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Propriedade Química dos Sólidos

Autor:
Instituição: Mackenzie
Tema: Química

Propriedade Químicas dos Sólidos


II. SINOPSE

Os sólidos são substâncias relativamente rígidas que podem ser encontradas na forma de sólidos amorfos – vidros, ou sólidos verdadeiros – cristalinos. Nos sólidos verdadeiros, a sua estrutura externa reflete o retículo cristalino do cristal, que representa a sua geometria interna ; sendo que esta é determinada experimentalmente por meio da técnica de difração de raio x.

As propriedades dos sólidos são específicas no que se diz respeito aos tipos de partículas que os compõem, caracterizando seus pontos de fusão altos, condutividade elétrica relativa, solubilidade, dureza, forças de ligação entre suas unidades, entre outros.

Por meio destas características próprias, os sólidos podem ser classificados em Sólidos iônicos, moleculares, covalentes e metálicos. Através desta classificação, é possível determinar um cristal ideal, que apresenta uma estrutura interna perfeita se expandindo em três dimensões. Em condições favoráveis, é possível que cresçam cristais pequenos com formas perfeitas, porém estes possuem várias irregularidades internas chamados de defeitos de cristal.

Um defeito que é muito comum de ocorrer em todos os sólidos, é a detecção de centros de impurezas que dá origem ao fenômeno da Semicondutividade. E, com a descoberta desta propriedade, cientistas de todo o mundo aplicam várias técnicas para conquistar mais espaço no mercado de materiais utilizados na construção dos mais variados produtos.


III. INTRODUÇÃO

Esta pesquisa está centrada na apresentação das Propriedades químicas dos sólidos, suas ligações e aplicações, de acordo com a utilização destas substâncias nas mais diversas áreas do mercado. É indicada para o aproveitamento da disciplina de Química Geral I, por intermédio da Metodologia de Pesquisa Bibliográfica.  


IV. PROPRIEDADES QUÍMICAS DOS SÓLIDOS, LIGAÇÕES E APLICAÇÕES

Os estados físicos comuns de substâncias puras são distinguidos por diferenças nos movimentos e na ordem dos arranjos das partículas. Sendo assim, diferentemente aos gases e líquidos, os sólidos puros apresentam partículas com liberdade de movimento bastante limitada, e cada um dos "pedaços" de sólido possui uma forma característica. Isto significa que os sólidos não são fluidos, e que suas partículas (átomos, íons ou moléculas) são muito próximas umas das outras e ligadas fortemente entre si, formando uma estrutura extremamente compacta e fortemente interligada.

Desta forma, os sólidos podem ser definidos como substâncias duras, rígidas e, geralmente incompressíveis, que apresentam um arranjo ordenado e próximo de partículas. Por esta razão, os sólidos podem ocupar um volume fixo e possuir diversos graus de dureza.


4.1. TIPOS DE SÓLIDOS

Uma vez definido um sólido, é imprescindível classificá-lo quanto aos tipos de sólidos existentes. Isto pode ser feito dividindo os sólidos em: Sólido amorfo e Sólido verdadeiro ou cristalino.

4.1.1. Sólido Amorfo

Um sólido tipicamente amorfo é um sólido em aparência e comportamento externo, tem volume e forma fixa, não apresenta faces cristalinas e sua estrutura interna apresenta pouca regularidade. Ele pode ser considerado como um líquido que foi super-resfriado bem abaixo do seu ponto de congelamento, imitando, assim, um sólido verdadeiro. Estes sólidos amorfos são comumente chamados de Vidros ou Cubos de plástico.

Quando observamos as propriedades de um sólido amorfo, detectamos o que o diferencia do Sólido cristalino ou verdadeiro. Por exemplo, a clivagem de pequenos cubos de plásticos resulta numa fenda irregular; o aquecimento destes, gera um amolecimento gradativo, sem liquefação repentina, numa faixa ampla de temperatura; à medida que o plástico líquido se esfria, solidifica-se gradativamente em uma faixa de temperatura ampla, numa forma irregular – somente quando esfriado em molde apropriado ele tomará a forma do cubo original.

4.1.2 Sólido verdadeiro ou cristalino

O Sólido verdadeiro é o sólido por si, que apresenta suas partículas constituintes dispostas num arranjo interno regularmente ordenado. Essa estrutura interna é chamada de estrutura cristalina do sólido e, por isso o termo cristalino é geralmente usado para identificar um sólido verdadeiro.

