Ligações Químicas em
Materiais Cerâmicos
Arranjos Atômicos
• 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
• Ligações fortes:
Iônicas
Covalentes
Metálicas
• Ligações fracas:
Van der waals
Materiais cerâmicos: ligações iônicas e/ou
covalentes
Representação esquemática dos estados de
energia preenchidos para um átomo de
sódio
Ligação iônica
Ligação Iônica (NaCl)
Representação esquemática da
ligação iônica para o NaCl
• Resulta da atração
mútua entre íons
positivos e negativos
Representação esquemática da ligação covalente
em uma molécula de metano.
• Os átomos atingem a
configuração estável
compartilhando
elétrons com um
átomo adjacente
Ligação Covalente – Cl - Cl
A ligação covalente é direcional, ou seja mantém um
ângulo entre as ligações: Nos materiais cerâmicos
covalentes há uma tendência a reduzir a expansão térmica
e a densidade em relação a materiais iônicos com massa
atômica semelhante
União de dois átomos de sódio por meio da
ligação metálica
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
Modelo da Ligação Metálica: Metal Alumínio
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.
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.
Ilustração esquemática da ligação
de van der waals
• São ligações
secundárias fracas
que estão
relacionadas a
atração de dipolos
elétricos
Representação esquemática da ligação de
Van der Waals para o ácido fluorídrico
Influência das ligações de Van der Waals, nas
propriedades dos materiais
Estrutura do diamante: Apenas
ligações covalentes
Estrutura planar da grafita:
ligações covalentes dentro dos
planos ligação covalente, entre
os planos ligação fraca
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
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
Método gráfico para determinar o % de
caráter iônico
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%
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
Caráter iônico e covalente de um cerâmico
Caráter iônico e covalente de alguns cerâmicos
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 iônicos 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 aos dos compostos iônicos) e menores expansões
térmicas que os compostos iônicos, para energias entre as ligações
semelhantes.