Estrutura Atômica
Compreender a estrutura atômica dos materiais é fundamental para entender suas propriedades e seu comportamento em diferentes aplicações de engenharia. A forma como os átomos são constituídos e se relacionam entre si influencia características importantes dos materiais, incluindo resistência, ductilidade, condutividade e comportamento mecânico.
Nesse contexto, o estudo das ligações químicas permite compreender como os elementos se organizam e quais características podem apresentar os materiais formados por essas estruturas.
Estrutura Atômica
A matéria, como a conhecemos, é constituída por átomos. Estes, por sua vez, possuem uma eletrosfera composta por elétrons e um núcleo compreendido de prótons e nêutrons.
O elétron é uma partícula extremamente pequena, de massa igual a 9,106 × 10⁻³¹ kg, carregada eletricamente com uma carga de 1,6 × 10⁻¹⁹ C e que foi arbitrariamente denominada de negativa pelo homem.
O próton possui uma massa cerca de 1836 vezes maior do que a do elétron e carga elétrica igual, porém de sinal oposto ao do elétron, ou seja, positiva. O nêutron não apresenta carga elétrica e possui uma massa cerca de 1% maior que a do próton.
A eletrosfera contém sete camadas ou níveis de energia discretos nos quais um elétron pode se localizar. Cada camada pode comportar um determinado número máximo de elétrons.
Dependendo do número de elétrons na última camada, também chamada de camada de valência, o átomo pode apresentar uma tendência a “perder” ou “ganhar” elétrons. Essa característica influencia o tipo de ligação química que une os elementos.
Existem três tipos de ligações primárias:
- Ligação iônica;
- Ligação covalente;
- Ligação metálica.
Ligação Iônica
A ligação iônica ocorre quando um átomo com propensão a doar seus elétrons de valência, ou seja, eletropositivo, se une a um átomo de outro elemento que apresenta tendência a receber elétrons, ou seja, eletronegativo.
Nesse processo, o átomo eletropositivo fornece elétrons para o átomo eletronegativo, formando íons carregados positivamente, chamados de cátions, e íons carregados negativamente, chamados de ânions.
Dessa forma, ambos os átomos apresentam sua camada de valência preenchida, resultando em uma situação energeticamente mais estável, similar à de um gás nobre.
A ligação iônica ocorre devido à atração eletrostática entre os íons de cargas opostas. Normalmente, esse tipo de ligação é formado entre um metal, fortemente eletropositivo, e um não metal, fortemente eletronegativo, como ocorre no cloreto de sódio (NaCl).
É interessante observar que o cátion apresenta uma redução de diâmetro em comparação ao átomo neutro, enquanto ocorre o inverso com o ânion.
No estado sólido, os pares iônicos não existem individualmente. Eles formam um retículo cristalino tridimensional, no qual cátions e ânions se alternam na estrutura, mantendo a neutralidade do sólido.
Outra característica da ligação iônica é a não direcionalidade. A atração eletrostática é simétrica e ocorre ao redor de todo o íon.
Normalmente, os sólidos iônicos apresentam alto ponto de fusão, característica relacionada à força das ligações presentes na estrutura.
Ligação Covalente
A ligação covalente ocorre quando dois átomos eletronegativos, ou seja, com tendência a receber elétrons para se estabilizar, compartilham um par de elétrons entre si.
Essa ligação pode ocorrer entre átomos do mesmo elemento ou de elementos diferentes. Dependendo da quantidade de pares de elétrons compartilhados, podem ser formadas ligações covalentes simples, duplas ou triplas.
Um exemplo simples pode ser representado pela molécula de H₂, na qual dois átomos de hidrogênio compartilham seus elétrons. Com esse compartilhamento, ambos os átomos de hidrogênio adquirem a configuração eletrônica do gás nobre He.
Diferentemente da ligação iônica, a ligação covalente é altamente direcional. A molécula formada também pode existir individualmente, sem a necessidade de formar retículos cristalinos.
Entretanto, as moléculas podem ser atraídas por meio de ligações secundárias fracas, decorrentes da existência de dipolos eletrostáticos temporários e/ou permanentes, chamados de ligações dipolo-dipolo ou de Van der Waals.
Assim, apesar de a ligação covalente ser relativamente forte, as ligações intermoleculares podem ser mais fracas, influenciando características como o ponto de fusão dos materiais.
Ligação Metálica
A ligação metálica é característica dos metais. Os sólidos metálicos são constituídos por átomos empacotados muito próximos uns dos outros, formando uma rede cristalina tridimensional.
Os poucos elétrons de valência são fracamente ligados ao núcleo e, devido à proximidade entre os átomos, movimentam-se com certa liberdade nos níveis mais altos de energia da estrutura, formando uma “nuvem eletrônica” sem pertencer a um átomo específico.
Os demais elétrons permanecem ligados ao núcleo, formando um cátion de carga equivalente à dos elétrons livres.
A repulsão eletrostática entre os cátions vizinhos é contrabalançada pelos elétrons livres. Dessa forma, a ligação metálica apresenta caráter não direcional.
A força da ligação metálica depende da quantidade de elétrons livres e pode variar de forte a fraca.
A importância da estrutura atômica para os materiais
O conhecimento da estrutura atômica dos materiais é uma das bases para compreender seu comportamento e suas propriedades.
A maneira como os átomos se organizam e estabelecem ligações influencia diretamente a estrutura e as características dos materiais. Por isso, compreender as ligações iônica, covalente e metálica é importante para estudos relacionados à engenharia e à ciência dos materiais.
Esse conhecimento também contribui para compreender fenômenos relacionados às propriedades mecânicas e ao desempenho dos materiais em diferentes condições de utilização.