Construção de um reator de microondas e produção de vidro (colorido)

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1 CENTRO FEDERAL DE EDUCAÇÃO TECNOLÓGICA DE MINAS GERAIS CAMPUS TIMÓTEO Disciplina: Processos Industriais. Prática do módulo Cimento e Vidro Prof. Armin Isenmann Construção de um reator de microondas e produção de vidro (colorido) I. Parte teórica História do forno de microondas Como tantas outras invenções modernas, o forno de microondas tem suas origens na pesquisa e aplicação militar. Em 1939, o magnétron foi usado pela primeira vez por cientistas britânicos como transmissores de equipamentos de radar. A descoberta de que este equipamento também aquece alimentos, dizem, foi um acaso: em 1945, um engenheiro de sistemas de radar dos EUA tinha uma barra de chocolate no bolso, quando percebeu durante seus trabalhos o derretimento súbito da mesma. Já dois anos depois o primeiro forno de microondas foi lançado no mercado por mais de 2000 dólares. Os primeiros aparelhos de bancada surgiram nos anos 60. Nos anos 70 iniciaram-se experimentos com o forno de microondas em laboratórios químicos, mas somente no final dos anos 90 seu verdadeiro valor foi reconhecido e as técnicas de ativação por esta nova fonte de energia foram sistematicamente desenvolvidas. Hoje o forno é equipamento padrão, seja como fonte de energia em reatores químicos ou para aquecimentos diversos no laboratório de materiais. Funcionamento do forno de microondas O coração do forno de microondas é o magnétron, que gera as microondas. A radiação é refletida pelas paredes metálicas e a grade de metal da porta, sendo assim retida no interior do forno. As reflexões das ondas nas paredes internas provocam interferências, o que leva a um campo eletromagnético não homogêneo no forno. A sobreposição construtiva provoca pontos de alta densidade energética ("hot spots"), a sobreposição destrutiva a áreas frias. Para contornar problemas durante o aquecimento de um prato com uma refeição, a maioria dos fornos de microondas domêsticos dispõe de uma plataforma giratória de vidro; alternativa é uma antena rotativa. O controle de potência no microondas doméstico está operando em intervalos: o magnetron está sempre trabalhando a plena capacidade, mas está sendo ligado e desligado no ritmo de alguns segundos (barulho característico). A potência média é ajustada então pelos períodos de funcionamento e pausas do magnétron. Em aparelhos específicos para o laboratório, por outro lado, a amplitude da radiação pode ser ajustada - o que torna esses equipamentos consideravelmente mais caros. A maioria das frequência de microondas é usada pelo militar e a transmissão de dados cívis, portanto essas frequências são proibidas para fins de aquecimento (domêstico). Uma das poucas frequências abertas é a de 2,45 GHz, o que corresponde a um comprimento de onda de cerca de 12 cm.

2 Microondas dentro do espectro eletromagnético Microondas fazem parte do espectro das ondas eletromagnéticas mostrado a seguir (o gráfico contém também a utilidade da radiação para o químico). O espectro se estende desde o comprimento de onda longa, as ondas de de rádio (baixa energia), até as ondas curtas da radiação nuclear de alta energia. As microondas se encontram entre as ondas de rádio e o infravermelho. Eles têm um comprimento de onda de 1 mm < λ < 1 m, o que corresponde a uma freqüência de 0,3 < ν < 300 GHz. Microondas são utilizadas na tecnologia de radar, sistemas de comunicação sem fio, como celulares e televisão por satélite e, claro, em um forno de microondas. Interação entre as microondas e matéria Microondas excitam certas estruturas químicas: Excitação de rotações em moléculas móveis com momento dipolar. A água líquida consiste de moléculas dipolos que se deslocam facilmente. Atingida por microondas, a água em estado líquido é excitada, as moléculas começam a rotar, pois os dipolos se alinham permanentemente dentro do campo eletromagnético alternado. Na verdade há um certo deslocamento das fases, entre o vetor elétrico da radiação e o dipolo da molécula. A teoria exige até mais: sem este deslocamento das fases não haverá aquecimento da matéria irradiada Como as moléculas no líquido têm pequenas distâncias, a rotação de certa molécula induz a rotação, afinal um movimento térmico das moléculas na sua vizinhança, também. No gelo, por outro lado, a mobilidade das moléculas é muito baixa. Por isso, dificilmente pode ser animado por microondas e então não derreta com a mesma facilidade que se conhece do aquecimento via resistências convencionais. Igualmente difícil é o aquecimento de uma amostra no estado gasoso, por dois motivos: como explicado acima, um alinhamento perfeito e sem desfase o que é o caso na água gasosa - não leva ao aquecimento das moléculas. A segunda explicação é a má transferência do movimento molecular às moléculas vizinhas, já que as distâncias interatômicas são muito grandes.

