Ao observar a estrutura química das substâncias, compreende-se que, primeiramente, átomos de elementos químicos iguais ou diferentes unem-se para formar uma molécula. Depois, cada uma delas pode interagir entre si e formam um material específico. A forma como estes compostos interagem pode formar diferentes estruturas visuais, entre elas, os retículos cristalinos, que são tema deste artigo.
Os retículos cristalinos são formados a partir de uma disposição geométrica das moléculas, inclusive, essa é a estrutura química que permite a formação dos cristais que conhecemos no cotidiano, como o sal de cozinha (NaCl).
Se você quer aprender mais sobre os retículos cristalinos do ponto de vista químico, como esse conceito aparece no dia a dia, além de conferir questões de vestibulares que tratam sobre o assunto, com gabarito e resolução completa, leia os próximos tópicos.
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Definição de reticulados cristalinos
Reticulados cristalinos, que também podem ser chamados de retículos ou redes cristalinas, são uma organização geométrica e tridimensional dos átomos. Essa estrutura é formada por um padrão que se repete, ao longo de todo o material, de maneira infinita.
Esses padrões podem ser utilizados para explicar a composição de diferentes moléculas, em diversas áreas da ciência. Em específico, neste texto, será abordado o ponto de vista químico das estruturas cristalinas e dos retículos cristalinos.
A imagem acima é uma representação gráfica da estrutura tridimensional do cloreto de sódio (NaCl). As cores e tamanhos diferenciam um átomo do outro, de forma que as esferas roxas representam os cátions de sódio (Na+) e as esferas em verde demonstram os ânions cloreto (Cl–).
Observe que a distribuição deles formam estruturas octaédricas, que são o padrão cristalino dessa estrutura. Ainda, o desenho indica, em bastões amarelos, a interação eletrostática entre esses átomos, que os mantêm unidos.
É importante notar que o padrão octaédrico apresentado na figura tem uma repetição contínua e simétrica por toda a estrutura cristalina, e é assim que estão arranjados os átomos nos cristais do sal de cozinha.
Do ponto de vista químico, quando um sólido não possui uma estrutura cristalina para o arranjo de seus átomos, ele será caracterizado com uma organização amorfa. Em um material sólido amorfo os átomos, íons e/ou moléculas não tem um padrão específico de repetição e distribuição ao longo de todo o conteúdo. Se forem encontrados padrões, eles não estão em toda a estrutura observada, apenas em pontos específicos.
Unidades básicas de uma estrutura cristalina
À semelhança do que foi observado anteriormente na distribuição dos cátions de sódio e ânions cloreto, todas as estruturas cristalinas possuem uma unidade básica, um tipo de organização que aparece em todos os pontos do material.
Esse padrão estrutural é conhecido como célula unitária, que é a unidade básica dos sólidos cristalinos. Dessa forma, são organizações atômicas geométricas, que podem assumir diferentes formatos, a depender da interação físico-química das moléculas, por exemplo:
- Interação com angulação de 90º entre cada um dos átomos, o que confere um formato cúbico, ortorrômbico ou tetragonal, a depender de quanto essas moléculas se atraem ou se repelem;
- Dois ângulos atômicos de 90º e um de 120º que formam um hexágono geométrico; ou
- Os casos em que nenhum dos ângulos formados entre os átomos é igual entre si, e nenhum deles é reto, então serão classificados como triclínicos.
Além desses, diversas outras organizações tridimensionais podem ser o padrão específico de cada estrutura cristalina, formando sua unidade básica ou célula unitária.
Ligações químicas nas estruturas cristalinas
Entre todas as interações atômicas, as ligações químicas iônicas estão muito associadas à formação de estruturas cristalinas. A aproximação de cátions e ânions, a diferença de eletronegatividade é a atração entre os átomos propicia esse tipo de organização espacial.
Afinal, fisicamente, corpos carregados eletricamente com cargas opostas têm a tendência de atrair-se mutuamente. Esse é o princípio da ligação iônica e, depois, os cátions de um composto atrai o ânion da outra, assim como os ânions se atraem pelos cátions alheios, o que confere esse entrelaçamento mútuo, repetitivo e periódico próprio das estruturas cristalinas.
Um exemplo, com representação gráfica a seguir, é o fluoreto de cálcio, que é constituído pela união do cátion de cálcio (Ca+2) e dois ânions fluoretos (F–). Conforme as moléculas interagem, distribuem-se em estrutura cristalina.
