EXPANSÃO TÉRMICA
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
\Delta L = \alpha \,L_{0}\,\Delta T
onde \alpha é o coeficiente de expansão térmica (linear), L_{0}$ é o comprimento inicial e \(\Delta T 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 \alpha\approx10^{-5}\,\text{K}^{-1}. 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
\alpha_{\text{Al}}\approx 23\times10^{-6}\,\text{K}^{-1}\,.

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,
\alpha_{\text{NaCl}}\approx 4\times10^{-6}\,\text{K}^{-1}\,,
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
\alpha_{\text{sílica vítrea}}\approx 0,5\times10^{-6}\,\text{K}^{-1}\,.íí
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
\alpha_{\text{PTFE}}\approx 100\times10^{-6}\,\text{K}^{-1}\,,
ou seja, vários vezes maior que nos metais.

Resposta

Alumínio (ligação metálica) – \alpha\approx23\times10^{-6}\,\text{K}^{-1}, relativamente alto devido a elétrons livres não direcionais.
NaCl (ligação iônica) – \alpha\approx4\times10^{-6}\,\text{K}^{-1}, menor porque as forças eletrostáticas rígidas limitam o afastamento iônico.
Diamante (ligações covalentes de rede) – \alpha quase nulo, pois ligações covalentes tetraédricas muito rígidas impedem expansão.
Sílica vítrea (ligações covalentes em rede amorfa) – \alpha\approx0,5\times10^{-6}\,\text{K}^{-1}, baixo por causa da rigidez da rede.
PTFE (cadeias poliméricas com interações de Van der Waals) – \alpha\approx100\times10^{-6}\,\text{K}^{-1}, alto devido à flexibilidade das cadeias e fracas forças intermoleculares.

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