Uma das características mais notáveis dos sólidos é a sua ocorrência como cristais. Seguindo o raciocínio das propriedades dos Sólidos amorfos, o Sólido verdadeiro ou cristalino apresenta características diferentes. Estas características são notadas quando analisamos, por exemplo, cristais cúbicos de cloreto de sódio: o cristal NaCl pode ser clivado de acordo com planos definidos; quando aquecido, aumenta de temperatura até que, a 800ºC ± 2ºC, se liqüefaz inesperadamente; quando o NaCl líquido é resfriado lentamente, arranjos geométricos aparecem como formas sólidas a 800o ± 2ºC. Estes sólidos têm superfícies planas e ângulos característicos entre faces adjacentes. Sob um exame mais atento, eles surgem como cópias mais ou menos perfeitas do cristal cúbico original.


4.2. PROPRIEDADES DOS SÓLIDOS

Os sólidos têm algumas propriedades totalmente particulares em relação a outras substâncias. Por exemplo, todos os metais são sólidos, exceto o mercúrio e o gálio, que são líquidos a temperatura ambiente. São substâncias que em sua maioria possuem condutividade elétrica, condutividade térmica, ductilidade ou maleabilidade – visto que podem ser esticados na presença de chama ou moldados em chapas finas - , brilho e a não solubilidade em água.

O ponto de fusão representa a temperatura na qual um sólido se funde. Esta característica se dá numa temperatura na qual a movimentação das moléculas resultam no rompimento parcial das forças intermoleculares, abalando a estrutura do sólido – daí, os valores altos de ponto de fusão dos sólidos. Já o coeficiente de expansão térmica baixo, mostra os sólidos como substâncias rígidas, que apresentam velocidade de fluxo e de difusão extremamente baixas.

Quando se fala na ocorrência dos sólidos como cristais, esta forma definida, sua pureza e beleza são resultados obtidos no crescimento lento num meio uniforme; como estas condições não são geralmente atingidas, é comum obter-se cristais distorcidos, onde há crescimento mais rápido em certas direções do que em outras. Desta forma, o estado sólido de um cristal é caracterizado pelo arranjo ordenado tridimensional de seus átomos – o Retículo cristalino.

Para podermos identificar um retículo cristalino, precisamos especificar uma pequena fração do retículo que pode ser usada para gerar ou construir o retículo inteiro – a cela unitária – ou, partículas unitárias nos cristais, que podem ser átomos, íons ou moléculas. Uma vez que a aparência externa de um cristal é chamada hábito cristalino, este reflete o arranjo espacial básico da cela unitária.

Em 1848, o físico francês A. Bravais demonstrou que existem apenas 14 maneiras diferentes de dispor, de forma regular, os pontos no espaço. Estes 14 retículos (espaciais), chamados Retículos de Bravais, são classificados em sete grupos, que correspondem aos seis sistemas cristalinos, que estão diretamente relacionados ao arranjo tridimensional submicroscópico de unidades cristalinas fundamentais (retículo cristalino).

A figura colocada a seguir, mostra estes sete sistemas cristalinos.

Apesar da forma externa de um cristal fornecer indicações valiosas sobre sua estrutura interna, a maioria dos conhecimentos sobre as estruturas dos materiais cristalinos provém de uma técnica – a Difração de Raio X. Esta técnica se baseia na descoberta de que qualquer radiação eletromagnética pode sofrer difração (desvio) por uma grade de difração, isto é, uma série de objetos (no caso, átomos, íons ou moléculas) colocados de maneira regular a uma distância aproximadamente igual à do comprimento de onda da radiação; sendo assim, a distância entre os átomos num cristal são suficientemente próximas para o cristal servir de rede de difração para os Raios X.

A técnica de Difração de Raio X foi inicialmente sugerida em 1912 pelo físico alemão Max von Laue, onde medidas dos ângulos de difração de Raios X, cujos comprimentos de onda são conhecidos, são usadas para calcular o espaçamento interatômico num cristal e, assim, a estrutura cristalina do mesmo pode ser deduzida. Este mecanismo de difração mostra que os raios x são difratados por um cristal porque os elétrons dos seus átomos absorvem a radiação e então, servem como fontes secundárias que reemitem radiação em todas as direções – as ondas reemitidas reforçam-se mutuamente em algumas direções e se cancelam em outras.

A figura a seguir, ilustra um aparelho que pode ser empregado para obter uma diagrama de difração, onde um feixe de raios x monocromáticos – de um único comprimento de onda – incide sobre um cristal e os feixes emergentes, difratados, são detectados por meio de um filme fotográfico. E, a localização das manchas no diagrama de Laue, pode ser usada para calcular o espaçamento entre átomos no cristal.

 

Figura 2. Difração de raios x pelo método de Laue. (a) Aparelhagem. (b) Diagrama de difração de Laue.

Hoje em dia existem diversas modificações do método de Laue que são muito usadas, por exemplo o Método do diagrama de pó, onde a substância a ser investigada é usada na forma de um pó finamente dividido no lugar do cristal. Cada substância produz um diagrama característico que serve como impressão digital para identificar o composto por comparação com diagramas de pó de substâncias conhecidas.

