Classificação de ligações e materiais

    Na classificação dos materiais, uma importante base é a ligação atômica. Embora os átomos sejam determinados pelo seu número atômico (soma de prótons e nêutrons), a natureza da ligação atômica é determinada pelo comportamento dos elétrons que orbitam o núcleo. Dito isto, há três tipos de ligações fortes, ou primárias, responsáveis pela coesão dos sólidos. São elas:

1. Ligações iônicas:

Características:

• Transferência de elétrons;
• Não-direcional;
• Par de íons com cargas opostas;
• Números de coordenação relativamente altos e determinados estritamente pela eficiência do empacotamento geométrico;
• O espaçamento iônico de equilíbrio é estabelecido devido a fortes forças repulsivas associadas à tentativa de sobrepor os dois núcleos atômicos.

    As cerâmicas (Figura 1) e vidros apresentam ligação iônica, mas geralmente em conjunto com uma forte característica covalente. Alguns compostos semicondutores também apresentam característica iônica.

Figura 1: Algumas cerâmicas comuns para aplicações tradicionais da engenharia. 

Fonte: Shackelford, 2008.

2. Ligações covalentes:

Características:

• Compartilhamento de elétrons;
• Altamente direcional;
• Baixos números de coordenação e estruturas atômicas mais abertas.

        As ligações covalentes abrangem polímeros e semicondutores. Cerâmicas e vidros também podem apresentar característica covalente, como mencionado anteriormente. Isto acontece porque a eletronegatividade pode ser pequena e o caráter iônico baixo dependendo dos elementos da ligação. Então, pode haver compartilhamento de elétrons, resultando em ligações covalentes. A Figura 2 mostra peças feitas com um material composto por ligações covalentes: um polímero de acetato. 

Figura 2: As diversas peças internas de um medidor de tempo em estacionamento são feitas de um polímero de acetato. 

Fonte: Shackelford, 2008.

3. Ligações metálicas:

Características:

• Compartilhamento de elétrons delocalizados;
• Não-direcional;
• Nuvem de elétrons que gera alta condutividade elétrica;
• Números de coordenação relativamente altos.

    Os materiais que apresentam ligações metálicas são os metais, como pode ser visto nos exemplos da Figura 3:

Figura 3: Exemplos de peças metálicas comuns.

Fonte: Shackelford, 2008.

    Já a ligação secundária, ou ligação de van der Waals, envolve uma atração relativamente fraca entre os átomos, onde não ocorre qualquer transferência ou compartilhamento de elétrons. Neste tipo de ligação, a atração irá depender de distribuições assimétricas de cargas positivas e negativas dentro de cada átomo ou unidade molecular que está sendo ligada. Essa assimetria de carga é denominada dipolo. A ligação secundária pode ser de dois tipos, dependendo de os dipolos serem temporários ou permanentes. Este tipo de ligação está presente principalmente em polímeros.

    Na Figura 4, você pode conferir uma relação entre as contribuições de diferentes tipos de ligação com as categorias de materiais.

Figura 4: Tetraedro representando a contribuição relativa de diferentes tipos de ligação para as categorias fundamentais dos materiais da engenharia (os três tipos estruturais mais os semicondutores).

Fonte: Shackelford, 2008.

    Quer conhecer mais sobre este assunto? Aqui estão as fontes utilizadas na construção desta postagem:

1. Material didático do professor de Ciências dos Materiais Juliano Toniolo, slides "Ligações Atômicas".
2. SHACKELFORD, James F.. Ciência dos materiais. 6. ed. São Paulo: Pearson Education do Brasil, 2008. 556 p.