pmt2100 - gabarito da lista 1

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Introdução à Ciência dos Materiais para Engenharia PMT 2100 1

Lista de Exercícios. Teoria 2. Classificação dos materiais e ligações químicas

1. Na tabela apresentada abaixo, foi cometido um erro: foi feita uma inversão no tipo de ligação de dois dos materiais apresentados. Corrija o erro, justificando a sua correção.

Material Tipo de ligação química Temperatura de fusão (oC) NaCl Iônica 801

C (diamante) Covalente ~ 3550

SiO2 Covalente e secundária 1700 Ar Secundária (dipolo induzido) -189

H2O Secundária (dipolo permanente) 0 ao lado, escolha um dos dois materiais nelas representados (material a ou material b), justificando a sua escolha:

(a) material para uma aplicação na qual ocorre uma variação significativa de temperatura, e para a qual a estabilidade dimensional do corpo é fundamental (ou seja, deseja-se o material que sofra a menor variação dimensional com a temperatura); (b) material para uma aplicação onde não é desejável uma elevada rigidez (ou seja, deve ser escolhido o material, dentre os dois considerados, que apresente o menor módulo de elasticidade, também chamado módulo de Young).

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Lista de Exercícios. Teoria 2.

Resolução

Material Tipo de ligação química Temperatura de fusão (oC) NaCl Iônica 801

C (diamante) Covalente ~ 3550

O correto é covalente (no interior da molécula) e secundária (entre as moléculas) – as ligações secundárias são as responsáveis pelo baixo ponto de fusão

Cu Metálica 1085

SiO2 Covalente e secundária

O correto é iônica-covalente – as ligações de caráter predominantemente covalentes em toda a estrutura são as responsáveis pelo elevado ponto de fusão

[ver A abaixo]

Ar Secundária (dipolo induzido) -189

H2O Secundária (dipolo permanente) [ver B abaixo]

[A] Ligações iônicas x ligações covalentes

As ligações iônica e covalente são dois modelos extremos de ligação química. A maioria das ligações reais (covalentes e iônicas; as ligações metálicas não serão envolvidas na presente discussão¤) fica em algum lugar entre puramente iônica e puramente covalente. Quando descrevemos as ligações entre átomos iguais de elementos não metálicos, a ligação covalente é um ótimo modelo. O modelo covalente é bom, quando se considera ligações entre elementos não metálicos diferentes. Quando um metal e um não metal estão presentes, a ligação iônica é um bom modelo para a maioria dos compostos simples. Mas quão bons são estes modelos iniciais, e como podem ser melhorados?

Todas as ligações covalentes entre átomos diferentes implicam em ligações que possuem um certo caráter iônico. Essas ligações, nas quais resulta uma certa carga parcial, são chamadas ligações covalentes polares, e todas as ligações entre átomos de diferentes elementos são polares em alguma extensão.

A existência de cargas parciais pode ser vista como um sinal de que um par de elétrons está sujeito a um cabo de guerra entre dois átomos que o compartilham. A ligação covalente torna-se polar se um átomo tem um poder de atração maior que o outro átomo, porque então o par de elétrons é mais provavelmente encontrado próximo ao átomo que tem maior poder de atração. Esse poder de atração é chamado de eletronegatividade. Um átomo de

¤ Para dar um pouco de “apetite” para discussões mais aprofundadas: na verdade, as ligações metálicas não podem ser retiradas dessa discussão. De fato, a maioria dos metais de transição tem uma forte componente covalente na ligação (por isto que eles tem pontos de fusão maiores que os dos metais simples) e em certas ligas, em que há transferência de carga, mesmo uma contribuição iônica pode ser detectada.

Introdução à Ciência dos Materiais para Engenharia PMT 2100 3 um elemento com alta eletronegatividade tem maior poder de atrair elétrons, e tende a puxá-los para longe do átomo que tem menor eletronegatividade.

