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Forças Intermoleculares, Líquidos e Sólidos

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Forças Intermoleculares, Líquidos e Sólidos
INSTITUTO POLITÉCNICO DE TOMAR
ESCOLA SUPERIOR DE TECNOLOGIA DE TOMAR
DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA QUÍMICA E DO AMBIENTE
FORÇAS INTERMOLECULARES
e ESTADOS CONDENSADOS DA MATÉRIA
Valentim Maria Brunheta Nunes
Tomar (2007)
1
3.1. Forças Intermoleculares
As forças atractivas entre moléculas são designadas por forças
intermoleculares. Estas forças são responsáveis pela existência de estados
condensados da matéria, líquidos e sólidos, e condicionam em grande parte
as suas propriedades.
Consideremos uma dada porção de gelo (água no estado sólido) que é
aquecido. À temperatura de 0 °C o gelo vai fundir, a temperatura constante,
até toda a água passar ao estado líquido. Se continuarmos a aquecer a
água, a temperatura vai subir gradualmente, até atingir 100 °C, temperatura à
qual a água entra em ebulição. Toda a água passa então ao estado gasoso,
encontrando-se as moléculas afastadas umas das outras.
Em todo este processo apenas ocorrem transformações físicas, pois a
identidade das moléculas não foi alterada, isto é, não foram quebradas
ligações químicas intramoleculares. O tipo de ligações quebradas foram
ligações intermoleculares, existentes entre as moléculas.
Em suma, as ligações químicas intramoleculares ou primárias são as
ligações covalente, iónica e metálica, enquanto as ligações intermoleculares
ou secundárias são ligações físicas. Estas ligações são de menor energia
que as ligações químicas.
3.1.1. Ligações dipolo-dipolo e dipolo-dipolo induzido
As ligações dipolo-dipolo ocorrem entre moléculas polares, e têm origem
na atracção entre polos opostos de moléculas adjacentes. Podemos
representar esta ligação da seguinte forma:
2
δ+
X
δ+
δ-
Y
δ-
Y
X
Ligação dipolo-dipolo (intermolecular)
Na acetona, por exemplo, temos:
CH3
CH3
δ+
δ-
C=O
CH3
δ+
δ-
C=O
CH3
Quanto maior for o momento dipolar, e mais pequenas as moléculas,
maior a força da atracção dipolo-dipolo.
As ligações dipolo-dipolo induzido, são devidas à acção de uma molécula
polar sobre uma molécula apolar. A distribuição electrónica desta última vai
ser distorcida por acção da força exercida pela molécula polar, induzindo-lhe
um dipolo instantâneo.
Quanto maior o número de electrões numa molécula maior a
polarizabilidade, e mais facilmente é induzido um dipolo. A polarizabilidade é
uma medida da facilidade com que a distribuição electrónica de um átomo
neutro ou molécula pode ser distorcida.
3.1.2. Forças de dispersão de London
Podemos agora colocar a seguinte questão: que tipo de ligações existem
entre moléculas apolares? De facto, o metano, CH4, e o azoto, N2, são
exemplos de moléculas apolares, que são gases à temperatura e pressão
ambiente. Contudo estes gases podem ser liquefeitos. O tipo de ligação que
ocorre entre as moléculas apolares é designado por ligações de London.
3
As ligações de London têm origem em assimetrias momentâneas nas
nuvens electrónicas das moléculas, que actuam como dipolos fracos
instantâneos. Este tipo de ligação ocorre em todas as moléculas, apolares ou
polares.
As forças de London podem ser mais fortes do que as dipolo-dipolo em
moléculas com grandes nuvens electrónicas. Com efeito, as forças de
London são tanto mais fortes quanto maior a nuvem electrónica, ou seja,
quanto maior a polarizabilidade.
Para realçar a importância das forças de London, considerem-se os
seguintes compostos apolares: o CF4 é um gás, o CCl4 é um líquido, e o CI4
é um sólido à pressão e temperatura ambiente. O ponto de fusão aumenta
com o aumento das forças de London, pois o iodo é destes átomos o mais
volumoso.
3.1.3. Ligações de hidrogénio e estrutura da água
A ligação de hidrogénio é um tipo especial de ligação dipolo-dipolo e
ocorre entre um átomo de hidrogénio e átomos bastante electronegativos,
como o O, N ou F.
X
H
X
H
Ligação de hidrogénio; X = O,N ou F
Este tipo de ligação ocorre por exemplo entre as moléculas de água
unidas entre si no estado sólido ou líquido. Na figura seguinte encontra-se
esquematizada a estrutura da água, no estado sólido. Cada molécula de
água encontra-se ligada a quatro outras moléculas através de ligações de
hidrogénio.
