FCM 208 Física (Arquitetura)

Transcrição

1 Universidade de São Paulo Instituto de Física de São Carlos - IFSC FCM 208 Física (Arquitetura) Estruturas e constituintes da Materia Prof. Dr. José Pedro Donoso

2 Vidros Quando um líquido é resfriado bruscamente, o realinhamento molecular não acontece, e o sólido que se forma não é cristalino senão amorfo. O vidro é um exemplo de sólido amorfo. Estes materiais sólidos são sistemas desordenados onde as moléculas formam redes desorganizadas, e possuem apenas ordem de curto alcance ( 10 Å). Composição (em % massa) do vidro de janela: 73.2 SiO Na 2 O CaO K 2 O Al 2 O MgO Fe 2 O 3 Muitos outros óxidos (como B 2 O 3, GeO 2 e P 2 O 5 ) e fluoretos (como ZrF 4 ) também formam vidros. O vidro tem uma miríade de empregos, como em fibras ópticas e fibras isolantes. Vidros especiais, como o borosilicato, são tão resistentes ao calor que serve para fabricar panelas de cozinha.

3 A figura ilustra a diferença entre um cristal e um vidro. Tanto o vidro como o quartzo são igualmente constituídos por sílica (SiO 2 ). As moléculas do quartzo formam uma rede cristalina ordenada e regular. No vidro, as moléculas formam redes desorganizadas que não são líquidos, nem apresentam a estrutura cristalina com ordem de longo alcance que caracteriza os sólidos cristalinos.

4 Estrutura da Matéria, Coleção Ciência & Natureza (Time Life e Abril Livros, 1996)

5 D.A. Askeland, The Science and Engineering of Materials

6 Processo de fabricação de vidros pelo método de flutuação

7 Polímeros e plásticos Um polímero é uma longa molécula em forma de cadeia, feita de um grande número de moléculas pequenas monômeros - que se interligam pelas extremidades. Muitos polímeros existem na natureza, tal como a borracha, a seda e a lã. Os plásticos são feito de polímeros sintéticos, chamadas resinas. As resinas termoplásticas amolecem ao ser aquecidas e são fácil de moldar. Segmento de polietileno: - (C 2 H 4 ) - Hill & Kolb, Chemistry for Changing Times As resinas termorrígidas são as que ficam muito duras depois de aquecidas em altas temperaturas. Com eles se fabricam canecas e outros objetos resistentes ao calor.

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9 1868 J.W. Hyatt,um jogador de bilhar que procurava um substituto do marfim, obtem o celuloide 1909 Leo Hendrik Baekeland produz a fragil baquelita Hermann Staudinger desvenda a natureza dos plásticos Otto Rhöm cria o Pexiglas Anos 30 - Wallace Carothers produz o nylon, uma fibra cuja aplicação se tornou cada vez mais ampla e variada. Trefil & Hazen, Física Viva (Editora LTC) 1954 o químico italiano Giulio Natta fabrica o polipropileno, provocando uma verdadeira revolução no campo dos plásticos.

10 Uma das mais importantes aplicações dos polímeros é na produção de fibras sintéticas. Derretindo e esticando os fios, o polímero pode ser tecido e costurado, conseguindo-se tecidos leves e resistentes. A primeira fibra sintética foi o nylon, inventado pela Du Pont em Ele foi seguido por outras fibras como o poliéster e o acrílico. Estrutura da Matéria Coleção Ciência & Natureza (Time Life e Abril Livros, 1996)

11 Representação esquemática das estruturas do monômero e da cadeia do (a) Politetrafluoretileno (teflon) (b) Cloreto de polivinila (PVC) (c) Polipropileno Abaixo: Polietileno, cadeia, unidade monomêrica e perspectiva da molécula Callister Ciência e Engenharia de Materiais

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13 Teflon Quando todos os átomos de hidrogênio no polietileno são substituidos por átomos de fluor, o polímero resultante é o politetrafluoroetileno (PTFE), conhecido pelo nome comercial Teflon (- CF 2 CF 2 CF 2 CF 2 -) Como as ligações C-F são muito fortes, o Teflon é um material não reagente e inflamável. Ele é utilizado para vedações, tubulações de produtos químicos, mancais e revestimentos antiadesivos. Hill & Kolb, Chemistry for Changing Times

