Por que os sólidos metálicos conduzem eletricidade e os sólidos iônicos não? Explique nos termos das teorias de ligação química.
Passo 1
O que o enunciado pede: explicar, nos termos das teorias de ligação química, por que os sólidos metálicos conduzem eletricidade enquanto os sólidos iônicos não (no estado sólido).
Informações/pressupostos relevantes que vamos usar: (1) estamos falando de sólidos no estado sólido (temperatura ambiente, a menos que eu diga o contrário); (2) conduzir eletricidade significa permitir o movimento ordenado de cargas sob um campo elétrico; (3) vou usar conceitos de ligação metálica, ligação iônica, modelo de elétrons deslocalizados e teoria de bandas.
Informações/pressupostos relevantes que vamos usar: (1) estamos falando de sólidos no estado sólido (temperatura ambiente, a menos que eu diga o contrário); (2) conduzir eletricidade significa permitir o movimento ordenado de cargas sob um campo elétrico; (3) vou usar conceitos de ligação metálica, ligação iônica, modelo de elétrons deslocalizados e teoria de bandas.
Passo 2
O que é preciso para que um material conduza eletricidade (conceito central).
- Condução elétrica requer duas coisas básicas: haver portadores de carga disponíveis e esses portadores terem mobilidade (ou seja, poderem deslocar-se quando aplicamos um campo elétrico).
- Uma fórmula simples que captura isso é a condutividade elétrica:
onde
é a condutividade,
é a densidade de portadores livres (número de portadores por volume),
é a carga elementar (módulo), e
é a mobilidade média desses portadores.
- Conclusão prática: materiais condutores têm grande
e/ou boa ; isolantes têm muito pequeno e/ou muito baixa.
Passo 3
Ligação metálica — modelo qualitativo (por que metais têm muitos portadores).
- Em um metal (ex.:
), os átomos têm elétrons de valência que não ficam presos a um átomo só. Em vez disso existe um “mar” de elétrons deslocalizados que se espalham por todo o cristal. Esse é o modelo de ligação metálica (ou “electron sea”). - Em termos quantizados: quando átomos se agrupam formando um cristal, os seus orbitales atômicos se sobrepõem e formam bandas de energia. Para muitos metais a banda que contém os elétrons de valência está parcialmente preenchida, ou a banda de valência e a banda de condução se sobrepõem. Isso significa que existem estados de energia muito próximos disponíveis para que elétrons se movam sob um campo elétrico.
- Consequência:
(densidade de elétrons livres) é alta — tipicamente da ordem de — e as mobilidades são razoavelmente altas porque os elétrons são leves e respondem rapidamente ao campo. Por isso metais conduzem bem.
Passo 4
Teoria de bandas — explicação mais formal e relação com condução.
- Breve sobre bandas: em sólidos cristais formam-se a banda de valência (estados ocupados) e a banda de condução (estados vazios). A capacidade de conduzir depende de como essas bandas estão ocupadas.
- Três casos úteis:
- Metais: banda parcialmente ocupada ou bandas sobrepostas → há estados de energia imediatamente disponíveis para elétrons se moverem → condutor.
- Isolantes iônicos: banda de valência totalmente ocupada e banda de condução vazia, separadas por uma grande lacuna de energia ) → elétrons não conseguem pular para a banda de condução com a energia térmica disponível → isolante.
- Semicondutores: lacuna
pequena; com excitação térmica ou dopagem geram portadores e então conduzem.
- Importante: para metais
(ou bandas sobrepostas); para muitos sólidos iônicos é grande (vários eV).
Passo 5
Ligação iônica e por que ela tende a produzir isolamento no estado sólido.