Um dado importante para a determinação da estrutura cristalina de um sólido, é a densidade, ou seja, a massa por unidade de volume, que pode ser obtida por diversos modos – sendo estes, escolhidos de acordo com as características da amostra e da exatidão exigida. Para um sólido que tenha uma forma regular (um cubo, por exemplo), o volume pode ser calculado pela medida direta dos comprimentos de suas arestas, e a massa pesando-se o sólido. Porém, se o sólido for irregular, mas relativamente grande, o seu volume poderá ser determinado mergulhando-o num líquido de densidade menor e medindo o volume do líquido deslocado.

As impurezas muitas vezes afetam a forma de um cristal. Assim, o cloreto de sódio, que normalmente forma cristais cúbicos, pode ser levado a formar cristais octaédricos quando se dissolve uréia na solução aquosa a partir da qual o cristal de NaCl está se formando.


4.3. LIGAÇÕES DOS SÓLIDOS

Os sólidos são caracterizados, em parte, por suas propriedades, e estas, por sua vez, dependem da geometria do retículo cristalino, e da natureza das unidades (átomos, íons, moléculas) nos pontos reticulares e das forças que mantém unidas estas unidades. Desta forma, os sólidos podem ser classificados em quatro tipos: iônico, molecular, covalente e metálico.

4.3.1. Sólidos Iônicos

Neste tipo de sólidos os cátions e os ânions ocupam os pontos no espaço reticular. Como uma ligação iônica é forte, é difícil distorcer o retículo; por isso estes sólidos são tipicamente duros, porém, quebradiços. Por exemplo, um cristal de NaCl é muito resistente à quebra ou ao esmagamento, porém ao quebrar, estilhaça-se rapidamente em vez de sofrer distorção ou esfarelar aos poucos. Este fenômeno é conhecido por clivagem e, é comum entre cristais iônicos.

Os sólidos iônicos possuem pontos de fusão altos – pelo fato de que as ligações iônicas são fortes; uma vez que o calor a ele adicionado faz com que a energia cinética de suas partículas aumente, levando ao aumento subseqüente de vibrações. Estas vibrações tornam-se violentas, a ponto que as forças que atuam entre as partículas não sejam mais tão fortes para mantê-las unidas, culminando na desintegração do retículo cristalino (ou seja, o sólido se funde).

Seguindo este mesmo raciocínio, os sólidos iônicos são maus condutores elétricos, devido ao fato de que seus íons não estão livres para se movimentar – e, a condução elétrica é a passagem ou movimento de partículas carregadas.

4.3.2 Sólidos Moleculares

No sólido molecular, as unidades que ocupam os pontos reticulares são moléculas, e dentro delas, os átomos ficam unidos por meio de ligações covalentes. As forças entre as moléculas são mais fracas e conhecidas como forças de Van der Waals ( onde as mais importantes são as forças dipolo-dipolo, e as forças de London).

Estes sólidos tendem a ter pontos de fusão relativamente baixos e a ser moles. Eles não são condutores de eletricidade (isolantes) porque não possuem partículas carregadas.

4.3.3. Sólidos Covalentes

São também chamados Sólidos atômicos, e suas unidades nos pontos reticulares são átomos ligados por covalência. Estes átomos formam uma enorme rede tridimensional típica que se prolonga até os limites físicos do cristal. O resultado é uma estrutura fortemente entrelaçada, rígida, à qual se deve a grande dureza e o alto ponto de fusão. Como não há partículas móveis na estrutura destes compostos, eles são tipicamente maus condutores de eletricidade.

4.3.4 Sólidos Metálicos

Aqui, as unidades são íons positivos onde seus elétrons formam uma nuvem gigante de elétrons que se espalha por todo o retículo. Estes elétrons não estão ligados a qualquer átomo, mas estão deslocalizados sobre o cristal – são os elétrons livres ou gás de elétrons. O que estabiliza a estrutura destes sólidos, são as forças atrativas existentes entre os elétrons livres e os cátions, permitindo que o sólido sofra distorção sem esfarelar – os metais são moles e facilmente deformáveis.

Em alguns casos, os metais são duros porque a ligação metálica é complementada por ligações covalentes entre cátions adjacentes, no retículo. Neste casos, os elétrons livres são responsáveis por suas características condutividades elétrica e térmica. Quando elétrons são adicionados numa extremidade de um pedaço de metal, outros elétrons são simultaneamente retirados de outra extremidade. Esta passagem de elétrons é denominada condução metálica. Por outro lado, quando o calor é adicionado a uma extremidade de um pedaço de metal, o resultado é um aumento na energia cinética média, tanto dos íons, que vibram mais intensamente, como dos elétrons, que consequentemente se movem mais rapidamente através do metal. A capacidade dos elétrons livres de transmitir emergia rapidamente de uma extremidade do metal a outra é responsável pela alta condutividade térmica mostrada pela maioria dos metais. Finalmente, o aspecto característico do metal, sua alta reflectividade e seu brilho metálico, também é explicado pela presença de elétrons livres. Os elétrons, deslocalizados numa superfície metálica, absorvem e irradiam a luz que incide na superfície. Isto acontece de tal maneira que uma superfície lisa de um metal reflete completamente a luz em todos os ângulos e dá ao metal seu brilho peculiar.