14 Cloreto de polivinila (PVC) Possui uma estrutura que é uma pequena variação da apresentada pelo polietileno, onde o último em cada quatro átomos de hidrogênio é substituido por um átomo de Cl. As aplicações típicas são revestimento de pisos, tubulações, isolamento elétrico de fios, mangueiras de jardim e disquetes. Hill & Kolb, Chemistry for Changing Times Callister, Ciência e Engenharia de Materiais

15 Borrachas O termo borracha indica tanto o produto natural extraido da seringueira quanto a borracha artificial produzida a partir de derivados do petróleo. A borracha natural é constituida pelo poli-isopreno que se forma pela polimerização de isopreno. Na borracha vulcanizada, as ligações (pontes) entre átomos de enxofre permitem que ela volte a forma inicial após ter sido deformada A borracha crua é de pouca utilidade, pois no frio ela é dura e quebradiza. Em 1839, Charles Goodyear deixou cair acidentalmente uma mistura de borracha e enxofre numa chapa quente, e verificou que as propriedades da borracha melhoravam muito. O processo ficou conhecido como vulcanização

16 Preparação da borracha Enciclopedia Conhecer 2000: Tecnologia (Editora Nova Cultura)

17 Preocupações Ambientais Mina de amianto em Minaçu (GO) Produção: 300 mil ton. fibras/ano Asbestos: são fibras minerais de ocorrência natural. A crisotila - Mg 3 Si 2 O 5 (OH) 4 possui uma camada em lâminas de silicato. A amosita e a crocidolita tem estrutura de cadeia dupla de silicatos e aparecem como agulhas quando observadas num microscópio. Por volta de 1900 as chapas de cimento amianto eram produzidas em grandes quantidade para uso em construção civil. Na decada de 1960, as doenças respiratórias associadas com a exposição aos asbestos levou a uma redução ou banimento do seu uso. Considerado cancerígeno pela OMS, todos os tipos de amianto estão banidos desde Os asbestos ainda usados hoje são confinados em uma matriz de cimento ou em resinas orgânicas. Ref: Shriver & Atkins, Química Inorgánica (Bookman, 2008)

18 Preocupações ambientais Tintas com chumbo: os sais de chumbo tem sido muito usados em pigmentos e tintas: o PbCrO 4 é amarelo, Pb 3 O 4 é vermelho e Pb 3 (OH) 2 CO 3 é branco. Como as pinturas se desgastam, os compostos de chumbo se dispersam na poeira. Em 1927, o chumbo foi banido das tintas para interiores em toda Europa. Nos EUA foi banido somente em Por causa das tintas com chumbo nas paredes, estima-se que cerca de 20% das crianças que vivem em casas de cidades do interior dos EUA, constridas antes de 1946, possuim níveis elevados de chumbo no sangue. Uma vez que o Pb 2+ tem um raio iônico similar ao Ca 2+, pode substituir o calcio na hidroxiapatita dos ossos, Ca 5 (PO 4 ) 3 (OH). Isso permite o chumbo circular no sangue, atingindo alvos críticos nos tecidos nervosos. Estudos epidemiológicos tem associado a presença de chumbo no sangue a dificuldades de crescimento, audição e desenvolvimento mental. Ref: Shriver & Atkins, Química Inorgánica (Bookman, 2008)

19 Referências bibliográficas W.D. Callister, Ciência e Engenharia de Materiais. Uma introdução (Editora LTC) D.F. Shriver, P.W. Atkins, Química Inorganica (Bookman, 2008) W.F. Smith: Princípios de Ciência e Engenharia dos Materiais (McGraw Hill) L.H. Van Vlack, Princípios de Ciência dos Materiais (Editora E. Blucher, 1970) D.A. Askeland, P. Phulí, The Science and Engineering of Materials (Thomson) J.W. Hill & D.K. Kolb, Chemistry for changing times, 7th edition (Prentice Hall 1995)