Exemplos de moléculas onde a ligação é covalente, mas apresentando polaridade diferente, são dados nas figuras abaixo: molécula do cloro gasoso (Cl2), e molécula da água (H2O). No cloro, a ligação é covalente e apolar, e na água a ligação é covalente, polar.

Molécula de Cl2 Molécula de água

As cores das regiões em torno da molécula da água indicam densidades eletrônicas: vermelho = maior densidade eletrônica; azul = menor densidade eletrônica. No caso da molécula de cloro gasoso, não existem cores indicando diferenças de densidade eletrônica.

Se as eletronegatividades dos elementos que participam da ligação covalente são muito diferentes, um dos átomos pode ficar com a parte do leão do par de elétrons: o elemento mais eletronegativo lembra um ânion, e o outro parece um cátion. Diz-se que tal ligação tem um caráter iônico considerável. No limite de diferenças muito grandes de eletronegatividade, a contribuição iônica domina a distribuição covalente, e é melhor considerar a ligação como iônica.

Não existe uma linha divisória imediata e clara entre as ligações covalente e iônica. Entretanto, uma boa regra diz que, se há uma diferença de eletronegatividade de cerca de duas unidades (a eletronegatividade pode ser quantificada, mas não será discutido como isso pode ser feito neste gabarito), isto significa que um grande caráter iônico está presente na ligação, e é melhor considerar a ligação como iônica. Para diferenças de eletronegatividade menores que 1,5 , uma descrição covalente da ligação é razoavelmente segura.

No caso do exercício, as eletronegatividades são de : Si = 1,9 e O = 3,4. A diferença entre ambas é igual a 1,5. O caráter da ligação poderia ser portanto descrito como predominantemente covalente, podendo, no entanto, ser afirmado que existe um caráter iônico na ligação. Dessa forma, o texto da questão, onde está escrito “iônica e covalente”, pode ser aplicado à ligação existente no SiO2, que possui na verdade caráter misto, iônico/covalente, porém com predominância do caráter covalente.

[Adaptado de Atkins, P. e Jones, L. – Princípios de Química. Porto Alegre. Bookman. 2001]

[B] Ligações secundárias na água

As ligações existentes no interior da molécula da água (as que ligam os hidrogênios e o oxigênio) são covalentes. A molécula da água é polar, constituindo um dipolo permanente. Por ser uma molécula polar, ocorrem ligações secundárias na água, entre distintas moléculas. Essas ligações, chamadas de pontes de hidrogênio, são as mais fortes das ligações secundárias, e são as responsáveis pelo fato de que a água, nas temperaturas e pressões ambientes, exista na forma líquida.

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Modelo simplificado de indicando as

ligações secundárias tipo ponte de hidrogênio entre diferentes moléculas de água. As regiões de maior densidade eletrônica próximas aos oxigênios (em vermelho) atraem as regiões de menor densidade eletrônica, próximas aos hidrogênios (em azul): são as pontes de hidrogênio, que também podem ocorrer entre moléculas orgânicas que possuam grupos hidroxila (OH), ou entre moléculas como o HCl, esquematizado abaixo (cloro representado em verde).

2a.material para uma aplicação na qual ocorre uma variação lenta da temperatura, e para a qual a estabilidade dimensional do corpo é fundamental (ou seja, deseja-se o material que sofra a menor variação dimensional com a temperatura) ® material a, uma vez que o coeficiente de expansão térmica é menor no material a, pois a sua curva de potencial é menos assimétrica (além do poço da curva de energia ser mais profundo, o que indica maior energia de ligação).

Material a

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Material b

2b.material para uma aplicação onde não é desejável uma elevada rigidez (ou seja, deve ser escolhido o material, dentre os dois considerados, que apresente o menor módulo de elasticidade) ® material b, uma vez que o módulo de elasticidade aumenta com a tangente da curva de força de ligação (dFN/dr), no ponto onde a força de ligação é nula (FN=0)

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