4
Figura 1. Estrutura da água no estado sólido
A ligação de hidrogénio é a mais forte de todas as interacções
intermoleculares. Os compostos que apresentam ligações deste tipo têm
pontos de fusão e ebulição mais elevados do que seria de esperar, com base
no tamanho das moléculas.
A água particularmente apresenta um conjunto de propriedades muito
especiais. As ligações de hidrogénio conferem à água uma capacidade
calorífica elevada, calor de vaporização elevado, etc. A capacidade calorífica
elevada permite à água absorver grandes quantidades de calor, sem sofrer
aumento
de
temperatura
significativo.
Isto
deve-se
à
energia
ser
‘armazenada’ nas ligações de hidrogénio. Este é um dos aspectos essenciais
para vida na Terra.
Na figura seguinte mostra-se a variação da densidade da água com a
temperatura. Repare-se que ao contrário de todos os outros líquidos, a
densidade do sólido (gelo) é mais baixa do que a do líquido (ou se
quisermos, o volume molar é maior).
5
Figura 2. Variação da densidade da água com a temperatura (a densidade do gelo é
-3
~925 kg.m a 0 ºC)
Esta característica única da água deve-se mais uma vez à existência de
ligações de hidrogénio entre as moléculas de água. Durante o processo de
fusão algumas destas ligações são quebradas, permitindo o ‘aproximar’ das
moléculas, o que aumenta a densidade. Só a partir de ~4°C é que o aumento
de temperatura faz diminuir a densidade, tal como nos outros líquidos, devido
à agitação térmica das partículas.
A água é igualmente um excelente solvente para vários tipos de solutos
iónicos e polares. A hidratação de não-electrólitos (substâncias que
dissolvidas em água não conduzem a electricidade) faz-se sobretudo através
da formação de ligações de hidrogénio entre o soluto e a água.
A hidratação iónica é a que envolve interacções mais fortes. O ião tende
a atrair as moléculas de água para o seu redor, através de interacções iãodipolo. Na figura seguinte mostra-se a estrutura de um catião hidratado, em
solução aquosa:
6
Figura 3. Estrutura de um ião hidratado em solução (esfera de hidratação primária e
secundária)
Na figura seguinte encontram-se os pontos de fusão e de ebulição de
algumas substâncias. Repare-se nas temperaturas elevadas para a água,
quando comparada com moléculas semelhantes com elementos do mesmo
grupo
Figura 4. Pontos de ebulição dos hidretos do grupo VI da tabela periódica
7
3.2. Estrutura de líquidos
Já referimos no item anterior alguns aspectos referentes à estrutura da
água. A estrutura e propriedades dos líquidos são em grande parte
determinadas pelas forças intermoleculares. Algumas das propriedades
importantes dos líquidos são a sua tensão superficial,
viscosidade
e
pressão de vapor.
3.2.1. Tensão superficial
A tensão superficial de um líquido, γ, é a quantidade de energia
necessária para aumentar a área de superfície de um líquido, de uma
unidade. As unidades de γ são o N m-1. A tensão superficial é uma medida da
‘força’ existente à superfície de um líquido.
Quanto mais fortes as interacções intermoleculares maior a tensão
superficial de um líquido. Uma das características da água, para além das já
referidas, é precisamente a sua elevada tensão superficial, quando
comparada com outros líquidos.
Na figura 5 compara-se a tensão superficial da água, um líquido polar,
com um líquido apolar, um hidrocarboneto. No caso da água a atracção entre
moléculas é grande, e esta tende a formar gotas sobre a superfície, por
exemplo a superfície metálica de um carro. No caso dos hidrocarbonetos, a
tensão superficial é baixa, e este tende a ‘espalhar-se’ ao longo da
superfície. O mesmo efeito se obtém adicionando surfactantes (detergentes)
á agua.
8
Figura 5. Diferença de tensão superficial na água e num hidrocarboneto.
3.2.2. Viscosidade
A viscosidade de um fluido, η, é uma medida da resistência que esse
fluido oferece ao escoamento. As unidades de η são o Pa.s. Quanto maior a
viscosidade mais lentamente flui o líquido.
Os
líquidos
que
têm
maiores
forças
intermoleculares
também
apresentam viscosidade mais elevada. A água tem uma viscosidade superior
à de muitos outros líquidos com moléculas de maior dimensão devido à
formação de ligações de hidrogénio.
Outro exemplo interessante é o glicerol, cuja estrutura é a seguinte:
9
Figura 6. Estrutura do glicerol
As ligações entre os grupos OH explicam a viscosidade elevada para
este líquido.
3.2.3. Pressão de vapor
Considere-se a seguinte figura:
Figura 7. Pressão de vapor de um líquido
Um líquido está contido num recipiente fechado. A uma dada
temperatura, algumas moléculas conseguem “escapar” do estado líquido, isto
é vaporizam, enquanto outras retornam ao estado líquido (condensação). À
pressão exercida pelo gás em equilíbrio chamamos pressão de vapor.
