5- As ligações químicas influenciam as características de materiais cerâmicos. Quais são as características, em relação às propriedades, de cerâmicas iônicas e cerâmicas covalentes?

Passo 1

O enunciado pede para comparar, do ponto de vista das propriedades físicas e químicas, dois tipos de cerâmicas classificados pelo tipo de ligação predominante: cerâmicas iônicas e cerâmicas covalentes. Para isso vamos usar conceitos de química de ligas: grau de direção da ligação, energia de dissociação e mobilidade de portadores de carga.

Passo 2

Cerâmicas iônicas têm suas partículas unidas por forças eletrostáticas não-direcionais entre cátion e ânion. Por isso apresentam:
  • elevada energia de ligação—resultando em altos pontos de fusão e ebulição;
  • forte dureza mas baixa tenacidade—são rígidas porém muito frágeis a tensões de tração ou choque;
  • isolantes elétricos à temperatura ambiente—não há elétrons livres, mas podem conduzir íons a temperaturas elevadas (uso em eletrolisadores, sensores de oxigênio);
  • condutividade térmica moderada a baixa—vibrações de rede (fônon) são seu principal mecanismo de transporte de calor, e a dispersão ocorre facilmente em defeitos iônicos;
  • coeficiente de expansão térmica relativamente alto—suscetíveis a choque térmico se a forma não for bem controlada.

Passo 3

Cerâmicas covalentes têm ligações altamente direcionais entre átomos (por exemplo, Si–Si, C–C em diamante). Isso confere:
  • energia de ligação ainda maior em alguns casos—levando a pontos de fusão/exotermia de dissociação muito altos;
  • dureza extrema e módulo de elasticidade elevado—são materiais muito rígidos e resistentes a deformação elástica;
  • tenacidade baixa, mas geralmente melhor resistência a choque térmico que as iônicas—graças ao coeficiente de expansão térmica baixo;
  • isolantes elétricos a baixas temperaturas—não há portadores de carga livres;
  • condutividade térmica elevada em certos casos (por exemplo, diamante, SiC)—devido à forte ligação direcional e baixa dispersão de fônons.

Resposta

Cerâmicas iônicas
  • Alto ponto de fusão, boa dureza, mas muito frágeis (baixa tenacidade)
  • Isolantes elétricos a 25^\circ\mathrm C, conduzem íons em alta temperatura
  • Condutividade térmica moderada a baixa, coeficiente de expansão relativamente alto
Cerâmicas covalentes
  • Pontos de fusão ainda maiores, dureza e módulo elástico muito altos, porém também frágeis
  • Isolantes elétricos (sem condução iônica), excepcional resistência a choque térmico
  • Condutividade térmica alta em compostos como diamante e SiC, coeficiente de expansão baixo

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