Estruturas Cristalinas e Arranjamento Atômico em Metais

Classificação dos Materiais Sólidos

Os materiais sólidos podem ser classificados em cristalinos ou não cristalinos (amorfos), de acordo com a regularidade na qual os átomos ou íons se dispõem em relação aos seus vizinhos.

• Material cristalino: os átomos encontram-se ordenados sobre longas distâncias atômicas, formando uma estrutura tridimensional chamada de rede cristalina.
• Todos os metais, muitas cerâmicas e alguns polímeros formam estruturas cristalinas sob condições normais de solidificação.

Arranjamento Atômico

• Nos materiais não cristalinos ou amorfos, não existe ordem de longo alcance na disposição dos átomos.
• As propriedades dos materiais sólidos cristalinos dependem da estrutura cristalina, ou seja, da maneira na qual os átomos, moléculas ou íons estão espacialmente dispostos.
• Existe um grande número de estruturas cristalinas, desde as simples (metais) até as mais complexas (cerâmicos e polímeros).

Célula Unitária

É a unidade básica repetitiva da estrutura tridimensional:

• Consiste em um pequeno grupo de átomos que formam um modelo repetitivo ao longo da estrutura tridimensional (analogia com elos de uma corrente).
• A célula unitária é escolhida para representar a simetria da estrutura cristalina.
• Os átomos são representados como esferas rígidas.

Estruturas Cristalinas em Metais

Como a ligação metálica é não direcional, não há restrições quanto ao número e posições dos vizinhos mais próximos:

• A estrutura cristalina dos metais geralmente possui um número elevado de vizinhos e alto empacotamento atômico.
• As três estruturas mais comuns em metais são: Cúbica de Corpo Centrado (CCC), Cúbica de Face Centrada (CFC) e Hexagonal Compacta (HC).

Sistemas Cúbicos

Os átomos podem ser agrupados dentro do sistema cúbico em três tipos de repetição:

• Cúbico simples;
• Cúbico de corpo centrado;
• Cúbico de face centrada.

No sistema cúbico simples, apenas 1/8 de cada átomo está dentro da célula unitária (totalizando 1 átomo). Por isso, metais não cristalizam nesta estrutura devido ao baixo empacotamento atômico.

Número de Coordenação e Fator de Empacotamento

O número de coordenação corresponde ao número de átomos vizinhos mais próximos. Para a estrutura cúbica simples, o número é 6.

No sistema cúbico simples, os átomos se tocam na aresta: a = 2R.

Fator de Empacotamento (FE):

FE = (Número de átomos × Volume dos átomos) / Volume da célula unitária

• Volume dos átomos = número de átomos × (4πR³/3)
• Volume da célula = a³ = (2R)³

O fator de empacotamento para a estrutura cúbica simples é 0,52.