A pressão de vapor de um líquido varia com a temperatura. Quando a
pressão de vapor é igual à pressão exterior o líquido entra em ebulição
(formam-se bolhas de vapor no líquido). A temperatura de ebulição normal é
a temperatura de ebulição quando a pressão exterior é 1 atm.
10
Esta pressão de vapor pode ser calculada através da equação de
Clausius-Clapeyron:
ln P = −
∆H vap
RT
+C
Onde P é a pressão de vapor, T a temperatura, R a constante dos gases
perfeitos (R=8.314 J.K-1.mol-1), ∆Hvap o calor molar de vaporização e C uma
constante. Aplicando a equação a duas temperaturas obtemos:
ln
∆H vap
P2
=−
P1
R
1 1
 − 
 T2 T1 
A figura seguinte mostra a variação da pressão de vapor de vários
líquidos com a temperatura:
Figura 8. Pressão de vapor e temperaturas de ebulição normais para vários líquidos.
11
3.3. Estrutura de sólidos
Os sólidos podem ser divididos em duas categorias: sólidos cristalinos e
sólidos amorfos. Um sólido cristalino, como o gelo ou o NaCl, possui uma
estrutura regular no espaço.
3.3.1. Redes de Bravais
Um cristal pode ser definido como um sólido composto de átomos
ordenados de forma periódica, numa estrutura tridimensional.
A célula unitária é a unidade fundamental, a partir da qual podemos
construir todo o cristal, apenas mediante operações de simetria, como
translação, rotação ou inversão.
Na figura seguinte encontra-se uma rede cristalina, e respectiva célula
unitária. Esta é descrita em termos dos comprimentos das faces, a, b e c, e
dos ângulos entre si, α, β e γ.
Figura 9. Rede cristalina e respectiva célula unitária.
Se, por exemplo, a=b=c, e α=β=γ=90°, então a célula unitária é cúbica.
Para diferentes valores destes parâmetros de célula podemos obter outras
estruturas diferentes.
12
Existem apenas sete tipos diferentes de redes, correspondendo aos sete
sistemas cristalinos. No entanto existem outros ‘arranjos’ que preenchem o
requerimento de uma rede cristalina: todos os pontos têm uma vizinhança
igual.
Em 1848, Bravais demonstrou que só existem 14 redes cristalinas
possíveis, designadas por redes de Bravais. Na figura 10 encontram-se as 14
redes de Bravais, e na tabela seguinte os respectivos parâmetros de célula.
Sistema
Parâmetros de célula
Rede de Bravais
Símbolo
Cúbico
a=b=c; α=β=γ=90°
simples
P
corpo centrado
I
faces centradas
F
simples
P
corpo centrado
I
simples
P
corpo centrado
I
base centrada
C
faces centradas
F
Tetragonal
Ortorrômbico
a=b≠c; α=β=γ=90°
a≠b≠c; α=β=γ=90°
Romboédrico
a=b=c; α=β=γ≠90°
simples
R
Hexagonal
a=b≠c; α=β=90°, γ=120°
simples
P
Monoclínico
a≠b≠c; α=γ=90°≠β
simples
P
base centrada
C
simples
P
Triclínico
a≠b≠c; α≠β≠γ≠90°
Os símbolos P,R,I,C e F representam o seguinte: distinguimos primeiro
células primitivas ou simples (R,P) e não primitivas (outros símbolos). Células
primitivas têm apenas um ponto de rede por célula, enquanto as outras têm
mais do que um.
13
Figura 10. As 14 redes de Bravais
A
orientação
de
planos
numa
rede
pode
ser
representada
simbolicamente através dos índices de Miller (hkl). Uma vez que os três eixos
formam uma referência conveniente, podemos descrever a orientação de um
plano medindo as distâncias, a partir da origem, a que o referido plano
intercepta esses eixos. Expressando estas distâncias em termos de fracções
dos
comprimentos
dos
eixos,
podemos
obter
números
que
são
independentes do tamanho desses eixos. No entanto, para planos paralelos
aos eixos cristalográficos a intercepção ocorre no infinito. Para não incluir o
infinito na descrição de um dado plano, tomamos o recíproco dessas
intercepções, sendo este valor zero quando o plano e um dado eixo são
paralelos.
14
Os indices de Miller são pois definidos como o recíproco das fracções
correspondentes à intercepção que o plano faz com os eixos cristalográficos.
Paralelos a qualquer plano, existem um conjunto de planos equidistantes,
com os mesmos índices de Miller.
Consideremos o exemplo da figura11, representando uma célula
unitária,. O plano a sombreado representa o plano (1,1,1). A figura mostra
igualmente outros planos.
