Por que as cerâmicas são frágeis? Fundamente com base no tipo de ligação química.
Passo 1
Beleza, o enunciado pergunta “Por que as cerâmicas são frágeis?” e quer que a gente fundamente isso com base no tipo de ligação química. O conteúdo aqui é de Química de Materiais (ou Química Inorgânica), mais especificamente sobre ligações iônicas e covalentes e como elas influenciam o comportamento mecânico do sólido. Para resolver, a gente vai precisar entender:
- O que é fragilidade (ou brittleness) em materiais.
- Como funcionam ligações iônicas (força de Coulomb) e covalentes (direcionais).
- Como esses tipos de ligação afetam a mobilidade de deslizamento (plasticidade) no cristal.
Passo 2
Antes de tudo, o que significa um material ser “frágil”?
Em materiais, fragilidade quer dizer que o sólido não consegue deformar plasticamente (ou seja, sem quebrar) quando você aplica uma tensão. Ele tende a rachar e fraturar assim que atinge certa tensão, sem “amassar” ou “esticar” como acontece com metais dúcteis.
Em materiais, fragilidade quer dizer que o sólido não consegue deformar plasticamente (ou seja, sem quebrar) quando você aplica uma tensão. Ele tende a rachar e fraturar assim que atinge certa tensão, sem “amassar” ou “esticar” como acontece com metais dúcteis.
Passo 3
Vamos lembrar como funciona a ligação iônica.
Quando você tem um cátion (positivamente carregado) e um ânion (negativamente carregado), a força que os mantém unidos é dada pela lei de Coulomb:
Quando você tem um cátion (positivamente carregado) e um ânion (negativamente carregado), a força que os mantém unidos é dada pela lei de Coulomb:
onde
• e
são as cargas dos íons,
• é a distância entre eles,
• é a constante eletrostática.
Isso resulta em ligações bem fortes e não direcionais (isto é, o íon atrai em todas as direções).
•
•
•
Isso resulta em ligações bem fortes e não direcionais (isto é, o íon atrai em todas as direções).
Passo 4
Agora, a ligação covalente também pode estar presente em muitas cerâmicas (por exemplo, silício e carbono em cerâmicas avançadas). Nessa ligação, os átomos compartilham pares de elétrons e o arranjo é altamente direcional (ângulos fixos, orbitais bem definidos). Se você tenta “empurrar” uma camada de átomos sobre a outra, essa ligação não se ajusta direito – ela não permite deslize fácil.
Passo 5
Por contraste: em metais, a ligação metálica é não direcional e os elétrons são compartilhados livremente (mar de elétrons). Esses elétrons permitem que planos cristalinos escorreguem uns sobre os outros (muitos sistemas de deslizamento), dando plasticidade. Mas em cerâmicas, nem a ligação iônica nem a covalente permitem esse escorregamento sem quebrar ligações.
Passo 6
Como resultado, quando você aplica uma tensão num cerâmico:
- Você não consegue gerar muitos deslocamentos (dislocations) móveis para acomodar a forma (não há plasticidade).
- A tensão se concentra em defeitos (microporos e microfissuras) e acaba abrindo uma trinca.
- Essa trinca cresce rapidamente, porque quebrar ligações iônicas/covalentes é simples uma vez que a falha se inicia, e não há “amortecimento” por deformação plástica.
Resposta
As cerâmicas são frágeis porque suas ligações químicas (iônicas muito fortes e covalentes direcionais) não permitem o deslizamento de planos atômicos e, portanto, não dão margem para deformação plástica. Ao atingir uma tensão crítica, formam-se trincas que se propagam rapidamente, levando à fratura sem “aviso” de deformação.