EXPANSÃO TÉRMICA
Diferencie o comportamento de ligações fortes e fracas quanto à expansão térmica.
Diferencie o comportamento de ligações fortes e fracas quanto à expansão térmica.
Passo 1
O enunciado pede para compararmos como o coeficiente de expansão térmica varia em materiais cujas ligações interatômicas são fortes (por exemplo, covalentes ou iônicas) versus fracas (por exemplo, de Van der Waals). O conteúdo é expansão térmica e vamos usar o conceito de potencial interatômico e sua anarmonicidade.
Passo 2
A expansão térmica decorre do fato de que o potencial de interação entre átomos não é perfeitamente simétrico (não é puramente harmônico). Quando a temperatura aumenta, a amplitude das vibrações cresce e, devido à anarmonicidade do poço de potencial, o valor médio da distância interatômica aumenta. O coeficiente de expansão linear
é dado por
onde
é uma dimensão característica do material.
Passo 3
Em ligações fortes (como covalentes ou iônicas), o poço de potencial é profundo e muito “estreito”. Isso significa:
• A energia de ligação é alta, logo a curva do potencial é mais simétrica em torno do valor de equilíbrio.
• A anarmonicidade é pequena, então o deslocamento médio com a temperatura cresce pouco.
• Consequência: o coeficiente é baixo e a expansão térmica é pequena.
• A energia de ligação é alta, logo a curva do potencial é mais simétrica em torno do valor de equilíbrio.
• A anarmonicidade é pequena, então o deslocamento médio com a temperatura cresce pouco.
• Consequência: o coeficiente
Passo 4
Em ligações fracas (como as de Van der Waals em sólidos moleculares ou filtros de grafeno), o poço de potencial é raso e largo. Isso leva a:
• Menor energia de ligação e maior assimetria no potencial.
• Anarmonicidade mais pronunciada, permitindo que as vibrações ampliem muito a distância média entre átomos.
• Consequência: o coeficiente é alto e a expansão térmica é grande.
• Menor energia de ligação e maior assimetria no potencial.
• Anarmonicidade mais pronunciada, permitindo que as vibrações ampliem muito a distância média entre átomos.
• Consequência: o coeficiente
Resposta
Materiais com ligações fortes exibem baixo coeficiente de expansão térmica (
pequeno) devido à anarmonicidade reduzida de um poço de potencial profundo e simétrico; materiais com ligações fracas exibem alto coeficiente de expansão (
grande) porque um poço de potencial raso e assimétrico gera maior aumento da distância média interatômica com a temperatura.