Figura 11. Designação de um plano pelos indices de Miller
Se o plano corta o eixo negativo, então é representado o respectivo valor
com uma barra por cima.
Os indices de Miller são bastante úteis para expressar a separação de
palnos. A separação de planos (h,k,0), numa rede quadrada plana, como
mostra a figura 74 é dada por:
1
d
2
hk 0
=
1
× (h 2 + k 2 )
a2
onde dhk0 é a distância entre planos e a é o parâmetro de célula. Por
extensão a uma rede cúbica, a distância entre dois planos (hkl) é dada por:
15
1
1
2
2
2
2 =
2 × (h + k + l )
d hkl a
ou,
d hkl =
a
(h 2 + k 2 + l 2 )
A expressão para uma rede ortorrômbica, com parâmetros de célula a, b
e c é:
1
h2 k 2 l 2
+
+
2 =
d hkl
a 2 b2 c2
Existem expressões similares para o cálculo da distância entre planos
para todos os sistema cristalinos, em função dos índices de Miller, e dos
parâmetros de célula a, b, c, α, β e γ.
3.3.2. Caracterização de materiais cristalinos: difracção de raios-X
Após uma breve discussão sobre estruturas cristalinas, vamos agora
referir uma técnica muito importante na caracterização destes materiais: a
difracção de raios-X. Esta técnica constitui o mais poderoso auxiliar na
caracterização de materiais cristalinos.
A radiação X foi descoberta em 1895 por Wilhelm Rontgen ao observar
que, quando raios catódicos atingiam metais e vidros, era emitida uma
radiação não usual. Esta radiação era altamente energética e podia penetrar
na matéria, como em metais, madeira ou no corpo humano. Também podia
escurecer placas fotográficas, como a luz, e produzir fluorescência em várias
substâncias. Uma vez que não era deflectida por um íman, não continha
16
partículas carregadas, contrariamente aos raios catódicos. Rontgen chamoulhes raios X.
Em 1912, o físico alemão Max von Laue, sugeriu correctamente que,
sendo o comprimento de onda da radiação X de dimensões comparáveis à
distância entre os átomos e iões em redes cristalinas, estas poderiam
difractar os raios X.
Na figura 12 mostra-se, num esquema bastante simplificado, a difracção
de raios X por um cristal.
Figura 12. Dispositivo para difracção de raios X por um cristal
Para compreender como se origina a difracção de raios X por um cristal,
consideremos a difracção por átomos em planos paralelos de uma rede
cristalina (figura 13)
17
Figura 13. Difracção de raios X por duas camadas de átomos paralelas
Inicialmente os raios incidentes estão em fase. A onda acima é
difractada por um átomo da primeira camada, enquanto a outra onda é
difractada por um átomo da segunda camada. Os raios difractados que estão
em fase são reforçados (interferência construtiva). Os raios difractados fora
de fase dão origem a interferências destrutivas.
De modo a ficarem em fase, a distância extra que a segunda onda tem
de percorrer deve ser um múltiplo inteiro do comprimento de onda da
radiação, λ isto é:
BC + CD = 2 d sen θ = nλ
onde θ é o ângulo entre a radiação X e o plano do cristal e d é a distância
entre planos sucessivos. Esta é a equação fundamental da difracção de raios
X, e é designada por equação de Bragg.
A difracção de raios X oferece a forma mais poderosa de determinar
comprimentos de ligação e ângulos de ligação entre átomos, no estado
sólido. Pode ser aplicada quer a materiais cristalinos, quer a materiais não
cristalinos, isto é, a sólidos amorfos.
18
A aplicação da difracção de raios X na caracterização de materiais
cristalinos é imediata: combinando a equação de Bragg e as equações para
o espaçamento entre planos (hkl), podemos obter todos os ângulos θ
possíveis, para os quais ocorre difracção. Para um sistema cúbico temos:
λ = 2dsenθ
1
1
2
2
2
2 =
2 × (h + k + l )
d
a
e
Combinando as duas expressões, obtém-se:
sen 2θ =
λ2
× (h 2 + k 2 + l 2 )
4a 2
Por exemplo, para o plano (110), temos:
2
sen θ110
λ2
= 2
2a
Equações similares podem ser obtidas para os outros sistemas
cristalinos, embora sejam mais complicadas.
É importante frisar que as direcções de difracção dependem apenas do
tamanho (parâmetro a) e do tipo de célula unitária.
3.3.3. Estruturas compactas
Vamos agora referir mais em pormenor as estruturas compactas de
materiais sólidos. O grau de compacticidade encontra-se associado à fracção
de espaço ocupado pela matéria.
Existem dois tipos de estrutura compacta: a estrutura de empacotamento
hexagonal denso (HCP de ‘hexagonal close packed’), e a estrutura de
19
empacotamento cúbico denso ou cúbica de faces centradas (FCC de ‘face
centered cubic’).
