Sobre sólidos, líquidos e gases, responda:
a) Descreva as principais diferenças estruturais entre sólidos, líquidos e gases.
b) Por que os líquidos são menos compressíveis que os gases?
c) Utilizando a Teoria de Bandas e Teoria dos Orbitais Moleculares, explique por que há sólidos condutores, semicondutores e isolantes?

Passo 1

O enunciado pede que a gente compare a organização interna de sólidos, líquidos e gases, explique por que líquidos são menos compressíveis que gases e, por fim, use conceitos de Teoria de Bandas e de Orbitais Moleculares para justificar a existência de condutores, semicondutores e isolantes. O conteúdo envolve propriedades de estados da matéria e teoria eletrônica de sólidos.

Passo 2

As principais diferenças estruturais entre sólidos, líquidos e gases vêm da distância entre as partículas (átomos ou moléculas) e da força das interações intermoleculares:
  • Sólidos: as partículas estão muito próximas e ocupam posições fixas em uma rede cristalina ou arranjo amorfo. As forças intermoleculares (ou ligações químicas) são fortes, impedindo deslocamentos livres. Isso dá forma e volume definidos.
  • Líquidos: as partículas ainda estão próximas, mas não têm posição fixa: conseguem deslizar umas sobre as outras. As forças intermoleculares são moderadas, suficientes para manter um volume constante mas não uma forma fixa. Por isso o líquido assume a forma do recipiente.
  • Gases: as partículas estão muito distantes e praticamente não interagem (forças intermoleculares são desprezíveis). Movem-se livremente e ocupam todo o volume disponível, sem forma ou volume fixos.

Passo 3

Líquidos são menos compressíveis que gases porque as moléculas num líquido já estão quase encostadas; não há “espaço vazio” significativo para reduzir o volume. Num gás, as partículas estão longe umas das outras, então, ao aplicar pressão, elas simplesmente se aproximam muito mais, reduzindo bastante o volume. Em um líquido, as interações fortes e o pequeno espaço livre impedem essa aproximação, tornando a compressibilidade muito baixa.

Passo 4

Na Teoria de Bandas e na Teoria dos Orbitais Moleculares aplicadas a sólidos:
  • Quando muitos átomos se aproximam para formar um sólido, seus orbitais atômicos se combinam para gerar bandas de energia contínuas.
  • A banda de menor energia, totalmente ocupada, chama-se banda de valência. Logo acima fica a banda de condução, inicialmente vazia.
  • Se não houver sobreposição entre essas bandas e o gap (intervalo proibido) for grande (geralmente > \,3\text{ eV}), elétrons não saltam até a banda de condução, caracterizando um isolante.
  • Se o gap for pequeno (em torno de \,1\text{ eV}), como em semicondutores, uma fração de elétrons consegue pular termicamente para a banda de condução, permitindo condução moderada e controlável.
  • Se as bandas de valência e de condução se sobrepõem ou a banda de valência estiver parcialmente preenchida, há elétrons livres em níveis de energia muito próximos, resultando em alta condutividade típica de condutores metálicos.

Resposta

a)
  • Sólidos: partículas em rede fixa, fortes interações, forma e volume definidos.
  • Líquidos: partículas próximas mas móveis, interações moderadas, volume definido e forma variável.
  • Gases: partículas afastadas, interações fracas, forma e volume variáveis.
b)
Porque em líquidos as moléculas já estão quase “coladas” e não há espaço para que o volume diminua significativamente sob pressão, ao contrário dos gases onde há muito espaço vazio.
c)
Na Teoria de Bandas, a combinação de orbitais em um sólido gera bandas de valência e de condução separadas por um gap.
  • Isolantes têm gap grande (> \,3\text{ eV}), impedindo a passagem de elétrons.
  • Semicondutores têm gap pequeno \sim1\text{ eV}, permitindo ativação térmica de elétrons.
  • Condutores têm bandas sobrepostas ou parcialmente preenchidas, fornecendo elétrons livres para condução.

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