilatação térmica e até a reatividade química de suas superfícies depende da orientação cristalina. Já as substancias amorfas são habitualmente isotrópicas.

RETICULADO DE BRAVAIS: Um reticulado do espacial é um arranjo infinito, tridimensional, de pontos e no qual todo ponto tem a mesma vizinhança e se chama ponto do reticulado. É importante ressaltar que a cada ponto do reticulado pode estar associado mais de um átomo.

Segundo Bravais, os pontos do reticulado podem estar arranjados de 14 maneiras diferentes, denominadas de reticulados de Bravais envolvendo 7 sistemas diferentes, chamados de sistemas de Bravais.

Os reticulados podem ser classificados em 5 tipos: primitivo, de corpo centrado, de face centrada, de base centrada e romboétrico.

A tabela abaixo apresenta os 7 sistemas de Bravais, os parâmetros de rede e os ângulos:

Sistema Parâmetros de rede ângulos

cúbico A=b=c Α=β=µ=90

tetragonal A=b#c Α=β=µ=90

ortorrombico A#b#c Α=β=µ=90

comboédrico A=b=c Α#β#µ#90

hexagonal A=b#c Α=β=90 µ=120

monociclico A#b#c Α=µ=90 β>120

triclinico A#b#c Α#β#µ#90

CRISTAIS METÁLICOS: Os átomos metálicos podem ser considerados esferas rígidas e disto decorre a grande propensão que eles tem a cristalização. A sua grande maioria se cristaliza como estrutura cristalina bem simples, porém existem vários casos de metais com estruturas mais complexas. Um exemplo é p Urânio, que apresenta estrutura ortorrômbica.

Vários elementos apresentam no estado sólido diferentes estruturas cristalinas. A denominação para isso é alotropia.

Quando o sólido é uma substância composto, a denominação é polimorfismo. Essas mudanças de estruturas geralmente ocorrem em função de variações de temperatura e pressão. Elas causam variações de volume de alguns porcentos. Em outras palavras essas transformações causam deformações plásticas.

CRISTAIS IÔNICOS: A ligação predominante na maioria dos materiais cerâmicos é a iônica. Suas estruturas cristalinas são constituídas de íons ao invés de átomos eletricamente neutros, como no caso dos metais. Portanto nos materiais cerâmicos iônicos, além do tamanho relativo dos cátions e ânions, deve-se ter neutralidade elétrica.

Os cátions, geralmente metais que cedem elétrons, são habitualmente menores que os ânions.

Os cristais iônicos são geralmente mais complexos que cristais metálicos. Os materiais cerâmicos iônicos são compostos por elementos metálicos e não metálicos, havendo frequentemente vários átomos presentes.

Estruturas cerâmicas estáveis são formadas quando ânions que envolvem cátions estão em contato entre si. O número de coordenação, que neste caso é o número de ânions envolvendo um cátion, depende da relação entre o raio do cátion e o raio do ânion.

CRISTAIS COVALENTES: Numerosos materiais cerâmicos têm um determinado caráter covalente nas suas ligações químicas. Para alguns, principalmente nitretos e carbonetos, este caráter covalente é predominante.

O exemplo mais familiar de cristal covalente é o diamante, em que cada átomo de carbono está ligado (por ligação covalente) à 4 outros átomos de carbono.

Outros elementos do grupo IVA da tabela periódica apresentam este tipo de estrutura: germânio, silício, etc.

O carboneto de silício β (β-sic) é outro exemplo típico de cristal cerâmico predominantemente covalente. Na sua estrutura CFC, cada átomo de silício tem 4 átomos de carbono como vizinho, e cada átomo de carbono tem 4 átomos de Si como vizinho.