Estas estruturas surgem nos sólidos correspondentes ao gases inertes e
nos materiais metálicos. A disposição de uma camada de átomos no plano
horizontal mostra a posição dos vários átomos. Cada átomo está em
contacto com seis outros átomos vizinhos:
Figura 14. Esferas com arranjo de empacotamento denso mostrando uma camada A, B
e C vista de cima, e lateralmente
Para ser estável, a posição dos átomos na segunda camada deve
corresponder a uma posição intersticial. O ordenamento da terceira camada
pode ser realizado de duas formas possíveis. Os átomos podem preencher
as posições intersticiais da segunda camada, ficando assim directamente
sobre as posições da 1ª camada, dando origem à estrutura hexagonal densa
(HCP). Em alternativa, podem preencher as posições intersticiais de modo a
ficarem sobre as posições intersticiais da 1ª camada, dando origem à
estrutura cúbica densa, ou de faces centradas (FCC).
20
Chamando A, B e C às três camadas, a estrutura HCP tem a sequência
de camadas A,B,A,B,A,….e a FCC tem a sequência A,B,C,A,B,C,A.Em
qualquer destas estruturas densas, a coordenação é 12, isto é, cada átomo
no interior do cristal está rodeado por 12 outros átomos.
Na figura seguinte mostra-se a relação entre os raios atómicos, r, e o
parâmetro de célula unitária, a, para as estruturas cúbica simples, cúbica de
corpo centrado e cúbica de faces centradas:
Figura 15. Relação entre o parâmetro a da célula unitária e o raio atómico, r, para as
estruturas cúbica simples (scc), cúbica de corpo centrado (bcc) e cúbica de faces centradas
(fcc)
A eficiência de empilhamento é a percentagem de célula unitária
ocupada pelos átomos, e é uma grandeza importante, pois permite calcular a
densidade dos materiais.
A eficiência de empilhamento nas três estruturas da figura acima é
respectivamente, 52%, 68% e 74%. Vejamos como podemos calcular estes
valores. Para o caso da estrutura cúbica simples, temos apenas um átomo
por célula unitária. O volume ocupado por esse átomo é dado por:
4
4  a
V = πr 3 = π  
3
3  2
3
21
3
O volume da célula unitária é evidentemente a . A eficiência de
empilhamento é então dada por:
%=
volume das esferas na celula
× 100
volume da celula
4π ( a / 2)
=
× 100
3a 3
3
=
π
4πa 3
× 100 = 52%
3 × 100 =
6
24a
Para a estrutura cúbica de corpo centrado temos dois átomos por célula
unitária, logo a eficiência de empilhamento é dada por:
%=
4  a 3

2 × π
3  4 
a3
3
3
8πa 3 3
3
8πa 3 3
192
× 100 =
× 100 =
× 100 = 68%
192a 3
a3
Deixa-se ao aluno o cálculo para a estrutura FCC.
Alguns metais apresentam estruturas cúbicas de corpo centrado, como o
Cr, Mo, ou V e de face centrada, como o Cu, Pb e Ni.
3.3.4. Tipos de cristais
A estrutura e propriedades dos cristais são determinadas pelo tipo de
forças que mantêm as partículas ligadas, ou seja pelo tipo de ligações
químicas e físicas envolvidas Podemos classificar os cristais em quatro
categorias fundamentais: iónicos, covalentes, moleculares e metálicos.
22
Na tabela seguinte comparam-se as propriedades gerais destes
diferentes tipos de materiais.
Tipo de Cristal
Exemplos
iónicos
Partículas nos Ligações
pontos de rede
catiões e aniões iónica
Propriedades
gerais
duro
e
quebradiço
ponto
de
fusão
elevado
mau condutor
de calor e
electricidade
covalente
duro
ponto
de
fusão
elevado
mau condutor
de calor e
electricidade
ou forças de van mole, ponto
der Waals e de
fusão
ligações de baixo
hidrogénio
mau condutor
de calor e
electricidade
moles
e
metálica
duros
pontos
de
fusão baixos
ou elevados
bons
condutores
de calor e
electricidade
covalentes
átomos
C
diamente
SiO2
quartzo
etc.
moleculares
átomos
moléculas
metálicos
átomos
NaCl
LiF
MgO
etc.
CO2
H2O
SnBr4
açucar
etc.
Todos os
metais
Na
Hg
Fe
Cu
etc.
Na figura seguinte encontra-se a estrutura do diamante, um sólido
covalente, bem como da grafite, a outra forma alotrópica do carbono.
23
Figura. 16. (a) Estrutura do diamante, (b) estrutura da grafite
No diamante existem apenas ligações covalentes simples entre os
átomos de carbono, enquanto na grafite existe uma orbital molecular
deslocalizada, semelhante ao benzeno, e por isso a grafite é um bom
condutor de electricidade em direcções ao longo dos planos dos átomos de
carbono.
