Explique por que razões materiais metálicos apresentam, em geral, densidades maiores que os materiais cerâmicos e estes maiores que os materiais poliméricos.
Passo 1
O enunciado pede para explicar por que, de modo geral, materiais metálicos têm densidades maiores que cerâmicos, e estes maiores que polímeros. O conteúdo envolvido é o conceito de densidade e como a estrutura atômica ou molecular (massa dos átomos/moléculas e eficiência de empacotamento) influencia o valor de densidade.
Passo 2
A densidade de um material é definida por
onde
é a massa e
o volume ocupado. Para um sólido cristalino ou molecular, podemos pensar em dois fatores principais que determinam
:
- a massa atômica ou molar média dos constituintes;
- o volume efetivo ocupado por cada átomo ou unidade estrutural, que depende do empacotamento atômico ou do “free volume” entre moléculas.
Passo 3
Nos metais, os átomos são geralmente de elementos mais pesados (como ferro, cobre, tungstênio) e adotam estruturas cristalinas de empacotamento muito eficiente, por exemplo:
– Cúbica de face centrada (FCC) ou hexagonal compacta (HCP) com fator de empacotamento volumétrico em torno de 0,74;
– Razão de coordenação alta .
Isso significa que, por ter átomos relativamente pesados e pouco espaço vazio entre eles, os metais apresentam valores altos de , tipicamente em
a
.
– Cúbica de face centrada (FCC) ou hexagonal compacta (HCP) com fator de empacotamento volumétrico em torno de 0,74;
– Razão de coordenação alta
Isso significa que, por ter átomos relativamente pesados e pouco espaço vazio entre eles, os metais apresentam valores altos de
Passo 4
Nos cerâmicos, os constituintes são quase sempre átomos mais leves (por exemplo, oxigênio, silício, alumínio) e formam ligações iônicas ou covalentes em redes cristalinas menos densamente empacotadas.
– Fator de empacotamento volumétrico típico em torno de ou menor;
– Presença de vacâncias ou câmaras na rede (por ex., na estrutura de perovskita ou zeólitas).
Como a massa atômica média é menor que a dos metais e o espaço vazio na rede é maior, as densidades caem para valores intermediários, tipicamente entre e
.
– Fator de empacotamento volumétrico típico em torno de
– Presença de vacâncias ou câmaras na rede (por ex., na estrutura de perovskita ou zeólitas).
Como a massa atômica média é menor que a dos metais e o espaço vazio na rede é maior, as densidades caem para valores intermediários, tipicamente entre
Passo 5
Nos polímeros, as cadeias são formadas por átomos muito leves (carbono, hidrogênio, às vezes oxigênio ou nitrogênio) e a estrutura é em grande parte amorfa ou parcialmente cristalina com elevado “free volume” (5–20 %).
– Massa atômica efetiva baixa (C: , H:
);
– Empacotamento pouco eficiente das cadeias longas, gerando muitos espaços vazios.
Por isso as densidades são ainda menores, geralmente entre e
.
– Massa atômica efetiva baixa (C:
– Empacotamento pouco eficiente das cadeias longas, gerando muitos espaços vazios.
Por isso as densidades são ainda menores, geralmente entre
Passo 6
Resumindo a comparação:
– Metais: átomos pesados + empacotamento compacto ⇒ alto.
– Cerâmicos: átomos mais leves + rede menos densa ⇒ intermediário.
– Polímeros: átomos leves + muito espaço vazio ⇒ baixo.
– Metais: átomos pesados + empacotamento compacto ⇒
– Cerâmicos: átomos mais leves + rede menos densa ⇒
– Polímeros: átomos leves + muito espaço vazio ⇒
Resposta
Materiais metálicos têm alta massa atômica e empacotamento cristalino eficiente, resultando em densidades mais elevadas; materiais cerâmicos combinam átomos mais leves e redes com espaços vazios, produzindo densidades moderadas; polímeros são formados por cadeias de átomos leves e apresentam grande “free volume”, portanto têm as menores densidades.