Descreva e explique com base nas características de cada ligação interatômica primária, as principais propriedades (elétricas e mecânicas etc.) de materiais que são constituidos exclusivamente de ligações covalentes. Dê um exemplo de um material de cada tipo. (14,0 pontos)
Passo 1
O enunciado pede que a gente use as características básicas da ligação covalente (direcionalidade forte, elétrons muito localizados e alta energia de ligação) para explicar por que sólidos formados exclusivamente por ligações covalentes exibem certas propriedades mecânicas e elétricas. Depois, devemos dar um exemplo de material de cada tipo de sólido covalente (isolante versus semicondutor).
Passo 2
Características da ligação covalente relevantes para o material sólido
. Direcionalidade: cada átomo “aponta” seus orbitais para vizinhos específicos, gerando redes rígidas e tridimensionais.
. Localização dos elétrons: não há elétrons livres como no metal. Os elétrons ficam “presa” em pares de ligação, reduzindo a condutividade elétrica.
. Alta energia de ligação: as energias típicas variam de
a
kJ/mol, o que implica em alta dureza e alto ponto de fusão.
Passo 3
Propriedades mecânicas decorrentes
– Elevada dureza e módulo de elasticidade, pois quebrar ou distorcer a rede covalente exige romper muitas ligações fortes e direccionais.
– Alta resistência a abrasão e compressão.
– Fragilidade: como a deformação plástica exige rotação ou quebra de ligações covalentes, esses materiais não se deformam facilmente, fracturando-se antes de ceder plasticamente.
– Elevada dureza e módulo de elasticidade, pois quebrar ou distorcer a rede covalente exige romper muitas ligações fortes e direccionais.
– Alta resistência a abrasão e compressão.
– Fragilidade: como a deformação plástica exige rotação ou quebra de ligações covalentes, esses materiais não se deformam facilmente, fracturando-se antes de ceder plasticamente.
Passo 4
Propriedades térmicas e químicas
– Altos pontos de fusão e de ebulição, já que é preciso fornecer energia suficiente para romper a rede D.
– Boa condução térmica em alguns casos (por ex. diamante), pois vibrações (fônons) se propagam bem numa rede rígida.
– Quase inertes quimicamente à temperatura ambiente: as ligações covalentes fortes resistem à maioria dos reagentes.
– Altos pontos de fusão e de ebulição, já que é preciso fornecer energia suficiente para romper a rede
– Boa condução térmica em alguns casos (por ex. diamante), pois vibrações (fônons) se propagam bem numa rede rígida.
– Quase inertes quimicamente à temperatura ambiente: as ligações covalentes fortes resistem à maioria dos reagentes.
Passo 5
Propriedades elétricas e ópticas
– Isolantes ou semicondutores: ausência de elétrons livres impede condutividade metálica.
Se o gap é grande (por ex.
eV no diamante), o material é isolante elétrico transparente ao visível.
Se o gap é menor (por ex.
eV no silício), o material é semicondutor e pode conduzir quando excitado termicamente ou por dopagem.
– Transparência ao visível quando o gap > eV. Para gaps menores, aparecem absorções no infravermelho ou visível.
– Isolantes ou semicondutores: ausência de elétrons livres impede condutividade metálica.
– Transparência ao visível quando o gap >
Passo 6
Tipos de sólidos formados só por ligações covalentes
. Isolante de rede covalente (gap grande)
. Semicondutor de rede covalente (gap moderado)
Resposta
Isolante de rede covalente: diamante (estrutura cúbica
D, alta dureza, isolante elétrico e transparente ao visível).
Semicondutor de rede covalente: silício (estrutura diamant, fragilidade, semicondutor com gap eV).
Semicondutor de rede covalente: silício (estrutura diamant, fragilidade, semicondutor com gap