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Estrutura e propriedades dos metais

Estuda-se a ligação metálica pelo modelo do mar de eletrões, a forma como este modelo explica as propriedades características dos metais (condutividade, maleabilidade, ductilidade, brilho), as estruturas cristalinas metálicas (CCC, CFC e HC) e as ligas metálicas. Matéria da Unidade 1 da Química do 12.º ano (Ciências e Tecnologias), disciplina de opção sem Exame Final Nacional — avaliada por avaliação interna.

4 secções~15 min de leitura4 competênciasNível Padrão 3 · Aprofundamento 1

T·0111 / 7

Perfil de exame

Explicar a ligação metálica pelo modelo do mar de eletrões e relacioná-la com as propriedades dos metaisDistinguir e caracterizar as redes cristalinas metálicas CCC, CFC e HCRelacionar a estrutura das ligas metálicas com a alteração das propriedadesCalcular massa volúmica e número de átomos a partir da célula unitária

Operadores:explicadescreverelacionadistinguejustificacalculaidentifica

nível básico

Reconhecer o modelo do mar de eletrões e associá-lo às propriedades gerais dos metais.

nível avançado

Caracterizar as redes cristalinas, calcular a massa volúmica a partir da célula unitária e interpretar as ligas como soluções sólidas.

Profundidade

Texto

Conteúdo · 4 secções

Estrutura e propriedades dos metais

A ligação metálica e o modelo do mar de eletrões#

PadrãoAE-quimica-12-u1-estrutura-metais

Os metais são elementos com baixa energia de ionização e baixa eletronegatividade: os seus átomos cedem com facilidade os eletrões de valência. Num sólido metálico, esses eletrões deixam de pertencer a um átomo em particular e passam a mover-se livremente por todo o cristal. O que resta são os cerne dos átomos — os catiões — dispostos numa rede regular. Esta é a ideia central do modelo do mar de eletrões (ou nuvem eletrónica): uma rede ordenada de iões positivos imersa num « mar » de eletrões de valência deslocalizados (ver Fig. 1).

Modelo do mar de eletrões

Fig. 1Fig. 1 — Modelo do mar de eletrões: catiões (M⁺) numa rede regular imersos numa nuvem de eletrões de valência deslocalizados (e⁻).

A ligação metálica é a força de atração eletrostática entre esse mar de eletrões (globalmente negativo) e a rede de catiões (positivos). Ao contrário da ligação covalente, que é dirigida entre dois átomos concretos, a ligação metálica é não-dirigida e coletiva: cada eletrão é partilhado por todos os catiões ao mesmo tempo, e cada catião é atraído pela nuvem inteira. É esta atração que mantém o cristal coeso e que, sendo em geral forte, explica que a maioria dos metais tenha pontos de fusão e de ebulição elevados e seja sólida à temperatura ambiente (a exceção conhecida é o mercúrio, líquido).

O número de eletrões deslocalizados por átomo relaciona-se com o número de eletrões de valência: um metal alcalino como o sódio contribui com cerca de um eletrão por átomo, enquanto metais de transição contribuem com mais. Quanto maior a densidade de eletrões deslocalizados e a carga dos catiões, mais forte tende a ser a ligação metálica e, com ela, mais elevados os pontos de fusão e maior a dureza — compare-se o sódio, mole e de baixo ponto de fusão, com o tungsténio ou o ferro.

Convém distinguir os três modelos de ligação (revisão): na ligação iónica há transferência de eletrões e atração entre iões de sinais contrários fixos na rede; na ligação covalente há partilha localizada de pares de eletrões entre dois átomos; na ligação metálica há partilha deslocalizada dos eletrões de valência por toda a estrutura. É justamente esta deslocalização, e a não-direccionalidade da ligação, que estão na origem das propriedades típicas dos metais estudadas na secção seguinte.

