EXPANSÃO TÉRMICA
Dê exemplos de materiais e explique o comportamento térmico deles correlacionando-os ao tipo de ligação predominante no material.
Dê exemplos de materiais e explique o comportamento térmico deles correlacionando-os ao tipo de ligação predominante no material.
Passo 1
O enunciado pede que a gente dê exemplos de diferentes materiais e explique como o coeficiente de expansão térmica de cada um está relacionado ao tipo de ligação química que predomina no material. O conteúdo envolve o conceito de expansão térmica linear, expresso pela fórmula
onde
é o coeficiente de expansão térmica (linear),
a variação de temperatura.)
Passo 2
Materiais metálicos têm elétrons livres que formam uma “nuvem eletrônica” não direcional em torno de átomos fixos. Essa estrutura permite que, ao aquecer, os núcleos atômicos vibrem mais e se afastem com relativa facilidade, resultando em coeficientes de expansão típicos da ordem de
. Um exemplo clássico é o alumínio. Seus átomos organizam-se numa rede cúbica de faces centradas e, por causa das ligações metálicas não direcionais, o alumínio apresenta
Passo 3
Em compostos iônicos, como o cloreto de sódio, as ligações entre cátion e ânion são mais rígidas e direcionais devido à atração eletrostática forte. Por isso, quando a temperatura aumenta, a ampliação da rede cristalina é menor do que nos metais. No NaCl, por exemplo,
que é cerca de cinco vezes menor que no alumínio.
Passo 4
Materiais covalentes de rede, como o diamante, apresentam ligações extremamente rígidas e direcionalíssimas (cada átomo de carbono liga-se a quatro vizinhos num arranjo tetraédrico). Essas ligações fortes dificultam muito o aumento das distâncias interatômicas com o calor. O diamante tem um coeficiente de expansão tão baixo que, em muitas aplicações de alta precisão, ele é considerado praticamente invariante sob variações de temperatura moderadas.
Passo 5
Vidros e cerâmicas de estrutura amorfa ou parcialmente cristalina (p. ex., sílica vítrea) têm ligações covalentes em cadeia ou em redes irregulares. Seu coeficiente de expansão fica entre o dos metais e dos cristais iônicos, tipicamente em torno de
Isso os torna úteis onde se requer baixa deformação térmica.
Passo 6
Polímeros, como o politetrafluoretileno (PTFE), têm cadeias moleculares flexíveis unidas por ligações covalentes ao longo da cadeia, mas apenas interações fracas (Van der Waals) entre as cadeias. Essa mobilidade leva a coeficientes de expansão bastante altos, da ordem de
ou seja, vários vezes maior que nos metais.
Resposta
Alumínio (ligação metálica) –
, relativamente alto devido a elétrons livres não direcionais.
NaCl (ligação iônica) – , menor porque as forças eletrostáticas rígidas limitam o afastamento iônico.
Diamante (ligações covalentes de rede) – quase nulo, pois ligações covalentes tetraédricas muito rígidas impedem expansão.
Sílica vítrea (ligações covalentes em rede amorfa) – , baixo por causa da rigidez da rede.
PTFE (cadeias poliméricas com interações de Van der Waals) – , alto devido à flexibilidade das cadeias e fracas forças intermoleculares.
NaCl (ligação iônica) –
Diamante (ligações covalentes de rede) –
Sílica vítrea (ligações covalentes em rede amorfa) –
PTFE (cadeias poliméricas com interações de Van der Waals) –