3.3.6. Imperfeições em cristais
Num cristal perfeito, a rede cristalina coincide com uma das 14 redes de
Bravais. Este cristal pode ser obtido à temperatura do zero absoluto. A
qualquer outra temperatura os cristais são imperfeitos, ou seja têm defeitos
cristalinos.
À medida que a temperatura aumenta, aumenta também a probabilidade
de existirem posições de rede não ocupadas.
24
3.3.6.1. Defeito de Schottky
Este tipo de defeito ocorre em cristais iónicos, quando surgem locais não
ocupados, ou lacunas. As lacunas aniónicas e catiónicas surgem sempre
associadas, de modo a manter a electroneutralidade do cristal.
Este tipo de defeito tem tendência a surgir em compostos altamente
iónicos, nos quais o ião positivo e negativo tenham tamanhos semelhantes,
como por exemplo no NaCl, CsCl, KCl e KBr. Na figura seguinte mostra-se
esquematicamente um defeito de Schottky para o NaCl.
Figura 17. Defeito de Schottky no NaCl
3.3.6.2. Defeito de Frenkel
Este tipo de defeito ocorre quando um ião ‘migra’ para uma posição
intersticial, deixando o seu local ‘correcto’ na rede vazio. Surge em
compostos em que o tamanho dos iões positivos e negativos é muito
diferente.
Este defeito é predominante no cloreto e brometo de prata (catião
intersticial) e nos fluoretos de metais alacalino-terrosos (anião intersticial). Na
figura seguinte encontra-se esquematizado um destes defeitos:
25
Figura 18. Defeito de Frenkel
3.3.6.3. Outros tipos de defeitos
Os defeitos referidos atrás são intrínsecos à própria substância, e
dependem de factores como a velocidade de cristalização, temperatura, etc.
Existem ainda defeitos extrínsecos, devidos a impurezas, que podem ocupar
posições de rede ou posições intersticiais.
Macroscopicamente podemos ainda identificar outros tipos de defeitos
nos cristais, como as deslocações e os defeitos extensos.
As deslocações são defeitos a uma dimensão, responsáveis pela não
uniformidade de linhas de pontos estruturais. Existem dois tipos de
deslocações, a deslocação em cunha e a deslocação em parafuso. Na figura
seguinte mostra-se esquematicamente um destes defeitos.
26
Figura 19. Deslocação num cristal
Os defeitos extensos podem ser falhas de empilhamento em que uma
das camadas estruturais não está de acordo com a estrutura do cristal. Por
exemplo no empacotamento hexagonal compacto este defeito pode ser
ilustrado pela sequência de camadas ABABABCABAB…
Outro tipo de defeito extenso tem a ver com irregularidades que ocorrem
na fronteira em que os microcristais se agregam. A três dimensões, isto dá
origem a cavidades nos cristais.
3.3.7. Sólidos amorfos
Vimos na introdução sobre estrutura de sólidos, que estes podem ser
divididos em cristalinos ou amorfos. Os sólidos amorfos não possuem um
arranjo tridimensional regular, contrariamente aos cristais. Alguns exemplos
deste tipo de sólidos são os vidros e os polímeros.
Enquanto
nos
cristais
as
propriedades
físicas
apresentam
descontinuidades na temperatura de fusão, para os sólidos amorfos não
existe uma temperatura de fusão, mas sim uma sucessão de estados de
fluidez variável, e que depende da temperatura e da ‘história térmica’ da
substância, isto é, da forma como os aquecimentos e arrefecimentos foram
27
feitos. A temperatura à qual o material se torna rígido designa-se por
temperatura de transição vítrea, Tg.
3.3.7.1. Vidros
Os vidros são um dos materiais mais valiosos e versáteis para a nossa
civilização. No entanto a sua utilização é muito antiga, remontando a ~1000
A.C.
O termo vidro é utilizado para descrever um material opticamente
transparente e que é produto da fusão de materiais inorgânicos que
arrefeceram até um estado rígido, sem cristalização. Em alguns aspectos os
vidros comportam-se mais como líquidos do que como sólidos. Os espectros
de raios X mostram claramente que os vidros não têm arranjo periódico no
espaço. Existem mais de 800 tipos de vidros de utilização corrente. Na tabela
seguinte encontram-se as características de alguns destes vidros.
Nome
Composição
Propriedades e utilização
Quartzo puro
100% SiO2
Baixo coeficiente de expansão térmica
Transparente a uma gama larga de
comprimentos de onda
Utilizado em pesquisa óptica
Vidro Pyrex
SiO2,60-80%
Baixo coeficiente de expansão térmica
B2O3,10-25%
Transparente à radiação no visível e IV
Al2O3,vestígios
mas não no ultravioleta.