Exemplos NaCl CO2 SiC Na

K2CO3 C6H6 SiO2 (quartzo) Ag

(NH4)2SO4 H2O C (diamante) Fe

Na3PO4 CH4 Al2O3 W


4.4. DEFEITOS EM CRISTAIS

Um cristal ideal, apresenta uma estrutura interna perfeita que se expande em três dimensões, formando faces cristalinas planares. O crescimento destes cristais é difícil ou praticamente impossível. Em situações mais favoráveis, é possível que cresçam cristais pequenos com formas perfeitas, mesmo assim estes possuem várias irregularidades internas chamadas defeitos de cristal, que podem ser defeitos lineares e defeitos puntais.

4.4.1. Defeitos lineares

Um defeito linear é uma irregularidade estrutural que segue uma linha no cristal – um deslocamento. Este deslocamento pode ser em cunha ou helicoidal. O deslocamento em cunha representa apenas uma camada de partículas que não tem continuidade dentro do cristal. Já o deslocamento helicoidal, são camadas de átomos enroladas ao redor de um eixo que passa através do cristal, como se fosse a rosca de um parafuso.

Estes deslocamentos são muito comuns, sendo que na maioria das substâncias, representando centros de reatividade química acentuada. Por exemplo, a corrosão de metais ocorre mais rapidamente onde há alta concentração de deslocamentos.

4.4.2. Defeitos puntuais

Um outro tipo comum de defeito é o defeito puntual. Nele, estão inclusos dois tipos de defeitos – o vazio e a posição intersticial. O vazio é a posição na qual um átomo, íon ou molécula está fora de sua posição no cristal. Enquanto que o defeito de posição intersticial é visto quando uma partícula aprisionada se mostra aprisionada entre posições cristalinas.

4.5. SEMICONDUTORES

Um tipo de defeito puntual que se mostra comum de acontecer são os Centros de impurezas. Praticamente todos os sólidos possuem átomos, íons ou moléculas estranhos em pontos do retículo, dando origem ao fenômeno da Semicondutividade.

Um semicondutor é uma substância cuja condutividade elétrica aumenta com o aumento da temperatura. Num metal normal, um aumento na temperatura provoca um aumento na amplitude da vibração dos íons no cristal, o que limita a liberdade de movimento dos elétrons deslocalizados e, consequentemente, a condutividade do metal decresce. Desta forma, podemos observar que um semicondutor é um fraco condutor de eletricidade em temperaturas baixas. Esta substância pura que exibe este fenômeno é chamada de semicondutor intrínseco.

O fenômeno da semicondução pode, em alguns casos, ser provocado ou acentuado pela técnica de dopagem, isto é, adicionando traços de uma certa substância em outra, levando à supercondutividade. Este fenômeno originou pesquisas no mundo todo, onde muitas descobertas propiciaram a melhora de certas condições de uso dos metais. Por exemplo, após a descoberta da supercondutividade dos metais, certas ligas que apresentavam temperaturas de transição mais altas que os próprios metais foram preparadas.

Um outro exemplo que pode ser colocado é o uso cada vez mais freqüente de materiais supercondutores na fabricação de equipamentos eletromagnéticos como os usados em aceleradores nucleares de partículas e em aparelhos de ressonância magnética, que são usadas em equipamentos para diagnóstico médico. Superchips para computadores poderiam ser 1000 vezes mais rápidos que os chips convencionais de silício existentes.

Estes supercondutores de alta temperatura representam grande importância devido ao seu efeito potencial na tecnologia elétrica ou eletrônica. Isto poderia ser visto com o uso destes materiais na transmissão de energia elétrica, onde se pouparia 30% da energia perdida atualmente por causa da resistência dos fios e cabos elétricos.  


V. CONCLUSÃO

De acordo com a pesquisa bibliográfica, pode-se notar que os sólidos compreendem uma classe de substâncias de grande importância, uma vez que seu estudo específico permite ao homem o desenvolvimento cada vez maior em tecnologia, com as respectivas aplicações dos sólidos nos mais variados segmentos da indústria.


VI. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS

O’CONNOR, Rod. Fundamentos de química. São Paulo: Harper & Row. p. 162 - 169.

RUSSEL, J. B. Química geral. 2ed. São Paulo: Makron Books, 1994. v.1. p. 408 - 447.

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