3 Em materiais com dipolos em movimento, as microondas penetram apenas alguns centímetros de profundidade, a propagação do calor dentro do corpo é por condução e convecção. Estimulação de materiais que dispõem de elétrons livres: Elétrons livres são acelerados num campo elétrico em direção oposta às linhas de campo elétrico. O campo elétrico em um forno de microondas muda de direção cerca de 2, vezes por segundo. Um vai-vem dos elétrons tão rápido induz vibrações na molécula e seu redor - o fenômeno conhecido por calor. Nos metais com seus elétrons deslocalizados, a radiação de microondas penetra apenas alguns micrômetros de profundidade e produz nesta camada uma forte vibração dos elétrons. Em casos de camadas de metal muito finas (por exemplo, em louça de porcelana com decoração de ouro) isso pode levar a altas tensões e correntes estão fluindo. As camadas podem tornar-se tão quentes que evaporam o metal e/ou produzem pequenos raios (arcos elétricos; descargas). Em grandes objetos metálicos, por outro lado, quase toda a radiação é refletida e apenas uma pequena parte da energia é dissipada em forma de calor, para o interior do objeto. Os fatores que influenciam na excitabilidade de um material por microondas são, além dos critérios ao material mencionados acima, também a sua textura de superfície, a relação superfície:volume e a homogeneidade do material. A grafite dispõe, semelhante aos metais, de elétrons deslocalizados que estão fortemente excitados à vibração, o que gera um calor considerável em uma camada fina deste material. Carvão ativado granulado é um material bastante poroso (com uma superfície de cerca de 4000 m². g -1 ) que tem o carbono em forma de grafite nos poros. Portanto, o negro de fumoserve igualmente para a geração de altas temperaturas (acima de 1000 C!) em um forno de microondas - o suficiente para fundir vidro, pigmentos, ligas metálicas etc. Excitação de gases quentes ionizados de uma chama, provocando descargas de plasma. O plasma é chamado de 4º estado físico ; é bem conhecido pela sua aparência em forma de luz e ocorre na natureza, em tempestades com raios e auroras. As lâmpadas fluorescentes que iluminam a sala de aula também funcionam devido a um plasma: aqui o gás principal é o mercúrio de baixa a média pressão. No laboratório pode-se facilmente produzir um plasma no forno de microondas, de várias maneiras: Irradiar uma vela acesa; Ao se colocar pequenos pedaços de papel alumínio perto do pavio a vela pode também ser incendiada pelo forno. Recipientes fechados que contêm um gás, de preferência rarefeito: uma lâmpada convencional ou de halogênio começa produzir um plasma. (Atenção: ensaios perigosos! Recipientes fechados podem explodir. Além disso, o forno pode sofrer estragos irreparáveis.) Materiais não absorventes não são excitados por microondas. Substâncias apolares que somente interagem por meio de dipolos induzidos (= forças Van der Waals) não transformam a radiação das microondas em calor. Também materiais como vidro, concreto, porcelana e determinados plásticos (téflon, PE, etc.) que não dispõem de elétrons ou dipolos móveis, são transparentes à radiação de microondas. Eles são, portanto, adequados como recipientes no forno de microondas. II. Parte prática Essa prática consiste em três etapas: 1. Revelação dos pontos quentes ("Hot Spots") dentro do forno de microondas.