Utilizado como material de laboratório e
de cozinha (forno)
Vidro normal
SiO2,75%
Facilmente atacado por agentes químicos
Na2O,15%
Sujeito a choques térmicos
CaO,10%
Transmite a luz visível mas absorve o
ultravioleta
Utilizações comuns em janelas, garrafas..
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Na figura 20 encontra-se esquematizado o quartzo cristalino e um vidro
de quartzo, mostrando a diferença na ordenação dos átomos.
Figura 20. Representação a duas dimensões de (a) quartzo cristalino e (b) vidro de
quartzo não cristalino. As esferas mais pequenas representam o silício.
As cores dos vidros são devidas à presença de óxidos metálicos. Por
exemplo o vidro verde contem Fe2O3 ou CuO. O vidro amarelo contem oxido
de urânio, UO2. O vidro azul contem óxidos de cobalto, CoO e de cobre CuO.
O vidro vermelho contem pequenas partículas de ouro e cobre.
Embora o vidro de quartzo tenha propriedades muito convenientes, é
muito dispendioso e difícil a sua produção, uma vez que são necessárias
temperaturas da ordem dos 1700 °C. (Tg ~1200 °C). Por isto, este vidro não
é utilizado em garrafas, janelas etc. A adição de outros óxidos baixa
sensivelmente a temperatura de transição vítrea, reduzindo os custos.
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A velocidade de arrefecimento pode ser crítica para evitar tensões
interiores no vidro. O enorme espelho utilizado no telescópio de Monte
Palomar foi arrefecido de 500 a 300 °C em nove meses!
3.3.7.2. Polímeros
Dá-se o nome de polímeros a substâncias com cadeias moleculares
extremamente longas. Estas podem ter até centenas de milhar de unidades
de massa molecular, e são por isso designadas por macromoléculas.
Os polímeros podem ser divididos em duas classes: naturais ou
sintéticos. Alguns exemplos de polímeros naturais são as proteínas, ácidos
nucleicos, polisacarídeos, como a celulose, e borracha natural. Os polímeros
sintéticos são também compostos orgânicos, dos quais alguns exemplos se
encontram
na
tabela
seguinte.
Nestes
polímeros,
as
cadeias
macromoleculares resultam da repetição de um monómero, que é uma
molécula mais pequena que dá origem ao polímero.
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Monómero
fórmula
H2C=CH2
Polímero
nome
nome e fórmula
etileno
usos
polietileno
Tubos de plástico
--(CH2-CH2)--n
Garrafas;isoladores
eléctricos, brinquedos
H2C=C-CH3
H2C=C-Cl
propileno
cloreto
polipropileno
Embalagens
--(CH2-CH-)--n
Garrafas, etc.
de cloreto de polivinilo Tubos,
vinilo
(PVC)
materiais
de
construção,roupas, etc.
--(CH2-CH-)—n
F2C=CF2
tetrafluoretileno
Teflon
Material de laboratório
--(CF2-CF2-)—n
Utensílios de cozinha
isoladores eléctricos
H2C=C-H
estireno
poliestireno
Contentores
--(CH2-CH-)-n
Isoladores térmicos
Brinquedos, etc.
H2C=C-C=C
+ estireno
butadieno
borracha de
Borracha sintética
butadienoestireno
Um desenvolvimento importante na utilização dos polímeros é o controlo
estereoquímico. O propileno, por exemplo, pode polimerizar em qualquer dos
três arranjos seguintes: isotáctico, em que todos os grupos metilo, CH3,
apresentam a mesma orientação relativa; sindiotáctico em que os grupos
metilo se orientam alternadamente para trás e para diante do perfil da
cadeia, e atáctico, em que os grupos se distribuem ao acaso (figura 21)
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Figura 21. Polipropileno; (a) isotáctico, (b) sindiotáctico e c) atáctico
O polipropileno atáctico é um material mole e elástico, semelhante à
borracha, enquanto os outros têm características cristalinas.
Alguns polímeros exibem elasticidade, ou seja, a capacidade de se
alongarem sob acção de uma força, regressando à forma inicial quando
cessa a acção dessa força. São designados por elastómeros. Um exemplo é
a borracha vulcanizada.
O polímero de borracha natural não apresenta a propriedade da
elasticidade, mas a adição de enxofre à borracha natural elimina duas
ligações duplas em cadeias moleculares adjacentes, e cria ligações
covalentes entre cadeias poliméricas. O resultado é a formação de ligações
C-S , como mostra a figura seguinte:
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Figura 22. Polímero de borracha vulcanizada
Estas ligações estão intervaladas por centenas de átomos de carbono,
de modo a gerar a elasticidade.
3.4. Diagramas de fases de substâncias puras
Neste capítulo fizemos referência à estrutura de diversos materiais.
