O MUNDO DOS MATERIAIS Nomeando um novo elemento químico
2.6 Materiais – a classificação das ligações
Uma representação dramática das energias de li- gação relativas dos vários tipos de ligação deste capí- tulo é obtida pela comparação dos pontos de fusão. O
ponto de fusão de um sólido indica a temperatura à
qual o material deve ser exposto para fornecer energia térmica suficiente para quebrar suas ligações coesivas. A Tabela 2.4 mostra exemplos representativos usados neste capítulo. Uma nota especial deve ser feita para o polietileno, que tem características de ligação mista. Conforme discutimos na Seção 2.3, a ligação secundá- ria é um elo fraco que faz com que o material perca rigidez estrutural acima de, aproximadamente, 120 ºC. Esse não é um ponto de fusão preciso, mas sim uma
temperatura acima da qual o material amolece rapi- damente com o aumento da temperatura. A irregula- ridade da estrutura polimérica (Figura 2.15) produz comprimentos de ligação secundária variáveis e, por- tanto, energias de ligação variáveis. Mais importante do que a variação na energia de ligação é a magnitude média, que é relativamente pequena. Embora o polie- tileno e o diamante tenham ligações covalentes C–C semelhantes, a ausência de elos fracos de ligação se- cundária permite que o diamante retenha sua rigidez estrutural mais de 3.000 ºC além do polietileno.
Até agora, já vimos quatro dos principais tipos de ligações atômicas que consistem em três liga- ções primárias (iônica, covalente e metálica) e li- gação secundária. Tem sido tradicional distinguir os três materiais estruturais fundamentais (metais, cerâmicas e polímeros) como estando diretamente associados aos três tipos de ligações primárias (me- tálica, iônica e covalente, respectivamente). Esse é um conceito útil, mas já vimos nas seções 2.3 e 2.5 que os polímeros devem seu comportamento tanto a ligações covalentes quanto a secundárias. Tam- bém observamos, na Seção 2.3, que algumas das cerâmicas mais importantes possuem característi- cas covalente e iônica fortes. A Tabela 2.5 resume a característica de ligação associada aos quatro tipos fundamentais de materiais de engenharia, com al- guns exemplos representativos. Lembre-se de que a característica de ligação mista para as cerâmicas se referia a naturezas iônica e covalente para de- Tabela 2.4 Comparação dos pontos de fusão para alguns dos materiais representativos
do Capítulo 2 1 0 8 l C a N C (diamante) ~ 3.550 ( C2H4)n ~ 120a 7 8 , 4 8 0 . 1 u C Ar −189 H2O
Material Tipo de ligação Ponto de fusão (ºC) Iônica
Covalente
Covalente e secundária Metálica
Secundária (dipolo induzido)
Secundária (dipolo permanente) 0
a Devido à irregularidade da estrutura polimérica do polietileno, ele não possui um
ponto de fusão preciso. Em vez disso, ele amolece com o aumento da temperatura acima de 120ºC. Nesse caso, o valor de 120ºC é uma ‘temperatura de serviço’, em vez de
um verdadeiro ponto de fusão.
Tabela 2.5 Característica de ligação dos quatro tipos fundamentais de materiais da engenharia
Tipo de material Característica da ligação Exemplo
Metal Metálica Ferro (Fe) e as ligas ferrosas
Cerâmicas e vidros
Polímeros Covalente e secundária Polietileno
Semicondutores Covalente ou covalente/iônica C2H4)n
)
Iônica/covalente Sílica (SiO2): cristalina e não-cristalina Silício (Si) ou sulfeto de cádmio (CdS)
terminada ligação (por exemplo, Si–O), enquanto a característica de ligação mista para os polímeros se referia a diferentes ligações sendo covalentes (por exemplo, C–H) e secundárias (por exemplo, entre cadeias). A contribuição relativa de diferentes tipos de ligação pode ser exibida graficamente na forma de um tetraedro de tipos de ligação (Figura 2.24) onde cada vértice do tetraedro representa um tipo puro de ligação. No Capítulo 14, incluiremos outra perspectiva na classificação dos materiais, a condu- tividade elétrica, que virá diretamente da natureza da ligação e é especialmente útil na definição da característica única dos semicondutores.
covalente Semicondutores Polímeros Cerâmicas e vidros Metais iônica metálica secundária
Figura 2.24 Tetraedro representando a contribuição relativa de diferentes tipos de ligação para as categorias fundamentais dos materiais da engenharia (os três tipos estruturais mais os semicondutores).
Uma base para a classificação dos materiais da engenharia é a ligação atômica. Embora a identidade química de cada átomo seja determinada pelo núme- ro de prótons e nêutrons dentro de seu núcleo, a natu- reza da ligação atômica é determinada pelo compor- tamento dos elétrons que orbitam o núcleo.
