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
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
onde
é a massa e
o volume que ela ocupa. Dois fatores principais impactam
:
- A massa dos constituintes atômicos ou moleculares (átomos mais pesados tendem a aumentar
). - 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
–
do volume total, e as unidades repetitivas (
, por exemplo) têm baixo peso molecular por átomo, o que gera densidades baixas, tipicamente
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
a
), 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
Passo 5
Como consequência, a combinação de átomos mais leves e grande fração de volume livre nos polímeros faz com que
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).
– 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
.