fe hg - fenix.tecnico.ulisboa.pt · ligas metálicas aplicação em aquecedores eléctricos de...
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Sólidos metálicos → partilha de e-’s por muitos átomos iguais (muitos átomos e poucos electrões).
→ Energias de ionização baixas.
Propriedades → Condutividade eléctrica (↓ com T↑).→ Condutividade térmica.→ Maleabilidade (fazer folhas).→ Ductibilidade (fazer fios).→ Brilho (“metálico”).
Quando impuros as propriedades mudam muito → Ligas metálicas
Estruturas dos metais
Mosaico de grãos cristalinos
Propriedades mecânicas dependem das dimensões dos grãos(p.e., dureza, flexibilidade, etc.)
Estruturas dos metais
Estruturas cristalinas dos grãos:
Hexagonal compacta (HC), NC = 12Cúbica de faces centradas (CFC), NC = 12Cúbica de corpo centrado (CCC), NC = 8 + 6
Todos os átomos iguais
Esferas rígidas
Melhor aproveitamento do espaço
Estruturas dos metais → empilhamento de esferas
Mais compacto: 6 vizinhos Menos compacto: 4 vizinhos
2ª camada (2 alternativas)
Estruturas dos metais → empilhamento de esferas
2ª camada (2 alternativas)
×× ×
3ª camada
Átomos da 3ª camada directamente sobre os da 1ª
→ estrutura ABAB
Estrutura hexagonal compacta (HC)
×× ×
2ª camada 3ª camada
AB
C
Átomos da 3ª camada não ficam directamente sobre os da 1ª →
estrutura ABCABC
Estrutura cúbica de faces centradas (CFC)
CFC e HC são estruturas compactas melhor aproveitamento do espaço
Percentagem de espaço ocupado?
Vcubo = a3
Quantas esferas?
pertence a 2 cubos
pertence a 8 cubos
8 × ⅛ = 1
6 × ½ = 34 esferas
33
316
344 rrVesferas ππ =×=
a ↔ r ? b = 4 rb2 = 2 a2 (velho Pitágoras)
2 a2 = (4 r)2
( )a r r= ⎛
⎝⎜⎞⎠⎟ =
12 4 4
22
12
12
232
64 33 raVcubo ==
%74100643216100
2643
16
1002
3
23
3
3
=×××
=×=×ππ
r
r
VV
cubo
esferas
Para HC é igual (só a trigonometria é que é mais complicada)
Estrutura cúbica de corpo centrado (CCC)Percentagem de espaço ocupado?
2 esferas: 8 × ⅛ + 1 = 2
33
38
342 rrVesferas ππ =×=
( )a
r r=
⎛
⎝⎜⎜
⎞
⎠⎟⎟ =
43
43
21
2
12
233
64 33 raVcubo ==
%68100364
38100
36438
1002
3
23
3
3
=××
×=×=×
ππ
r
r
VV
cubo
esferas
( ) 2222
22
222 3242
4aaar
accab
rb=+=→
⎪⎭
⎪⎬
⎫
=
+=
=
Lr—
No—
Md—
Fm—
Es—
Cf—
Bk—
Cm—
Am—
Pu*
CFCCCC
Np*
U*
CCC
Pa*
ThCFCCCC
AcCFC
LuHC
YbHC
TmHC
ErHC
HoHC
DyHC
TbHC
GdHC
EuCCC
Sm*
CCC
Pm—
NdCFCHC,HC
PrCFCHC,HC
CeHC
CFC
LaHC,HCCFC
Ac-LrRaFr
Po*
Bi*
PbCFC
TlHC
CCCCFC
Hg*
AuCFC
PtCFC
IrCFC
OsHC
ReHC
WCCC
TaCCC
HfHC
CCC
La-LuBaCCC
CsCCC
Sb*
Sn*
In*
CdHC
AgCFC
PdCFC
RhCFC
RuHC
TcHC
MoCCC
NbCCC
ZrHC
CCC
YHC
CFC
SrCFCHC
CCC
RbCCC
Ga*
ZnHC
CuCFC
NiCFC
CoHC
CFC
FeCCCCFC
Mn*
CrCCC
VCCC
TiHC
CCC
ScHC
CFC
CaCFCCCC
KCCC
AlCFC
MgHC
NaCCC
BeHC
LiCCCHC
Estruturas cristalinas dos metais
Teoria das bandas
Banda de energia(muitos níveis com ∆E muito pequeno):
Quase-contínuo
1 2 3 4 5 n.......