Existem três tipos de ligações fortes, ou primárias, responsáveis pela coesão dos sólidos. Primeiro, a ligação iônica envolve a transferência de elétrons e é não-dire- cional. A transferência de elétrons cria um par de íons com cargas opostas. A força de atração entre os íons é de natureza coulombiana. Um espaçamento iônico de equi- líbrio é estabelecido devido a fortes forças repulsivas as- sociadas à tentativa de sobrepor os dois núcleos atômicos. A natureza não-direcional da ligação iônica permite que números de coordenação iônicos sejam determinados es- tritamente pela eficiência do empacotamento geométrico (conforme indicada pela razão dos raios). Segundo, a li- gação covalente envolve o compartilhamento de elétrons e é altamente direcional, o que pode levar a números de coordenação relativamente baixos e estruturas atômi- cas mais abertas. Terceiro, a ligação metálica envolve o compartilhamento de elétrons delocalizados, produzindo uma ligação não-direcional. A nuvem ou gás de elétrons resultante gera alta condutividade elétrica. A natureza
• ResuMo •
não-direcional resulta em números de coordenação re- lativamente altos, como na ligação iônica. Na ausência de transferência ou compartilhamento de elétrons, uma forma mais fraca de ligação é possível. Essa ligação se- cundária é o resultado da atração entre dipolos elétricos temporários ou permanentes.
A classificação dos materiais da engenharia admi- te um tipo de ligação em particular ou uma combina- ção de tipos para cada categoria. Os metais envolvem a ligação metálica. As cerâmicas e vidros envolvem a ligação iônica, mas normalmente em conjunto com uma forte característica covalente. Os polímeros nor- malmente envolvem ligações covalentes fortes ao longo de cadeias poliméricas, mas possuem ligações secundárias mais fracas entre cadeias adjacentes. A li- gação secundária atua como um elo fraco na estrutu- ra, gerando resistências e pontos de fusão tipicamente baixos. Os semicondutores são predominantemente covalentes por natureza, com alguns compostos semi- condutores tendo uma característica iônica significati- va. Essas quatro categorias de materiais da engenharia são, portanto, os tipos fundamentais. Compósitos são combinações dos três primeiros tipos fundamentais e possuem características de ligação apropriadas a seus elementos constituintes.
• PRINCIPAIs TeRMos •
ângulo de ligação (32) ânion (22) átomo-grama (19) atração coulombiana (23) camada orbital (22) cátion (22) comprimento da ligação (23) densidade de elétrons (29) dipolo (35) elétron (18) elétron de valência (29) elétron delocalizado (33) eletronegatividade (34) energia de ligação (24) esfera flexível (24) esfera rígida (24) força de ligação (23) força repulsiva (23) grupo (19) hibridização (20) íon (22) isótopo (19) ligação covalente (29) ligação dupla (29) ligação iônica (22) ligação metálica (33) ligação primária (20) ligação secundária (20) ligação van der Waals (35) massa atômica (18)mol (19) molécula polar (36) molécula polimérica (29) momento de dipolo (36) nêutron (18) nível de energia (19) núcleo (18) número atômico (19) número de Avogadro (19) número de coordenação (25) orbital eletrônico (19) poço de energia (33) ponte de hidrogênio (36) ponto de fusão (37) próton (18) raio atômico (24) raio iônico (24) razão dos raios (26) tabela periódica (19)
unidade de massa atômica (18) vale (33)
valência (23)
• RefeRências •
Praticamente qualquer livro introdutório sobre quí- mica em nível colegial será uma base útil para este capítulo. Alguns bons exemplos são:
Brown, tl; Lemay jr., he; Bursten, be. Chemistry —
The Central Science, 8. ed. Upper Saddle river: Pren- tice hall, 2000.
oxtoBy, dw; GiLLis, hP; nachtrieB, nh. Principles of
Modern Chemistry, 5. ed. Pacific Grove: thomson brooks/Cole, 2002.
Petrucci, rh; harwood, wS; herrinG, fG. Gene-
ral Chemistry — Principles and Modern Applications, 8. ed. Upper Saddle river: Prentice hall, 2002.
• PROBLeMas •
A partir deste capítulo, fornecemos um conjunto de problemas na conclusão de cada capítulo do livro. Os instrutores poderão observar que existem alguns pro- blemas subjetivos, para discussão, que normalmente são usados em livros sobre materiais. Acreditamos firme- mente que esses problemas são, geralmente, frustran- tes para os alunos que estão iniciando em engenharia e ciência dos materiais. Assim, vamos nos concentrar nos mais objetivos, por isso os problemas não apareceram no Capítulo geral, na Introdução e no Capítulo 1.
Precisamos observar alguns pontos sobre a orga- nização dos problemas. todos eles estão claramente relacionados à seção apropriada do capítulo. Além disso, alguns Problemas Práticos para cada seção já foram dados após os exemplos de Problemas solucio- nados dentro dessa seção. esses problemas têm como finalidade fornecer um passeio pelos primeiros cálcu- los em cada nova área e podem ser usados pelos alu- nos para auto-estudo. há respostas para quase todos os Problemas Práticos após os apêndices. (As solu- ções para todos os problemas práticos estão disponí- veis em inglês no site livro). Os problemas a seguir são cada vez mais desafiadores. Aqueles que não possuem um marcador ao lado do número são relativamente fáceis, mas não estão conectados explicitamente a um problema de exemplo; os que possuem (•) são rela- tivamente desafiadores. As respostas para os proble- mas de número ímpar são dadas após os apêndices. Seção 2.1 • Estrutura atômica