Determine e explique que mudanças serão necessárias na estrutura de cada cerâmica para manter um balanço de carga, em cada um dos seguintes casos:
b) Íons \mathrm{Fe} 3+ substituindo íons de magnésio em MgO

Passo 1

O enunciado pede para vermos como o óxido de magnésio ( \mathrm{MgO}) se mantêm eletricamente neutro quando íons \mathrm{Fe}^{3+} passam a ocupar sítios originalmente de \mathrm{Mg}^{2+}. O conteúdo é química de defeitos em cerâmicas: toda substituição que muda a valência precisa de um mecanismo de compensação de carga.

Passo 2

Cada vez que um íon \mathrm{Fe}^{3+} entra no lugar de \mathrm{Mg}^{2+}, sobra uma carga positiva a mais no retículo, pois
+3\;(\text{Fe})\;-\;(+2)\;(\text{Mg})\;=\;+1.
Esse “excesso” de +1 precisa ser neutralizado para manter o material globalmente neutro.

Passo 3

O mecanismo mais comum de compensação em óxidos é a criação de vacância em sítio catiônico (vacância de Mg). Uma vacância de \mathrm{Mg}^{2+} remove duas unidades de carga positiva do cristal, gerando um defeito com carga efetiva -2.
Em notação de Kröger–Vink, a substituição de ferro e a vacância são escritas assim:
\mathrm{Fe}_2\mathrm{O}_3 \rightarrow 2\,\mathrm{Fe}_{\mathrm{Mg}}^{\bullet} \, + \, V_{\mathrm{Mg}}^{\prime\prime} \, + \, 3\,\mathrm{O}_{\mathrm{O}}^{\times},
onde
  • \mathrm{Fe}_{\mathrm{Mg}}^{\bullet} é um íon \mathrm{Fe}^{3+} em sítio de Mg, com carga efetiva +1,
  • V_{\mathrm{Mg}}^{\prime\prime} é a vacância de Mg, com carga efetiva -2,
  • \mathrm{O}_{\mathrm{O}}^{\times} são os íons oxigênio em sítios normais, sem defeito de carga.

Passo 4

Para compensar totalmente a carga, precisamos que o total de cargas positivas introduzidas pelos \mathrm{Fe}^{3+} seja igual ao total de cargas negativas criadas pelas vacâncias. Como cada \mathrm{Fe}_{\mathrm{Mg}}^{\bullet} traz +1 e cada V_{\mathrm{Mg}}^{''} traz -2, basta agrupar dois íons de ferro para gerar uma vacância de magnésio:
2\times(+1)\;+\;(-2)\;=\;0.
Portanto, a cada dois íons \mathrm{Fe}^{3+} substituindo dois \mathrm{Mg}^{2+}, forma-se uma vacância de \mathrm{Mg}^{2+}.

Resposta

Para manter o balanço de carga em \mathrm{MgO} dopado com \mathrm{Fe}^{3+}, é preciso criar vacâncias de cátions \mathrm{Mg}^{2+} na proporção de uma vacância para cada dois íons \mathrm{Fe}^{3+} que ocupam sítios de magnésio.

Exercícios relacionados