Uma descrição mais fina — o modelo de bandas de energia — substitui o « mar » por bandas de níveis eletrónicos muito próximos (banda de valência e banda de condução) e explica com rigor a diferença entre condutores, semicondutores e isoladores. Fica aqui apenas como ampliação: para os objetivos desta unidade, o modelo do mar de eletrões é suficiente para interpretar qualitativamente todas as propriedades.

Exemplo resolvido

Justificar a condutividade com o modelo

Usando o modelo do mar de eletrões, explica por que um fio de cobre conduz a corrente elétrica.

Portadores de carga
No cobre sólido, os eletrões de valência estão deslocalizados e podem mover-se livremente por todo o metal — não estão presos a nenhum átomo.
Aplicar um campo
Ao ligar o fio a uma diferença de potencial, o campo elétrico impõe um movimento orientado a esses eletrões livres.
Corrente elétrica
Esse movimento orientado de cargas negativas constitui uma corrente elétrica; os catiões da rede permanecem fixos (apenas vibram).

Resultado: O cobre conduz porque possui eletrões deslocalizados livres que, sob um campo elétrico, se deslocam de forma orientada, transportando carga.

Erros frequentes

Dizer que na ligação metálica os eletrões pertencem a átomos concretos ou formam pares localizados — os eletrões estão deslocalizados por todo o cristal.
Confundir os catiões da rede com « iões » de um composto iónico: no metal os catiões são todos do mesmo elemento e estão imersos na nuvem eletrónica.

Revisão ativa

Com base no modelo do mar de eletrões, explica por que razão o magnésio (2 eletrões de valência, catião Mg²⁺) tem um ponto de fusão muito superior ao do sódio (1 eletrão de valência, catião Na⁺).

Evocação ativa

Recorda os pontos-chave — depois revela.

Fontes: Aprendizagens Essenciais de Química — 12.º ano (DGE) (Direção-Geral da Educação (DGE))

As propriedades dos metais explicadas pelo modelo#

PadrãoAE-quimica-12-u1-estrutura-metais

O grande mérito do modelo do mar de eletrões é explicar, de forma unificada, as propriedades características dos metais a partir de um só facto: a existência de eletrões de valência deslocalizados e móveis (ver Fig. 2). Analisemo-las uma a uma.

Do mar de eletrões às propriedades dos metais

Fig. 2Fig. 2 — Uma única causa (eletrões deslocalizados e móveis) explica as propriedades características dos metais.

Condutividade elétrica elevada: como os eletrões deslocalizados se movem livremente, basta aplicar um campo elétrico para gerar uma corrente. Ao contrário dos compostos iónicos (que só conduzem fundidos ou em solução), os metais conduzem no estado sólido. A condutividade diminui ligeiramente com o aumento da temperatura, porque as vibrações mais intensas dos catiões dificultam a passagem dos eletrões — comportamento oposto ao dos semicondutores, cuja condutividade aumenta com a temperatura.

Condutividade térmica elevada: os mesmos eletrões móveis transportam energia cinética de uma região quente para uma região fria, tornando os metais bons condutores de calor. É por isso que um objeto metálico parece « frio » ao toque: conduz rapidamente o calor da nossa mão.

Maleabilidade (deformação em lâminas) e ductilidade (deformação em fios): quando se aplica uma força, os planos de catiões deslizam uns sobre os outros sem que a ligação se quebre, porque o mar de eletrões, não-dirigido, reajusta-se de imediato à nova posição dos catiões. É a diferença crucial em relação aos sólidos iónicos: nestes, o deslizamento aproxima iões de igual carga, cuja repulsão fratura o cristal — por isso são frágeis, enquanto os metais se deformam.

Brilho metálico e opacidade: os eletrões deslocalizados absorvem e reemitem a luz visível que incide na superfície, conferindo o brilho característico e impedindo a luz de atravessar o metal (opacidade). Em conjunto, todas estas propriedades — e ainda a elevada massa volúmica da maioria dos metais — decorrem diretamente do empacotamento compacto de catiões envolvidos por eletrões livres.

