11.Por que a densidade dos vidros é menor (volume específico maior) do que a densidade de seus similares cristalinos, para a mesma composição?

Passo 1

O enunciado pergunta por que a densidade \rho de um vidro é menor (ou seja, o seu volume específico v = 1/\rho é maior) do que a densidade de um sólido cristalino de mesma composição. O conteúdo aqui é estrutura de sólidos: vamos comparar empacotamento em fases cristalinas versus amorfas e ver como isso afeta a densidade.

Passo 2

Fase cristalina: num cristal, os átomos ou moléculas se organizam em uma rede periódica de longo alcance, encontrando posições bem definidas que minimizam a energia. Esse arranjo costuma maximizar a eficiência de empacotamento, reduzindo espaços vazios internos. Como resultado, o volume total ocupado pelos átomos é o menor possível para aquela composição, o que leva a uma densidade maior.

Passo 3

Fase vítrea (amorfa): no vidro, a fusão de um líquido super-resfriado congela uma rede desordenada, com apenas ordem de curto alcance. Não há tempo nem mobilidade para os átomos retrabalharem suas posições a fim de eliminar vazios. Assim, a estrutura vitrificada retém maior fração de volume livre (pequenas cavidades e deficiências de empacotamento), resultando em empacotamento menos eficiente.

Passo 4

Comparando as duas fases, o volume específico do vidro fica aumentado devido ao volume livre extra na rede amorfa. Como v = 1/\rho, um v maior implica uma densidade \rho menor. Em resumo, a desordem e os vazios presentes no vidro fazem com que ele ocupe mais espaço por unidade de massa do que o cristal análogo.

Resposta

A densidade é menor no vidro porque a rede amorfa retém mais volume livre e empacota os átomos de forma menos eficiente do que a rede cristalina ordenada.

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