Número de orbitais combinadas
∆E2
∆E1
Ψ2
Ψ1
ΦA ΦB
H HH H
E2
E1
r0
Teoria das bandasPara n átomos:
Bandas de energia (permitidas) e hiatos (gaps, ou bandas proibidas)
1s
2s
2p
Energia
rr0r1
1s
2s
2p
Energia
rr0r1
Níveis de energiaà distância r0
Bandaspermitidas Bandas
proibidas
Nível permitido
Teoria das bandasPara n átomos:
Bandas de energia (permitidas) e hiatos (gaps, ou bandas proibidas)
1s
2s
2p
Energia
rr0r1
Níveis de energiaà distância r0
Bandaspermitidas Bandas
proibidas
Nível permitido
Teoria das bandasPara n átomos:
Bandas de energia (permitidas) e hiatos (gaps, ou bandas proibidas)
Níveis de energiaà distância r1
Bandaspermitidas
SOBREPOSTAS
Bandaproibida
Nível permitido
Teoria das bandas
banda de condução, 3pvazia
bandas proibidas
banda de valência, 3ssemi-preenchida e sobreposição com a banda de condução, 3pvazia
banda, 2pcompletamente preenchida
nível 2s, preenchido
nível 1s, preenchido
É o caso do Na (e dos metais alcalinos em geral)
Banda incompletamente
preenchida
Níveis de E vazios facilmente acessíveis
para os e-’s
Condutividade eléctricaBrilho metálico
+ + + + + + + + + +
- - - - - - - - - - - - - - -
Corrente eléctrica
(por convenção)
+-
Potencial eléctrico → e-’s ganham velocidade → aumenta a E → níveis acessíveis
Banda de valência incompletamente preenchida
Brilho e condutividade
1010
105
100
10-5
10-10
10-15
10-20
Condutividade / Ω-1 m-1
Cobre e ouroFerroChumbo
Bismuto
Silício e Germânio com impurezas
Ferrites
Silício
Cloreto de sódio
Vidro
Diamante
Sílica fundida
Poliestireno
Condutores
Semicondutores
Isolantesbandas proibidas
banda de valência, completamente preenchida
níveis completamenteocupado por electrões
banda de condução, vazia
∆E
bandas proibidasbanda de valência, completamente preenchida
níveis completamenteocupado por electrões
banda de condução,incompletamente preenchida ou sobreposta com a banda de valência
(∆E elevado)
ReTa
Ag
Pd
Rh
Ru
Y
Sr
Rb
Cu
NiSc
Ca
K
Ti
V Cr
Mn
Fe
Co
Zn
Zr
Nb
Mo
Tc
Cd
Cs
BaLa
Hf
W
Os
Ir
Pt
Au
Hg0
1000
2000
3000
4000
Pont
o de
fusã
o / K
ReTa
Ag
Pd
Rh
Ru
Y
Sr
Rb
Cu
Ni
Sc
Ca
K
TiV
Cr
Mn
Fe
Co
Zn
Zr
Nb
Mo
Tc
CdCs
Ba
La
Hf
W
Os
Ir
Pt
Au
Hg0
50
100
150
200
250
Ene
rgia
de
coes
ão /
kcal
mol
-1
Energia de coesãoPonto de fusão
Níveis antiligantes
Níveis ligantes
Grau de preenchimendo da banda d
Semipreenchida:Máximo de níveis ligantes ocupados e
níveis antiligantes vazios
Avaliação de Propriedades FísicasPF, PE, viscosidade, dureza, etc.
PF
Substâncias moleculares
H2O, O2, etc.
Forças intermoleculares:Lig. H > Forças vdWForças de vdW: Nº de e-’s (α) excepto para moléculas pequenas (< 15 e-’s) muito polares (µ).
MetaisFe, Co, Zn,
etc.Sólidos IónicosNaCl, CaCl2, etc.
Energia reticular, U(atracção entre iões opostos)
grau de preenchimentoda banda d
Sólidos Covalentes
diamante, grafite (C),SiO2, Si, Ge, ZnS, etc.
ligações covalentesdireccionais (3D)
Ligas metálicas
Aplicação em aquecedores eléctricos de resistência.
A presença de 0,004% P aumenta a resistividade do Cu puro em 5%.Cu puro – 1,67 µΩ cmCu + 30% Zn – 6,2 µΩ cm
aumentaResistividade eléctrica
Torna mais fácil a fusão e a moldagem de peças metálicas. A liga de Wood (Bi, Pb, Sn e Cd) funde a 71°C e é usada em alarmes automáticos contra incêndios.
Fe puro – 1540°CFe + 3%C – 1150 a 1250°CExcepção importante:o P.F. do Cu é aumentado ao formar uma liga com o Ni.
diminuiTemperatura de fusão
Importância especialExemplos e excepçõesVariação do metal
para a liga
Propriedade
Propriedades muito diferentes dos metais purosImportância tecnológica
Por exemplo:
Preparam-se por fusão conjunta dos metais(ou por redução, também conjunta, de compostos desses metais)
Ligas metálicas
Misturas metálicas(polifásicas)
Soluções sólidas(monofásicas)
Compostosintermetálicos
Grânulos discretos(metais mutuamente
insolúveis), p.e. Bi-Cd
Soluções sólidasde substituição
Soluções sólidasintersticiais
Ocupação pelo “soluto”de posições na rede
cristalina do “solvente”
Ocupação pelo “soluto”de cavidades
intersticiais na rede cristalina do “solvente”
Metais reagem entre si (χ’s ≠s) e originam compostos bem
definidos MaM’b
Soluções sólidas de substituição
PbAg
Pd
PtAu
Ni
Al
0
50
100
0.7 0.85 1 1.15 1.3rM/rCu
Solu
bilid
ade
Máx
ima
(% a
tóm
ica)
rM’s, χ’s, estruturas cristalinas, nº e-’s valênciasemelhantes
p.e., solubilidade no cobre
Estrutura desordenada
Estrutura ordenada
∆ (por vezes)
Soluções sólidas instersticiais
Metais com elementos não metálicos (p.e.: H, B, C, N)Quociente de raios inferior a 0.591
PF’s e dureza muito elevadosAço → Fe-C