Exemplo resolvido

Metal maleável vs sólido iónico frágil

Justifica, em termos de ligação, por que uma barra de cobre se pode martelar em chapa mas um cristal de cloreto de sódio se parte ao ser golpeado.

No cobre
Ao deslizarem os planos de catiões, o mar de eletrões deslocalizados reajusta-se e continua a « colar » a estrutura: a ligação metálica não-dirigida mantém-se.
No cloreto de sódio
O deslizamento de um plano coloca iões de igual carga (por exemplo Na⁺ sobre Na⁺) frente a frente.
Consequência
A forte repulsão entre esses iões de igual carga rompe a estrutura: o cristal iónico é frágil e cliva.

Resultado: O cobre deforma-se porque a ligação metálica se mantém durante o deslizamento; o NaCl parte porque o deslizamento gera repulsões entre iões de igual carga.

Erros frequentes

Explicar a maleabilidade dizendo apenas que « os átomos deslizam », sem referir que a ligação metálica não-dirigida se mantém porque o mar de eletrões se reajusta.
Afirmar que a condutividade elétrica dos metais aumenta com a temperatura (aumenta nos semicondutores; nos metais diminui).

Revisão ativa

Explica, com base no modelo do mar de eletrões, por que o cloreto de sódio (sólido iónico) é frágil enquanto o cobre (metal) é maleável, embora ambos sejam sólidos cristalinos.

Evocação ativa

Recorda os pontos-chave — depois revela.

Fontes: Aprendizagens Essenciais de Química — 12.º ano (DGE) (Direção-Geral da Educação (DGE))

Estruturas cristalinas metálicas (CCC, CFC e HC)#

AprofundamentoAE-quimica-12-u1-estrutura-metais

Nos metais sólidos, os catiões não estão dispostos ao acaso: ocupam posições regulares que se repetem no espaço, formando um cristal. O padrão mínimo que, repetido por translação, gera toda a rede chama-se célula unitária. Três estruturas cristalinas descrevem a esmagadora maioria dos metais: cúbica de corpo centrado (CCC), cúbica de faces centradas (CFC) e hexagonal compacta (HC).

Na estrutura cúbica de corpo centrado (CCC), há um átomo em cada vértice do cubo e um átomo no centro do corpo. Cada átomo tem 8 vizinhos mais próximos (número de coordenação 8) e o empacotamento ocupa 68 % do espaço. Cristalizam assim o ferro-α (à temperatura ambiente), o crómio, o tungsténio e os metais alcalinos (Na, K).

Na estrutura cúbica de faces centradas (CFC), há um átomo em cada vértice e um átomo no centro de cada face do cubo (ver Fig. 3). O número de coordenação é 12 e o empacotamento atinge 74 % — a compacidade máxima possível para esferas iguais. Cristalizam assim o cobre, o alumínio, o ouro, a prata, o níquel e o ferro-γ. A estrutura hexagonal compacta (HC) tem igualmente número de coordenação 12 e 74 % de compacidade, diferindo apenas na sequência de empilhamento dos planos compactos (ABAB, em vez de ABCABC da CFC); cristalizam assim o magnésio, o zinco, o titânio e o cobalto.

Célula unitária cúbica de faces centradas (CFC)

Fig. 3Fig. 3 — Célula CFC: átomos nos 8 vértices (1/8 cada) e no centro das 6 faces (1/2 cada) = 4 átomos por célula.

Para contar os átomos que « pertencem » a uma célula unitária, reparte-se cada átomo pelas células que o partilham: um átomo de vértice conta 1/8 (é partilhado por 8 cubos), um átomo de face conta 1/2 e um átomo no interior conta 1. Assim, a CCC tem 8 × 1/8 + 1 = 2 átomos por célula e a CFC tem 8 × 1/8 + 6 × 1/2 = 4 átomos por célula (ver Fig. 4).

