O que explica o alto ponto de fusão dos materiais cerâmicos?

Passo 1

O enunciado pergunta: “O que explica o alto ponto de fusão dos materiais cerâmicos?”
Conteúdo da matéria: química dos sólidos cristalinos, ligações iônicas e covalentes e energia reticular.
O que vamos precisar para resolver: entender como a natureza e a força dessas ligações influenciam a energia necessária para fundir (quebrar) a estrutura do material.

Passo 2

Primeiro, vamos lembrar o que é ponto de fusão. É a temperatura em que as forças que mantêm os átomos ou íons juntos em um sólido são vencidas pelo calor, fazendo o sólido virar líquido.
Nos cerâmicos, os átomos estão ligados por ligações iônicas e/ou covalentes muito fortes.
  1. Ligação iônica: ocorre entre íons positivos e negativos. A força de atração coulômbica é dada por
U = NA Z^+ Z^- e^24 pi varepsilon0 r0l(1 - 1nr)
onde
= número de Avogadro
, = cargas dos íons
= carga elementar
= permissividade do vácuo
= distância entre os centros iônicos
= constante de repulsão.
Quanto maior e menor , maior o valor de (energia reticular), maior a energia necessária para separar os íons e, portanto, maior o ponto de fusão.
  1. Ligação covalente (presente em alguns cerâmicos, como o SiO₂): envolve compartilhamento de elétrons e cria uma rede tridimensional bem rígida. Quebrar essas ligações exige energia alta também.

Passo 3

Agora, juntando as duas ideias:
  • Cerâmicos típicos (óxidos, carbetos, nitretos) têm arranjos cristalinos com íons altamente carregados e/ou fortes ligações covalentes.
  • A energia reticular desses sólidos é grande, o que significa que você precisa de muita energia térmica (alta temperatura) para vencer as forças de atração e provocar a fusão.

Resposta

O alto ponto de fusão dos materiais cerâmicos se deve principalmente à sua elevada energia reticular, resultado de fortes ligações iônicas (com altas cargas e curtas distâncias iônicas) e, em muitos casos, ligações covalentes em rede, o que exige muita energia para quebrar essas interações e levar o cristal à fase líquida.

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