Ficou, parece-nos claro, evidente que a mesma substância pode existir nos
diferentes estados de agregação, sólido, líquido ou gasoso, consoante as
condições de pressão e temperatura. Cabe pois incluir neste capítulo alguma
discussão sobre o equilíbrio entre as diferentes fases para uma mesma
substância. A água, por exemplo, pode existir (ou coexistir) no estado sólido,
líquido ou gasoso.
Se quisermos representar num único diagrama o conjunto de dados
relativamente ao estado em que uma substância se pode encontrar,
construímos diagramas de fases de pressão, p, em função da temperatura,
T. Nestes diagramas estão representadas as condições de equilíbrio
(coexistência) sólido/vapor, sólido/líquido e líquido/vapor, e as condições de p
e T em que uma dada fase é mais estável.
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3.4.1. Água
Na figura seguinte encontra-se o diagrama de fases para a água. Este
diagrama, como foi referido, resume as condições para as quais a água pode
existir no estado sólido, líquido ou gasoso. A linha que separa quaisquer
duas regiões indica as condições em que as duas fases podem coexistir em
equilíbrio.
Figura 23. Diagrama de fases da água
O facto mais relevante é a inclinação negativa da curva de equilíbrio
sólido/líquido, que se deve à variação negativa do volume, durante o
processo de fusão. De facto, o volume molar da água líquida é inferior ao do
gelo, o que faz da água uma substância com propriedades únicas. Isto devese à formação de ligações de hidrogénio entre as moléculas de água, como
foi referido atrás. Parte dessas ligações são quebradas durante o processo
de fusão, permitindo um melhor ‘empacotamento’ das moléculas, no estado
líquido.
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Analisando o diagrama de fases podemos constatar que a água sublima
(passa directamente do estado sólido ao gasoso, sem passar pelo estado
líquido) a pressões inferiores a 4.58 mm de Hg (0.006~atm). Isto é
aproveitado para a liofilização de alimentos e medicamentos permitindo a sua
conservação por longos períodos de tempo.
3.4.2. Dióxido de carbono
Na figura seguinte encontra-se o diagrama de fases do CO2:
Figura 24. Diagrama de fases do dióxido de carbono
Neste caso ∆Vfusão > 0, e a inclinação da curva de equilíbrio sólido/líquido
é positiva. O CO2 sólido sublima por aquecimento a pressões inferiores a
5.11 atm, por exemplo à pressão atmosférica. Isto é a base de
funcionamento dos extintores de fogo de neve carbónica. Consideremos um
cilindro onde se encontra CO2 líquido, geralmente a pressões entre 8 e 20
atm . Ao abrir-mos a válvula, o líquido expande-se rapidamente sem absorver
calor do exterior, pelo que solidifica. A temperatura da chama provoca então
a sublimação, com libertação de CO2 gasoso, o que impede a difusão de O2,
apagando a chama.
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3.4.3. Hélio
O diagrama de fases do hélio é bastante diferente dos anteriores, como
podemos constatar na figura seguinte:
Figura 25. Diagrama de fases do He
É o único sistema em que podem coexistir duas fases líquidas em
equilíbrio! Repare-se nas temperaturas extremamente baixas. A qualquer
temperatura acima de 5 K o He é um gás.
3.4.4. Carbono
Outro diagrama de fases bastante interessante é o do Carbono. A fase
mais estável à pressão e temperatura ambiente é a grafite. Na figura
seguinte encontra-se o diagrama de fases do carbono:
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Figura 26. Diagrama de fases do carbono
Para produzir diamante é necessário, por exemplo, atingir a temperatura
de 1500 K e ~104 atm. Contudo estas transformações são catalisadas por
metais, como o níquel fundido, que vão contaminar o diamante, permitindo
distingui-los do diamante natural (que é muito valioso!).
3.5. Análise térmica
As temperaturas de fusão e ebulição de uma substância podem ser
obtidas através de uma técnica designada por análise térmica.
Curvas de aquecimento, como a da figura 27 são bastante úteis para
estudar transições de fase. Quando uma amostra sólida é aquecida a sua
temperatura sobe gradualmente até atingir o ponto B. Neste ponto o sólido
começa a fundir. Durante esse processo (BÆC), o calor é absorvido, mas a
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temperatura mantém-se constante. Uma vez no estado líquido, a temperatura
volta a subir até ao ponto D, devido à agitação térmica das partículas. O
processo de vaporização é similar, entre D e E. Quando todas as moléculas
estão no estado gasoso, a temperatura volta a subir.
Figura 27. Curva típica de aquecimento
As curvas de arrefecimento são semelhantes, excepto para materiais
amorfos.
No esquema seguinte mostram-se as várias transições de fase possíveis,
que uma substância pode apresentar:
Figura 28. Transições de fase num material
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