Os Materiais Inorgânicos

Materiais Inorgânicos.

        O desenvolvimento da civilização depende, em grande parte, do desenvolvimento de novos materiais que dão origem a novas tecnologias e, com isso, abrem novas oportunidades. O uso do concreto levou avanços importantes na arquitetura e nas construções, o aço levou à revolução industrial, os plásticos transformaram a vida diária e os semicondutores baseados no silício modificaram profundamente as comunicações e o cálculo. O século XXI continua a se desenvolver com a descoberta e a fabricação de novos materiais. Para desenhar um edifício, fabricar membros artificiais ou desenvolver novos meios de comunicação, engenheiros, pesquisadores em medicina, arquitetos e cientistas devem entender a base química dos materiais. Materiais que ainda não foram imaginados serão desenvolvidos – talvez até mesmo por você – à medida que nossa capacidade de fabricar novas formas de matéria aumentar.

          O material usado em tecnologia, medicina e construção é classificado como “duro” ou “mole”. A matéria dura pode aguentar forças muito grandes sem deformar – se. A matéria mole responde mais rapidamente às forças aplicadas. A maior parte da matéria dura é inorgânica e a maior parte da matéria mole é orgânica e tem papel importante na biologia.

MATERIAIS METÁLICOS

Os metais têm sido usados como materiais por mais de 10 mil anos. Eles são comumente usados como ligas, uma mistura de metais formada na fusão e, no caso dos aços, contêm também carbono. O aço é uma liga ferrosa, significando que ele se baseia no ferro e com frequência inclui outros metais do grupo d que conferem resistência e evitam a corrosão. As ligas não ferrosas baseiam – se em outros materiais, como é o caso do latão e do bronze, que são à base do cobre.

1. Propriedades dos metais

Pode – se pensar em um metal como uma grande quantidade de cátions mantidos juntos por um “mar” de elétrons. [pic 1]

Este modelo explica muitas de suas propriedades físicas. Por exemplo, os metais conduzem eletricidade porque os elétrons do “mar” podem responder a uma diferença de potencial aplicada e movem – se além dos cátions estacionários. Em contraste, os sólidos iônicos, moleculares e reticulares são, geralmente, isolantes elétricos ou semicondutores porque seus elétrons são restritos aos átomos e moléculas. Exceções notáveis incluem os materiais iônicos que agem como supercondutores de temperatura elevada – que ainda não são muito bem compreendidos – e os polímeros orgânicos ( compostos formados pela ligação em cadeia de um grande número de moléculas pequenas ) que são condutores elétricos devido ao número grande de orbitais pi conjugados.

      O brilho característico dos metais é devido à mobilidade dos elétrons que formam o “mar”. Uma onda de luz incidente é um campo magnético oscilante. Quando atinge a superfície do metal, o campo elétrico das radiação empurra os elétrons móveis para a frente e para trás. Os elétrons que oscilam irradiam luz, e vemos isso com o brilho – essencialmente uma remissão da luz incidente. Os elétrons oscilam de acordo com a luz incidente, logo geram luz da mesma frequência. Em outras palavras, a luz vermelha refletida em uma superfície metálica é vermelha e a luz azul é refletida como luz azul. É por isso que a imagem em um espelho – uma camada fina de metal sobre vidro – mostra um retrato fiel do objeto refletido.

      A mobilidade dos elétrons também explica a maleabilidade dos metais, a capacidade de adquirir diferentes formas sob pressão, e sua ductilidade, a capacidade de se transformar em fios. Como os cátions estão cercados por um “mar” de elétrons, as ligações metálicas têm muito pouco caráter direcional. Como resultado, o cátion pode se deslocar em relação a seus vizinhos sem muito esforço. Uma batida de martelo pode deslocar um grande número de cátions. O “mar” de elétrons imediatamente se ajusta, logo os átomos movem – se com relativa facilidade para suas novas posições. Os metais são mais maleáveis do que outros sólidos: quando os átomos se movem de uma posição para a outra, os elétrons os seguem. Os sólidos iônicos comumente se quebram: a interação entre os íons se perde quando um grupo deles se move quando sofre uma martelada.

        As maleabilidades diferentes dos vários metais podem ser ligadas as suas estruturas cristalinas diferentes. A estrutura cristalina típica de um metal é formado por planos de deslizamento, isto é, planos de átomos que se deslocam ou escorregam uns em relação aos outros sob pressão. Os planos de deslizamento, de uma estrutura cúbica de empacotamento compacto (ccp) são os planos de empacotamento, e o exame cuidadoso da célula unitária mostra que existem oito conjuntos de planos de deslizamento em direções diferentes. Em consequência, metais com estruturas ccp, como o cobre, são maleáveis: eles podem ser facilmente encurvados, achatados ou martelados até a forma desejada. Em contraste, uma estrutura hexagonal de empacotamento compacto tem só um conjunto de planos de deslizamento (paralelo às camadas empacotadas), e os metais que têm essa estrutura, como o zinco ou cádmio, tendem a ser relativamente quebradiços.

         A mobilidade dos elétrons de valência de um metal explica sua    condutividade elétrica, brilho, maleabilidade e ductibilidade.

1.2 Ligas

          As propriedades das ligas dependem de sua composição, de sua estrutura cristalina, e do tamanho e textura dos grãos que as formam. Nas ligas homogêneas, átomos de elementos diferentes se distribuem uniformemente, ao acaso ou em arranjos regulares, como verdadeiros compostos. São exemplos o latão, o bronze e as ligas usadas em cunhagem. As ligas heterogêneas são misturas de fases cristalinas com composições diferentes. São exemplos a solda estanho – chumbo e o amálgama de mercúrio que era usado pelos dentistas.  Ao contrário dos metais puros, que têm um ponto de fusão distinto, as ligas fundem e se solidificam, em geral, em uma faixa de temperaturas.

          Como os raios dos metais dos elementos do bloco d são todos semelhantes, eles forma entre si um grande número de ligas, porque um tipo de átomo pode substituir o outro. Um exemplo é a liga de cobre e zinco usada em moedas de “cobre”. Como átomos os de zinco têm quase o mesmo tamanho dos de cobre (seus raios de 133 pm e 128 ppm, respectivamente) e têm estruturas eletrônicas semelhantes ( pertencem a grupos vizinhos; a configuração eletrônica do Cu10 4s¹ e do Zn é o [Ar] 3d10 4s2), eles podem substituir alguns dos átomos de cobre do cristal. Uma liga na qual os átomos de um metal são substituídos por átomos de outro metal é chamado de liga substitucional. Os raios atômicos dos elementos que podem formar ligas substitucionais não diferem em mais de 15%. Como existem pequenas diferenças de tamanho e estrutura eletrônica, os átomos menos abundantes em uma liga substitucional distorcem a forma do retículo dos átomos mais abundantes do metal hospedeiro e dificultam o fluxo dos elétrons e o espalhamento do movimento térmico. Portanto, uma mistura substitucional tem condutividade térmica e elétrica mais baixa que o elemento puro. Como o retículo está distorcido, o deslizamento de planos de átomos é mais difícil de um plano em relação ao outro. Em consequência, uma liga substitucional é mais forte e mais dura do que o metal puro.