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Cela unitária cúbica: aresta, densidade, empacotamento e Bragg

Informe a estrutura (CS, CCC ou CFC), o raio atômico e a massa molar para ver a aresta, a densidade teórica, o empacotamento e o ângulo de Bragg de um plano.

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Entrada

Estrutura cristalina

Cúbica simples, de corpo centrado ou de face centrada.

Raio da esfera rígida, em ångström. Valor de partida apenas; use o do seu material.

Massa molar do elemento, em g/mol. Valor de partida apenas; informe o do seu material.

Índices do plano (h k l). Não podem ser todos zero.

Segundo índice do plano.

Terceiro índice do plano.

Ordem n da lei de Bragg.

Valor típico da linha Kα1 do cobre, cerca de 1,5406 Å; confira o da sua fonte e a linha usada.

Resultado

O resultado aparece aqui.

Aresta, átomos e empacotamento

O modelo trata cada átomo como uma esfera rígida de raio r, todas iguais, que se tocam ao longo de uma direção da cela. Daí vem a aresta a e o número de átomos inteiros em cada cela.

Esferas rígidas idênticas
EstruturaAresta aÁtomos por celaCoordenaçãoEmpacotamento
Cúbica simples (CS)2r16π/6 ≈ 0,52
Cúbica de corpo centrado (CCC)4r ÷ √328≈ 0,68
Cúbica de face centrada (CFC)2√2 · r412≈ 0,74

fator de empacotamento = átomos × (4/3)πr³ ÷ a³

Nota: Estruturas reais divergem do modelo de esferas rígidas idênticas: a página mostra a conta geométrica, não a medida de um material.

Densidade teórica

ρ = átomos × M ÷ (a³ × N_A)

M é a massa molar, que você informa, e N_A vale 6,02214076 × 10²³ mol⁻¹ (valor exato). Com a em ångström, ρ sai em g/cm³: 1 ų equivale a 10⁻²⁴ cm³.

Raio de 1,278 Å e massa molar de 63,546 g/mol numa cela CFC dão aresta de 3,6147 Å e densidade de 8,9365 g/cm³, com empacotamento de 74,05%. Em CCC, raio de 1,241 Å e 55,845 g/mol dão 2,866 Å e 7,8786 g/cm³.

Lei de Bragg

nλ = 2d · sen θ

d = a ÷ √(h² + k² + l²)

Aqui θ é o ângulo entre o feixe e o plano (h k l), e não o ângulo com a normal; o detector fica a 2θ do feixe incidente. O campo de λ vem com um valor típico da linha Kα1 do cobre, cerca de 1,5406 Å (a média das linhas Kα fica perto de 1,5418 Å); confira o da sua fonte.

No exemplo CFC, os planos (1 1 1) estão a 2,087 Å e, com λ de 1,5406 Å e ordem 1, o ângulo é 21,66° (2θ = 43,32°).

Nota: A página não aplica as regras de extinção de cada rede: alguns planos não produzem pico, e a conta de Bragg apenas calcula o ângulo geométrico. Se nλ passar de 2d, não existe reflexão e o cálculo é recusado.

Perguntas frequentes

Quantos átomos tem uma cela unitária cúbica?

Pelo modelo de esferas rígidas, a cúbica simples tem 1 átomo por cela, a de corpo centrado tem 2 e a de face centrada tem 4. A coordenação é 6, 8 e 12, e o empacotamento é cerca de 52%, 68% e 74%.

Como calcular a densidade teórica de um cristal cúbico?

Use ρ = átomos × M ÷ (a³ × N_A). Com raio de 1,278 Å, massa molar de 63,546 g/mol e cela CFC, a aresta é 3,6147 Å e a densidade teórica sai 8,9365 g/cm³.

Qual ângulo a lei de Bragg dá para os planos (1 1 1)?

Com a aresta de 3,6147 Å, planos (1 1 1) ficam a 2,0870 Å. Com λ de 1,5406 Å e ordem 1, nλ = 2d sen θ dá θ de 21,66°, que é o ângulo com o plano.

O que é o fator de empacotamento atômico?

É a fração do volume da cela ocupada por átomos: átomos × (4/3)πr³ ÷ a³. No modelo de esferas rígidas vale π/6 (cerca de 52%) na CS, 68% na CCC e 74% na CFC.