Sólido Cristalinos

Sólido Cristalinos

As substâncias se apresentam, normalmente, nos estados sólido, líquido ou gasoso. Para uma substância no estado gasoso, a distância média de separação entre as partículas (moléculas ou átomos) é grande comparada aos seus diâmetros, de modo que a interação entre elas pode ser ignorada. Contudo, a temperaturas e pressões usuais, muitas substâncias estão nos estados líquido e sólido e a interação entre as correspondentes partículas não pode mais ser ignorada. Nestes casos, a distância de separação entre as partículas é da ordem de grandeza dos seus diâmetros e a intensidade das forças que as mantêm juntas é da ordem de grandeza da intensidade das forças que ligam os átomos para formar moléculas. Nos sólidos, os átomos (ou moléculas) podem ou não existir como entidades isoladas mas, de qualquer modo, suas propriedades são modificadas pelos átomos (ou moléculas) das proximidades. Por exemplo, os níveis de energia dos elétrons mais exteriores de um átomo (ou de uma molécula) são distorcidos pelos átomos (ou moléculas) da vizinhança. Nos sólidos cristalinos, os átomos (ou moléculas) ocupam posições regularmente distribuídas no espaço, constituindo uma rede regular chamada rede cristalina. A configuração regular pode alcançar distâncias muito grandes. Nos sólidos não cristalinos (amorfos), como o concreto, o asfalto, o vidro, a cera e o plástico, a configuração regular prevalece apenas nas vizinhanças dos átomos ou moléculas individuais e, sobre distâncias maiores, prevalece a desordem. Uma base para classificar os sólidos cristalinos é a natureza das forças que mantém unidos os átomos (ou moléculas) no ordenamento da rede cristalina. A energia de coesão dos átomos (ou moléculas) num cristal depende das forças de ligação dominantes entre esses átomos (ou moléculas). O mesmo esquema de classificação que é apropriado às ligações moleculares é também útil para os sólidos. Entretanto, uma nova categoria é necessária, a ligação metálica. Esse mecanismo, efetivo para a ligação de átomos em metais como o sódio, o cobre, a prata e outros, nas fases sólida e líquida, não produz complexos moleculares na fase gasosa. Os sólidos cristalinos podem ser iônicos, covalentes, moleculares ou metálicos. Nos sólidos iônicos, a rede está formada por íons alternadamente positivos e negativos, resultantes da transferência de um elétron (ou mais) de um tipo de átomo para o outro. A estabilidade da rede cristalina é mantida pela atração eletrostática entre os íons presentes, tais como os íons Na+ e Cl- na molécula NaCl (cloreto de sódio, o sal de cozinha comum (Fig.25)) e os íons Li+ e F- na molécula LiF (fluoreto de lítio). Como esses sólidos não têm elétrons livres, a sua condutividade elétrica é muito baixa (são isolantes). Mas, se uma quantidade apropriada de energia é fornecida a um sólido iônico de modo que ele se transforme num líquido, ele se torna um bom condutor de eletricidade. Os sólidos iônicos são geralmente duros, frágeis e têm um elevado ponto de fusão devido às forças eletrostáticas relativamente intensas entre os íons. Alguns cristais iônicos absorvem radiação eletromagnética com comprimentos de onda na região dos maiores comprimentos de onda do infravermelho, já que a energia necessária para produzir vibrações na rede cristalina é menor que cerca de 1 eV. A energia para produzir tais vibrações é, em geral, mais baixa para os cristais iônicos do que para os covalentes, em virtude da energia de ligação ser relativamente mais baixa. Nos sólidos covalentes não existe transferência de carga entre os átomos para formar íons, como no caso dos cristais iônicos, mas um compartilhamento de pares de elétrons de valência entre os átomos. A estrutura cristalina de um sólido covalente fica definida pela direcionalidade da ligação covalente. Por exemplo, os átomos tetravalentes do carbono, germânio e silício formam ligações covalentes nas combinações moleculares. Cada um desses átomos tem quatro elétrons na camada eletrônica mais externa, ou seja, tem quatro elétrons de valência, cujos orbitais são orbitais híbridos s-p3. No sólido cristalino correspondente, cada átomo forma ligações covalentes com os quatro átomos mais próximos, ficando no centro de um tetraedro regular, com quatro átomos semelhantes nos vértices (Fig.26). Assim, quatro ligações covalentes idênticas podem ser formadas, com cada átomo contribuindo com um elétron a cada uma dessas ligações. Nesse tipo de estrutura, organizada por ligações covalentes, cada elétron está fortemente ligado, de modo que não existem elétrons livres para participar de qualquer processo de condução e os sólidos covalentes têm uma condutividade elétrica muito baixa (são isolantes). Além disso, são extremamente duros e difíceis de deformar. Por outro lado, são necessárias energias relativamente altas, da ordem de alguns elétron-volts, para produzir vibrações na rede cristalina, e como as energias dos fótons associados à região do visível no espectro eletromagnético estão entre 1,8 e 3,1 eV, muitos sólidos covalentes são incolores (transparentes). Nos sólidos moleculares constituídos por moléculas apolares, os elétrons se encontram emparelhados e não podem formar ligações covalentes. As moléculas conservam a sua individualidade mas estão ligadas pelas forças de Van der Waals, as mesmas que existem entre as moléculas de um gás ou de um líquido. As forças de Van der Waals são bastante fracas e são derivadas da interação entre dipolos elétricos. Pelo movimento dos elétrons ao redor dos núcleos numa molécula apolar pode acontecer que, por um breve instante, a distribuição de carga seja tal que parte da molécula fique positiva e parte negativa. Enquanto está polarizada, esta molécula induz em outra molécula de sua vizinhança uma distribuição de carga semelhante e as duas se atraem. No instante seguinte, as moléculas voltam às configurações originais e não mais se atraem. Isto se repete aleatoriamente com todos os pares de moléculas do sólido. Os gases nobres, gases comuns como o oxigênio e o hidrogênio e muitos compostos orgânicos formam sólidos moleculares desse tipo. Em alguns sólidos moleculares as moléculas são polares, como no caso do gelo, por exemplo. As moléculas de água são polares porque, em cada uma delas, o átomo de oxigênio atrai mais para perto de si os elétrons que constituem as ligações covalentes com os átomos de hidrogênio. Então, a parte de uma molécula correspondente ao átomo de oxigênio é negativa e as partes correspondentes aos átomos de hidrogênio, positivas. A ligação entre as moléculas, chamada ligação hidrogênica, se dá pela atração eletrostática entre a parte negativa de uma molécula e a positiva de outra. Os sólidos moleculares têm uma condutividade elétrica muito baixa (são isolantes). Um sólido metálico é formado a partir de átomos com alguns elétrons fracamente ligados nas camadas mais externas, elétrons esses que passam a se mover por todo o sólido quando de sua formação. Assim, um sólido metálico é constituído por uma rede ordenada de íons positivos que são mantidos juntos por uma espécie de gás de elétrons livres. A mobilidade dos elétrons de valência que constituem esse gás de elétrons livres é que torna os metais bons condutores de eletricidade.