(2 pontos ) Dê uma explicação para a razão pela qual materiais poliméricos são em geral menos densos que materiais cerâmicos ou metálicos. O que caracteriza estes materiais?

Passo 1

O enunciado pede para explicar por que materiais poliméricos em geral apresentam densidade \rho menor que materiais cerâmicos ou metálicos, e também caracterizar cada um desses grupos. Para isso vamos usar os conceitos de densidade, massa atômica/peso molecular e arranjo estrutural dos sólidos.

Passo 2

A densidade de um material é definida por
\rho = \frac{m}{V},
onde m é a massa e V o volume que ela ocupa. Dois fatores principais impactam \rho:
  1. A massa dos constituintes atômicos ou moleculares (átomos mais pesados tendem a aumentar m).
  2. O volume efetivo ocupado pela estrutura, que depende do empacotamento dos átomos/moléculas e do chamado volume livre (vazios internos).

Passo 3

Nos polímeros temos cadeias macromoleculares formadas basicamente por átomos leves (carbono e hidrogênio) ligados covalentemente em backbones longos. Essas cadeias se acomodam de forma amorfa ou semi-cristalina, mantendo entre elas grandes espaços vazios preenchidos por interações secundárias (van der Waals). Esse “volume livre” tipicamente chega a 10\% 30\% do volume total, e as unidades repetitivas ( \text{–CH}_2\text{–}, por exemplo) têm baixo peso molecular por átomo, o que gera densidades baixas, tipicamente
\rho_{\rm polímero}\approx 0{,}9\text{–}2{,}2\;\mathrm{g/cm^3}.í

Passo 4

Em metais, os átomos são mais pesados (por exemplo, Fe, Cu, Al) e organizam-se em redes cristalinas densamente empacotadas (fatores de empacotamento \sim0{,}68 a 0{,}74), com ligações metálicas fortes e poucos vazios internos. Cerâmicos apresentam ligações iônicas ou covalentes também muito rígidas e uma estrutura cristalina com poucos defeitos de empacotamento. Isso reduz o volume livre e aumenta a massa por unidade de volume, resultando em
\rho_{\rm metal}\approx 2{,}7\text{–}19{,}3\;\mathrm{g/cm^3},\quad \rho_{\rm cerâmica}\approx 2{,}5\text{–}6\;\mathrm{g/cm^3}.â

Passo 5

Como consequência, a combinação de átomos mais leves e grande fração de volume livre nos polímeros faz com que
\rho_{\rm polímero} \;<\; \rho_{\rm cerâmica}\;\text{ou}\;\rho_{\rm metal}.íâ

Passo 6

Em resumo, caracteriza-se:
– Polímeros: macromoléculas orgânicas com backbone covalente, interações secundárias fracas e alto volume livre (baixa densidade).
– Metais: sólido cristalino com átomos pesados, ligações metálicas e alto fator de empacotamento (densidade alta).
– Cerâmicos: sólido cristalino iônico/covalente, estruturas rígidas e pouco volume livre (densidade intermediária a alta).

Resposta

Materiais poliméricos têm densidade menor porque são formados por cadeias de átomos leves (C, H) com muitas lacunas internas (alto volume livre), ligadas por forças secundárias fracas, enquanto metais e cerâmicos contêm átomos mais pesados organizados em redes cristalinas fortemente empacotadas, resultando em \rho_{\rm polímero}<\rho_{\rm cerâmica},\rho_{\rm metal}íâ.

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