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
, 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