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Capítulo 03 - Estrutura Cristalina

Tópico 3.2 - Os Elementos

Como vamos lidar aqui somente com os elementos químicos, a neutralidade elétrica já existe e, portanto, não há repulsão íon-íon de mesmo sinal. Então, os dois requisitos a serem considerados são a compacidade do empilhamento atômico e que também se satisfaçam as ligações covalentes. Consideremos primeiramente os metais e os elementos nobres.
Na Figura 3.b (1), mostram-se as células unitárias convencionais e as células primitivas correspondentes das três estruturas cristalinas mais comuns dos elementos nobres e metálicos. Para esses elementos, a condição primária a ser satisfeita é que o empilhamento dos átomos deve ser o mais compacto possível, pois a ligação é não-direcional. Um modo de descrever o empilhamento compacto dos átomos é por meio de seus poliedros de coordenação. Os átomos estarão empilhados o mais compactamente possível quando seus poliedros de coordenação estiverem arrumados o mais densamente possível. De fato, as estruturas CFC, HC e CCC podem ser obtidas empilhando-se seus respectivos poliedros de coordenação, de modo que compartilhem o número máximo de faces. O arranjo CCC é simplesmente um arranjo de cubos empilhados. Os arranjos CFC e HC são mais difíceis de visualizar deste modo e são mais facilmente compreendidos como resultantes de empilhamentos de átomos.
Os arranjos CFC e HC são os arranjos mais densos possíveis para átomos esféricos. Isto pode ser visto nos planos compactos de átomos, empilhados de modo a minimizar o volume que ocupam. Um plano compacto é um arranjo bidimensional de átomos arrumados o mais compactamente possível. A seqüência de empilhamento dos planos compactos na estrutura cristalina HC é descrita como ABABA... Por outro lado, se o terceiro plano é empilhado de modo que seus átomos estejam diretamente sobre os “vazios” entre os átomos de ambos os planos, a estrutura é CFC. A seqüência de empilhamento dos planos compactos numa estrutura cristalina CFC é descrita como ABCABCABCA...
Uma descrição equivalente das estruturas cristalinas HC, CFC e CCC é mostrada na Figura 3.c, na qual os átomos são representados por esferas e cada figura representa um certo número de células unitárias de estrutura cristalina empilhada. Note no cubo que representa o empilhamento CFC que um dos vértices foi cortado para expor um dos planos compactos e mostrar sua orientação. O plano exposto é delineado por meio de um triângulo.
Nos modelos HC, os planos mais compactos são paralelos à base. Como se observou no Capítulo 2, nenhum metal tem uma estrutura HC ideal. Os planos compactos estão sempre um pouco mais afastados ou um pouco mais próximos uns dos outros do que estariam no arranjo compacto de esferas.

Figura 3-c. As estruturas cristalinas HC, CFC e CCC. Os átomos do reticulado são representados por esferas. Na estrutura CFC, um vértice foi truncado a fim de se expor um plano compacto e mostrar a sua orientação no interior do cubo. O plano compacto exposto é delineado por um triângulo, em linha cheia.
Notas:
(1) Note-se que na estrutura cristalina HC, dois átomos estão associados com cada ponto da rede na rede hexagonal de Bravais, e então a célula primitiva da estrutura cristalina contém dois átomos, mas apenas um ponto da rede.