4 2. Preparo do reator do forno de microondas. 3. Fusão de uma mistura de óxidos metálicos para o vidro. Parte 1: Localização dos "Hot Spots" O magnétron lança a radiação (comprimento de onda: 12,3 cm) para dentro da câmara do forno onde está sendo refletida nas paredes. Isto leve naturalmente a interferências, quer dizer, locais onde as ondas se sobrepõem construtiva ou destrutivamente. Neste campo eletromagnético inhomogêneo temos então que localizar aqueles locais onde as amplitudes se adicionam = Hot Spots, enquanto em todos os outros pontos da câmara a energia não leva ao aquecimento drástico que nos precisamos para este ensaio. Note que em Hot-spots se atingem temperaturas acima de 1000 C (compare: bico de Bunsen ou fogão de cozinha chegam no máximo a 600 C). Material: 6 chapas de isopor (30 x 40 cm; espessura 2 cm) 5 folhas de fax (= papel termossensitivo) 5 folhas de papel toalha de cozinha 1 borrifador d água 1. As chapas de isopor devem caber corretamente na boca do forno, assim que o papel termossensitivo e o papel toalha. 2. Coloca-se em cima de cada chapa de isopor um papel toalha umedecido, em cima deste o papel de fax (aquele lado para cima que escurece quando passar a unha). 3. Numerar as fax, de 1 a Retirar o prato rotatório do forno e inserir todas as chapas, em ordem e uma em cima da outra. 5. Deixar funcionar o forno em potência máxima por aprox. 10 segundos. 6. Controlar se já se formaram manchas escuras no papel de fax. Numerar em ordem de intensidade. 7. Repetir as etapas 5 e 6 e anotar a ordem do aparecimento das manchas. A mancha mais forte indicará o local do posicionamento do reator.

5 Parte 2: Preparo do reator. O reator é uma tigela que acumula a energia do forno de microondas através de uma camada bastante fina de grafite. Ela se esquenta até acima de 1000 C - o que pode ser usado para fundir vidro ou ligas de metais. Material: Esse reator requer um material altamente termoestável. 1 pequeno pote de barro, ca. 6 cm de diâmetro, se for possível sem buraco. 1 balão de festa ou um preservativo 1 pinca de forno 1 pequena porcelana sem tampa, diâmetro ca. de 4 cm. 1 spray de grafite (para lubrificação) 200 g argamassa de fogão/churrasqueiras (prova a altas temperaturas) Cortar o pescoço do balão de festa, colocar por cima da porcelana e amarrar por um nó (isto evita a porcelana colar dentro do cimento endurecido). A argamassa deve ser preparada conforme instrução e colocada dentro do pote de barro sem criar bolinhas de ar. Enche o pote de 3/4 do seu volume. Aperte a porcelana encamisada dentro da argamassa, de forma que sobra uma beirada de 1 cm. Alisar a superfície da argamassa. Você pode deixar um pequeno entalhe perto da porcelana, para facilitar a remoção do recipiente quente com as pinças de forno. Deixe secar durante a noite na estufa a 80 C. Soltar a porcelana da cavidade. Proteger o topo do concreto por um durex e aplicar a grafite dentro da cavidade. Deixar secar bem no ar. Este reator pode ser usado muitas vezes, porém a camada de grafite deve ser renovada, de vez em quando.

6 Parte 3: Preparo de vidro Preparo da mistura-base incolor de vidro: Ácido bórico (H 3 BO 3 ) 10,6 g Carbonato de lítio (Li 2 CO 3 ) 4,2 g Carbonato de sódio (Na 2 CO 3 ) 1,8 g Carbonato de cálcio (CaCO 3 ) 1,7 g Quartzo (SiO 2 ) 1,0 g Uma chapa de cerâmica velha (suporte do vidro quente). Misturar tudo e triturar dentro do gral de ágata. A mistura serve para três porções de vidro. Ajustar o forno de microondas à potência máxima (em nosso caso: 900 W). Posicionar a tigela no Hot-spot, se for necessário elevar por meio de um bloco de concreto gaseificado (material de construção). Acionar o forno por 5 minutos. Anote as suas observações. Remover a tigela a quente (usar óculos de proteção!) e imediatamente derramar em cima da cerâmica. A mistura fica plástica por cerca de 30 s. Repor a porcelana dentro do suporte de concreto, a fim de resfriar lentamente. Mistura para vidro colorido: Caso o vidro deve sair colorido, pode adicionar os seguintes metais: Óxido de cromo (Cr 2 O 3 ) vidro verde Óxido de ferro (Fe 2 O 3 ) vidro marrom. Sulfato de cobre (CuSO 4 5 H 2 O) vidro azul Um bonito azul do céu se consegue com nitrato de cobalto, Co(NO 3 ) 2, ou espinelo de cobalto (CoAl 2 O 4 ; C.I. Pigmento Blue 28). Outros aditivos para vidros coloridos, ver vitrine didática Cimento e vidro - os pilares da civilização moderna e o artigo Silicatos técnicos cristais e vidro. Colocar cerca de 6 g de mistura-base na tigela. Adicionar uma ponta de espátula do metal que dá a cor e misturar ligeiramente com a espátula.

7 Fonte (traduzido do alemão): Tarefa: Relate sobre a promoção de reações químicas por microondas (cerca de 1 página A4).

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