Comparação das redes cristalinas metálicas

Fig. 4Fig. 4 — Características das três estruturas cristalinas metálicas mais comuns.

Conhecida a estrutura, a aresta a da célula e a massa molar M, calcula-se a massa volúmica do metal com a expressão ρ = Z·M / (N_A·a³), onde Z é o número de átomos por célula e N_A a constante de Avogadro. Este cálculo, muito valorizado, liga o mundo microscópico (a célula) à propriedade macroscópica (a densidade) e permite, invertendo, estimar o raio atómico. Na CFC os átomos tocam-se ao longo da diagonal de uma face, pelo que a = 2√2·r (relação útil para passar do raio à aresta).

\rho = \dfrac{Z\,M}{N_{A}\,a^{3}}

Massa volúmica a partir da célula unitária

Z = número de átomos por célula; M = massa molar; N_A = constante de Avogadro (6,02 × 10²³ mol⁻¹); a = aresta da célula. O numerador é a massa dos átomos da célula e o denominador o seu volume.

a = 2\sqrt{2}\,r \quad (\text{CFC})

Aresta e raio atómico na rede CFC

Na rede cúbica de faces centradas os átomos tocam-se ao longo da diagonal da face, de comprimento a√2 = 4r; logo a = 2√2·r.

Exemplo resolvido

Massa volúmica do cobre a partir da célula CFC

O cobre cristaliza numa rede CFC de aresta a = 3,61 × 10⁻⁸ cm. Sabendo que M(Cu) = 63,5 g/mol e N_A = 6,02 × 10²³ mol⁻¹, calcula a massa volúmica do cobre.

Átomos por célula
Rede CFC: Z = 8 × 1/8 (vértices) + 6 × 1/2 (faces) = 1 + 3 = 4 átomos por célula.
Volume da célula
a³ = (3,61 × 10⁻⁸ cm)³ = 4,70 × 10⁻²³ cm³.
Aplicar a fórmula
ρ = Z·M/(N_A·a³) = (4 × 63,5) / (6,02 × 10²³ × 4,70 × 10⁻²³).
$\rho = \dfrac{4 \times 63{,}5}{6{,}02\times10^{23}\times 4{,}70\times10^{-23}}$
Cálculo
ρ = 254 / 28,3 ≈ 8,97 g/cm³.

Resultado: ρ ≈ 8,97 g/cm³, em excelente acordo com o valor tabelado do cobre (8,96 g/cm³).

Erros frequentes

Contar como 1 os átomos dos vértices e das faces da célula, esquecendo que são partilhados (contam 1/8 e 1/2, respetivamente).
Trocar a compacidade das redes: a CCC ocupa 68 %, enquanto a CFC e a HC ocupam 74 % (compacidade máxima).

Revisão ativa

O alumínio cristaliza numa rede CFC de aresta a = 405 pm. Determina o número de átomos por célula e calcula a massa volúmica do alumínio (M = 27,0 g/mol).

Evocação ativa

Recorda os pontos-chave — depois revela.

Fontes: Aprendizagens Essenciais de Química — 12.º ano (DGE) (Direção-Geral da Educação (DGE))

Ligas metálicas: estrutura e propriedades#

PadrãoAE-quimica-12-u1-estrutura-metais

Raros são os metais usados no estado puro: quase sempre se recorre a ligas metálicas — materiais com propriedades metálicas obtidos por combinação de um metal com um ou mais elementos (metais ou não-metais). Do ponto de vista estrutural, a maioria das ligas são soluções sólidas: os átomos do elemento adicionado incorporam-se na rede cristalina do metal-base sem destruir a ligação metálica.

Há dois tipos de solução sólida (ver Fig. 5). Nas soluções sólidas de substituição, átomos de tamanho semelhante ao do metal-base ocupam posições da rede, substituindo alguns dos seus átomos — é o caso do latão (Cu com Zn), do bronze (Cu com Sn) e do ouro de joalharia (Au com Ag ou Cu). Nas soluções sólidas de inserção, átomos pequenos ocupam os interstícios entre os átomos da rede — é o caso do aço, em que pequenos átomos de carbono se alojam nos interstícios da rede de ferro.

