Ligações Químicas dos materiais cerâmicos

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Ligações Químicas em Materiais Cerâmicos
Arranjos Atômicos
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As ligações químicas tem forte influência sobre diversas propriedades dos materiais
Os elétrons de valência (do último nível) são os que participam das ligações químicas.
Os átomos buscam a configuração mais estável dos gases nobres (com 2 ou 8 eletrons)
Dependendo da energia envolvida na ligação elas podem ser divididas em
Fortes 
Fracas
 
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Ligações fortes:
				 Iônicas
 Covalentes
 Metálicas
Ligações fracas:
 Van der waals 
Materiais cerâmicos: ligações iônicas e/ou covalentes 
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Representação esquemática dos estados de energia preenchidos para um átomo de sódio 
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Ligação iônica
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Representação esquemática da ligação iônica para o NaCl 
Resulta da atração mútua entre íons positivos e negativos 
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Representação esquemática da ligação covalente em uma molécula de metano.
Os átomos atingem a configuração estável compartilhando elétrons com um átomo adjacente
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 A ligação covalente é direcional, ou seja mantém um ângulo entre as ligações
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União de dois átomos de sódio por meio da ligação metálica
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Ilustração esquemática da ligação metálica
Estrutura formada por íons positivos e elétrons livres de valência que formam uma “nuvem eletrônica” que circula livremente entre os íons positivos 
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Propriedades associadas as ligações metálicas
Alta condutividade elétrica e térmica: Cerâmicos são isolantes pois não possuem elétrons livres na ligação química
Permitem grande deformação plástica pois as ligações são móveis ou seja não são rígidas como as iônicas e as covalentes. Os materiais cerâmicos são frágeis pois as ligações são rígidas
Possuem o brilho metálico, como os elétrons são muito móveis trocam de nível energético com facilidade emitindo fótons
São sempre opacos: pela mesma razão acima mas nesse caso absorvendo a luz incidente. Já os cerâmicos podem ser transparentes. 
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Representação esquemática de uma molécula polar
Dipolos elétricos ocorrem quando os centros das cargas positivas não coincidem com o centro das cargas negativas em uma molécula. As diferenças nas propriedades entre a grafita e o diamante estão relacionadas a esse tipo de ligação.
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Ilustração esquemática da ligação de van der waals 
São ligações secundárias fracas que estão relacionadas a atração de dipolos elétricos
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Representação esquemática da ligação de Van der Waals para o ácido fluorídrico
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Influência da energia da ligação em algumas propriedades dos materiais
Quanto maior a energia envolvida na ligação química há uma tendência de:
Maior ser o ponto de fusão do composto
Maior a resistência mecânica
Maior a dureza
Maior o módulo de elasticidade
Maior a estabilidade química
Menor a dilatação térmica 
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Percentual de caráter iônico e covalente em um cerâmico
As ligações nos materiais cerâmicos podem apresentar maior ou menor caráter iônico ou covalente, dependendo do grau de direcionalidade das ligações.Quanto maior for a separação tanto vertical como horizontal na tabela periódica maior a diferença na eletronegatividade e mais iônica será a ligação O acúmulo de elétrons entre os centros dos átomos diminui o caráter iônico, influenciando nas propriedades desses materiais
% de caráter iônico = {1-exp[-(0,25)(XA-XB)2]} .100
Onde XA e XB são as eletronegatividades dos elementos A e B onde A é o elemento mais eletronegativo
O percentual de caráter covalente será 1 - % de caráter iônico
Existe um método gráfico que pode ser empregado
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Método gráfico para determinar o % de caráter iônico
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Exemplos de caráter iônico e covalente
Qual o grau de caráter iônico do MgO SiO2 e SiC ?
Eletronegatividades: Mg=1,2 O=3,5
 Si=1,8 C=2,5
% de caráter iônico = {1-exp[-(0,25)(XA-XB)2]} .100
Onde XA e XB são as eletronegatividades dos elementos A e B onde A é o elemento mais eletronegativo.
Respostas: MgO ~ 75% ; SiO2 ~ 50% ; SiC ~10%
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Exemplos de caráter iônico e covalente
Qual o grau de caráter covalente do diamante , Si3N4 e SiO2 ?
Eletronegatividades: Si=1,8 N=3,0 O=3,5
Respostas:
Fração covalente= (1- fração iônica) x 100 
Diamante = 1 – 0 = 100% covalente
Nitreto de silício= 1 – 0,3 = 70% covalente
Sílica= 1-0,5= 50% covalente 
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Caráter iônico e covalente de um cerâmico 
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Caráter iônico e covalente de alguns cerâmicos
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Ligações iônicas versus covalentes
Os materiais cerâmicos formados a partir de elementos dos grupos monovalentes IA (Li, Na,K, etc...) e o VII A (F, Cl, Br, etc...) são de caráter muito iônico mas com baixa força entre as ligações químicas, caracterizando compostos de baixo ponto de fusão(para o grupo dos cerâmicos), baixa dureza, resistência e módulo de elasticidade e grande expansão térmica.
Já os materiais cerâmicos formados a partir de elementos de grupos de maior valência como Mg+2 Al+3 Zr+4 possuem ligações de caráter menos iônico mas com alta força nas ligações gerando compostos de alto ponto de fusão, resistência mecânica dureza etc...
As cerâmicas ligadas predominantemente por ligações covalentes são tipicamente duras e de alta resistência apresentando altos pontos de fusão. Como essas ligações são direcionais, apresentam em geral menores densidades (para pesos moleculares equivalentes) e menores expansões térmicas que os compostos iônicos,.