Das propriedades às aplicações
Na oficina do avô do Gonçalo há uma broca com ponta de diamante para furar betão e, na mochila dele, um lápis de grafite. Ambos são feitos de carbono, mas um risca o betão e o outro deixa-se gastar no papel. Porquê? Vais perceber que a estrutura de cada material decide para que serve.
Da estrutura à propriedade e à aplicação
Para explicar uma aplicação segue sempre este caminho: estrutura → propriedade → aplicação. Primeiro olhas para a forma como os átomos de carbono estão ligados. Depois deduzes que propriedades isso dá ao material. Por fim, percebes porque é que ele é usado numa tarefa concreta.
Numa loja de ferramentas e materiais encontram-se brocas de perfuração com ponta de diamante, minas de lápis (grafite misturada com argila) e elétrodos de grafite usados…
Numa loja de ferramentas e materiais encontram-se brocas de perfuração com ponta de diamante, minas de lápis (grafite misturada com argila) e elétrodos de grafite usados em algumas pilhas.
- a) Explica por que razão as brocas para furar rocha e betão levam ponta de diamante.
- b) Ao escrever com um lápis, ficam no papel pequenas camadas do material da mina. Explica, com base na estrutura da grafite, por que razão a mina deixa marca no papel.
- c) Justifica o uso da grafite como elétrodo em pilhas, relacionando a aplicação com uma propriedade elétrica deste material.
- d) Explica por que razão o diamante, apesar de ser formado pelo mesmo elemento químico que a grafite, não poderia substituí-la nas aplicações das alíneas b) e c).
Diamante: dureza extrema
No diamante, cada átomo de carbono liga-se por ligações covalentes a quatro outros átomos, formando uma rede tridimensional muito rígida. Para riscar ou deslocar átomos é preciso quebrar muitas ligações fortes. Por isso o diamante é a substância natural mais dura.
Aplicação: as brocas e discos de corte com diamante. A ponta é mais dura do que a rocha e o betão, por isso risca-os e fura-os sem se desgastar.
O diamante não conduz a corrente elétrica, porque todos os eletrões de valência estão presos nas ligações e não se podem deslocar. Por isso também é usado em joalharia pelo brilho, mas não em elétrodos.
Grafite: camadas e eletrões livres
Na grafite, cada átomo de carbono liga-se a três outros, formando camadas planas de hexágonos. Entre as camadas as ligações são fracas, por isso as camadas deslizam umas sobre as outras. Cada átomo tem ainda um eletrão de valência que não está preso numa ligação e que se pode deslocar ao longo da camada.
Duas consequências:
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É macia e deixa marca. Ao escrever, as camadas soltam-se e ficam no papel. É assim que a mina de um lápis funciona (grafite misturada com argila; mais argila, mais dura é a mina).
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Conduz a corrente elétrica. Os eletrões deslocalizados movem-se, por isso a grafite é usada em elétrodos, por exemplo em pilhas. Também serve como lubrificante seco, porque as camadas deslizam.
Grafeno: uma só camada
O grafeno é uma única camada de grafite, com um átomo de espessura. É muito leve, muito resistente, flexível e ótimo condutor elétrico e térmico. Estas propriedades levam a aplicações inovadoras: ecrãs flexíveis, baterias, sensores, materiais compósitos mais leves e fortes, e filtros de água. Em Portugal, o INL (Laboratório Ibérico Internacional de Nanotecnologia), em Braga, investiga materiais deste tipo.
| Material | Ligações por átomo | Propriedades | Aplicação |
|---|---|---|---|
| Diamante | 4 | muito duro; isolador | brocas, discos de corte |
| Grafite | 3 | macia; conduz corrente | lápis, elétrodos, lubrificante |
| Grafeno | 3 | muito leve e resistente; ótimo condutor | ecrãs flexíveis, sensores, baterias |
A Química ao serviço da qualidade de vida
Novos materiais mudam a vida de todos: capacetes e carros mais leves e seguros, baterias que duram mais, dispositivos médicos, filtros para tratar água. Mas é preciso avaliar também o outro lado. Produzir estes materiais gasta energia, e é importante pensar na reciclagem e no impacto ambiental. Quando fizeres uma pesquisa ou um debate na turma, apresenta sempre vantagens e riscos, com argumentos baseados nas propriedades do material.
Em resumo
De volta ao início: a broca de diamante furar o betão deve-se à rede covalente rígida, e o lápis escrever à facilidade com que as camadas de grafite deslizam.