Soluções sólidas de substituição e de inserção

Fig. 5Fig. 5 — Nas ligas por substituição, átomos semelhantes trocam posições da rede; nas ligas por inserção, átomos pequenos ocupam os interstícios.

Em ambos os casos, a presença de átomos de tamanho diferente distorce a rede regular e dificulta o deslizamento dos planos de átomos. Por isso, a liga é normalmente mais dura e mais resistente do que o metal puro, embora menos maleável — a mesma razão estrutural que torna o aço muito mais resistente do que o ferro puro. Ajustar a composição permite « afinar » propriedades como a dureza, a resistência mecânica, a resistência à corrosão, a cor e o ponto de fusão (ver Fig. 6).

Ligas metálicas comuns

Fig. 6Fig. 6 — Composição e propriedades de algumas ligas metálicas de uso corrente.

As ligas são, por isso, um exemplo maior da relação estrutura–propriedades que atravessa toda a Química dos materiais: o aço inoxidável (Fe com Cr e Ni) resiste à corrosão porque o crómio forma uma camada protetora de óxido; os bronzes são duros e resistentes ao desgaste; as amálgamas dentárias (com mercúrio) são moldáveis e depois endurecem. Escolher a liga certa é escolher a estrutura que dá as propriedades desejadas.

Exemplo resolvido

Classificar uma liga e justificar a dureza

O aço-carbono contém pequenas quantidades de carbono dissolvidas no ferro. Classifica o tipo de solução sólida e explica por que o aço é mais duro do que o ferro puro.

Tamanho dos átomos
O átomo de carbono é muito mais pequeno do que o de ferro, pelo que não substitui o ferro na rede: aloja-se nos interstícios.
Tipo de solução
Trata-se, portanto, de uma solução sólida de inserção.
Efeito na estrutura
Os átomos de carbono distorcem a rede de ferro e dificultam o deslizamento dos planos de átomos.
Consequência
Como o deslizamento fica dificultado, o material deforma-se menos: o aço é mais duro e resistente do que o ferro puro.

Resultado: O aço é uma solução sólida de inserção; a distorção da rede pelo carbono dificulta o deslizamento dos planos, aumentando a dureza.

Erros frequentes

Definir liga como uma « mistura » qualquer, sem referir que se trata de uma solução sólida em que se mantêm as propriedades metálicas.
Trocar os tipos: o aço (C em Fe) é uma solução de inserção (átomos pequenos nos interstícios), não de substituição.

Revisão ativa

O latão é uma liga de cobre e zinco, cujos átomos têm raios semelhantes. Classifica o tipo de solução sólida e justifica por que o latão é mais duro do que o cobre puro.

Evocação ativa

Recorda os pontos-chave — depois revela.

Fontes: Aprendizagens Essenciais de Química — 12.º ano (DGE) (Direção-Geral da Educação (DGE))

Referências e fontes

Fontes

Direção-Geral da Educação (DGE)

Aprendizagens Essenciais de Química — 12.º ano (DGE)

Estrutura e propriedades dos metais

4 secções~15 min de leitura4 competênciasNível Padrão 3 · Aprofundamento 1

Estrutura e propriedades dos metais

Pontos-chave

Justificar a condutividade com o modelo

Pontos-chave

Metal maleável vs sólido iónico frágil

Pontos-chave

Massa volúmica do cobre a partir da célula CFC

Pontos-chave

Classificar uma liga e justificar a dureza

Fontes

Estrutura e propriedades dos metais

Pontos-chave

Justificar a condutividade com o modelo

Pontos-chave

Metal maleável vs sólido iónico frágil

Pontos-chave

Massa volúmica do cobre a partir da célula CFC

Pontos-chave

Classificar uma liga e justificar a dureza

Fontes