- Em sólidos iônicos (ex.:
, ) a ligação é principalmente eletrostática entre cátions e ânions. Os elétrons de valência ficam localizados nos ânions (ou ligados fortemente aos íons) — não há “mar” de elétrons deslocalizados. - Em termos de bandas: a banda de valência, formada por estados preenchidos (associados aos ânions), fica bem separada da banda de condução; a lacuna de energia
é grande. Por exemplo, para está na ordem de várias elétron-volts (tipicamente ). - Comparação com energia térmica: a energia térmica disponível à temperatura ambiente é
onde
é a constante de Boltzmann. Como
em um sólido iônico é milhares de vezes maior que
, a probabilidade de excitar um elétron da banda de valência para a de condução é praticamente nula:
Logo
(portadores eletrônicos livres) é praticamente zero no estado sólido.
Passo 6
Mobilidade dos portadores e diferença entre elétrons livres e íons.
- Mesmo que, teoricamente, um íon carregado pudesse se mover sob um campo, em um sólido cristalino os íons estão fixos nas suas posições da rede por fortes forças eletrostáticas e potenciais de rede; a mobilidade iônica
no estado sólido é extremamente baixa. - Assim, em sólidos iônicos no estado sólido não existem portadores livres suficientes (elétrons) e os portadores que existem (íons) não conseguem se mover; ambos os fatores tornam
praticamente nula. - Quando o sólido iônico é fundido ou dissolvido em água, as ligações da rede são rompidas e os íons ficam livres para se mover; aí a condutividade elétrica é alta porque
de íons móveis aumenta muito e passa a ser grande o suficiente.
Passo 7
Resumo comparativo em termos das teorias de ligação
- Metais (ligação metálica / bandas sobrepostas): elétrons deslocalizados, banda parcialmente preenchida → muitos portadores livres (
grande) e boa mobilidade ( ) → condução elétrica. - Sólidos iônicos (ligação iônica / bandas separadas): elétrons localizados nos íons, banda de valência cheia e banda de condução vazia separadas por grande
→ praticamente nenhum portador eletrônico ( ≈ 0) e íons fixos na rede (baixa ) → não conduzem no estado sólido. - Observação prática: sólidos iônicos conduzem quando fundidos ou em solução (movimento de íons) e certos esclerosos com defeitos ou dopagem podem apresentar condutividades pequenas, mas isso não contradiz a explicação de base.
Passo 8
Exemplos concretos e números para fixar a intuição (pequena aula aplicada)
- Metal: cobre (
) tem densidade de elétrons de condução e condutividade elétrica elevada (da ordem de ). - Íon sólido:
tem . A probabilidade de gerar elétrons livres à temperatura ambiente é desprezível; por isso é praticamente zero no estado sólido. - Conclusão prática: a diferença essencial é qualitativa e quantitativa — disponibilidade de elétrons livres e mobilidade — e essa diferença é explicada diretamente pelos modelos de ligação (metálica vs iônica) e pela teoria de bandas.
Passo 9
Motivação final e incentivo (um empurrãozinho de amigo)
- Em resumo: pense no metal como uma pista larga cheia de carros (elétrons) prontos para correr quando abrimos a cancelinha (aplicamos uma tensão); no sólido iônico os carros estão presos em garagens fechadas (elétrons localizados/íons presos) e não há pista livre.
- Você já tem a ideia principal: se precisas, pratique explicando com suas próprias palavras usando os termos “elétrons deslocalizados”, “banda parcialmente preenchida”, "lacuna de energia
" e “íons fixos na rede” — com isso você arrebenta na prova.
Resposta
Sólidos metálicos conduzem porque, pela ligação metálica e pela teoria de bandas, têm elétrons de valência deslocalizados (ou bandas sobrepostas) que formam uma banda de condução parcialmente preenchida, providenciando muitos portadores livres
com boa mobilidade
, o que resulta em alta condutividade. Sólidos iônicos não conduzem no estado sólido porque os elétrons estão localizados nos íons, a banda de valência está cheia e a banda de condução fica muito acima (grande lacuna de energia
), de modo que não existem portadores eletrônicos livres térmicos e os íons estão presos na rede (mobilidade iônica praticamente nula); por isso a condutividade elétrica no sólido iônico é praticamente zero (apenas conduz quando fundido ou em solução, quando os íons podem se mover).