Propriedades de estruturas e retículos cristalinos
Considerando as ligações iônicas e sua formação de estruturas cristalinas, a forma como os átomos interagem fortemente entre si faz com que eles demandem muita energia para serem separados por agentes externos.
Diante disso, o ponto de fusão e de ebulição tendem a ser muito altos, uma vez que essas transformações físicas dependem da separação entre os átomos dentro dos compostos químicos. Além disso, em geral, são materiais que estão em estado sólido na temperatura ambiente.
Do ponto de vista elétrico, são substâncias que permitem a passagem de corrente elétrica e, não somente isso, sob algum tipo de pressão mecânica ou até mesmo diante de alteração de temperatura, são capazes de gerar essa corrente de elétrons. Assim, são materiais de interesse para indústrias e outras atividades econômicas que dependem de transmissão de eletricidade associados a certa resistência à mudança de estado físico.
Os retículos e estruturas cristalinas podem ser classificados conforme o tipo de organização que a substância forma. Em geral, os materiais formam um único tipo de célula unitária, independentemente do estado físico, entretanto, existem substâncias que apresentam diferentes padrões geométricos a depender da temperatura e pressão do ambiente. Esses compostos possuem polimorfismo, ou seja, apresentam diferentes formas cristalinas, influenciados pelo meio.
Um exemplo típico de material pleomórfico do dia a dia é o carbono. Tanto o grafite como o diamante são formados exclusivamente por átomos de carbono. Entretanto, o arranjo cristalino dos átomos de carbono no diamante tornam o material muito mais duro e resistente, enquanto que, em diferentes condições de temperatura e pressão, o carbono pode se unir em células unitárias com outras características, que tornam o grafite mais quebradiço que o diamante, com outras utilidades.
+ Veja também: Ligação covalente: definição, tipos e propriedades
Questão sobre estruturas e retículos cristalinos no vestibular
Unesp (2023)
Observe os cinco modelos de estruturas.
Representam uma molécula isolada de substância simples, uma rede covalente de substância composta e uma rede cristalina de composto iônico, respectivamente, os modelos
A) 4, 3 e 5.
B) 4, 5 e 3.
C) 1, 2 e 5.
D) 1, 3 e 5.
E) 1, 2 e 3.
Resposta: Para responder a essa questão, vamos primeiro analisar cada um dos modelos mencionados e determinar a qual categoria cada um pertence.
Modelo 1: Estrutura do fulereno, C₆₀
O fulereno C₆₀ é uma forma alotrópica do carbono. É uma molécula isolada, composta por 60 átomos de carbono arranjados em uma estrutura tridimensional que lembra uma bola de futebol, com faces hexagonais e pentagonais. Portanto, representa uma molécula isolada de substância simples.
Modelo 2: Estrutura do diamante, Cdiam
O diamante é outra forma alotrópica do carbono, onde cada átomo de carbono está covalentemente ligado a outros quatro átomos de carbono em uma estrutura tetraédrica. Esta é uma rede covalente extensa, ou seja, não é uma molécula isolada, mas sim uma rede covalente de substância simples.
Modelo 3: Estrutura do quartzo, SiO₂
O quartzo é um mineral composto por dióxido de silício, SiO₂. Nele, cada átomo de silício está covalentemente ligado a quatro átomos de oxigênio em uma estrutura tridimensional contínua. Isso o classifica como uma rede covalente de substância composta.
Modelo 4: Estrutura do ácido fólico, C₁₉H₁₉N₇O₆
O ácido fólico é uma molécula orgânica complexa com uma estrutura definida, composta por carbono, hidrogênio, nitrogênio e oxigênio. É uma molécula isolada, não uma rede.
Modelo 5: Estrutura da fluorita, CaF₂
A fluorita é um mineral composto por cálcio e flúor. Sua estrutura cristalina é formada pela atração eletrostática entre os íons cálcio (Ca²⁺) e flúor (F⁻), formando uma rede cristalina de composto iônico.
Dadas essas descrições, podemos concluir que:
- Molécula isolada de substância simples: Modelo 1 (fulereno, C₆₀).
- Rede covalente de substância composta: Modelo 3 (quartzo, SiO₂).
- Rede cristalina de composto iônico: Modelo 5 (fluorita, CaF₂).
Alternativa correta: D.
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