QUÍMICA DE MATERIAIS CRISTALINOS AMORFOS AULA 01: INTRODUÇÃO A QUÍMICA DOS MATERIAIS

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1 QUÍMICA DE MATERIAIS AULA 01: INTRODUÇÃO A QUÍMICA DOS MATERIAIS TÓPICO 04: SÓLIDOS AMORFOS E CRISTALINOS Os sólidos têm forma e volume definidos, possuem baixa compressibilidade, são densos, e apresentam baixa difusão em líquidos. Isso acontece especialmente devido ao fato de os sólidos serem formados por átomos, íons ou moléculas que estão em posições bem definidas. Segundo a distribuição espacial dos átomos, moléculas ou íons, os sólidos podem ser classificados em: cristalinos ou amorfos. CRISTALINOS Os sólidos cristalinos são caracterizados por possuírem uma estrutura ordenada como consequência de arranjos regulares de átomos que estão dispostos em posições fixas no espaço. Neles, os átomos, as moléculas ou íons que os constituem estão arranjados de uma forma periódica em três dimensões. As posições ocupadas seguem uma ordenação que se repete para grandes distâncias atômicas. Esta estrutura, formada por unidades repetidas é denominada de rede cristalina. Os minerais cristalinos encontrados na natureza, por exemplo, formaram-se ao longo de muitos anos em condições extremas de pressão e temperatura, ou ainda por meio de processos lentos de evaporação. Cada sólido é formado por aglomerados de microestruturas características. AMORFOS Nos sólidos não cristalinos, denominados amorfos, seus átomos, moléculas ou íons não apresentam uma organização de logo alcance, embora possam apresentar alguma ordenação de curto alcance. No entanto, sua estrutura não é de fato organizada. Podemos citar como exemplos de sólidos amorfos a borracha e alguns tipos de plásticos. Na ilustração mostrada a seguir, podemos ter uma melhor compreensão sobre a disposição dos átomos em um sólido cristalino e em um sólido amorfo: Dessa forma quando observamos uma substância cristalina como este cristal de quarto,

2 Alguns materiais, entretanto, com aspecto aparentemente cristalino, como o vidro, na verdade podem nunca serem de fato caracterizadas como tal.

3 Em sólidos desse tipo, suas moléculas estão tão emaranhadas ou apresentam uma estrutura tão complexa que a cristalização acaba não ocorrendo quando da solidificação destes a partir da matéria prima fundida. Ao longo desta disciplina, você conhecerá diversos materiais relevantes, tais como o cimento, ligas metálicas, aço, polímeros, cristais ópticos, LCD, circuitos integrados, nanotubos de carbono, sem condutores, supercondutores etc., com a descrição detalhada de como suas estruturas atômicas afetam suas propriedades e aplicações. A seguir são apresentados alguns materiais aos quais você deverá conhecer com profundidade. Cimento O cimento é o principal produto consumido na construção civil e de grande importância social, econômica e ambiental. Ele é composto por óxido de cálcio (CaO), sílica (SiO2), alumina (Al2O3), e óxido de ferro (III) (Fe2O3) e por uma pequena quantidade de outros materiais. Ligas metálicas Apesar da grande variedade de metais existentes, a maioria não é empregada em estado puro, mas na forma de ligas, onde suas propriedades são alteradas em relação ao material inicial. Com a formação de ligas, geralmente tem-se melhorias nas propriedades dos materiais bem como pode haver a redução dos custos de produção. Ligas metálicas são soluções sólidas de sólidos dissolvidos em um metal. O bronze, como mencionado no tópico 1, é uma liga formada por cobre e estanho. Já o latão, possui zinco ao invés de estanho em sua composição.

4 Aço O aço é provavelmente a liga mais conhecida O aço é uma liga metálica composta majoritariamente por ferro e uma pequena quantidade de carbono, podendo também ser empregadas outros elementos como o cromo, vanário e magnésio. Quando comparado ao ferro, o aço apresenta algumas vantagens notadamente quanto a sua resistência mecânica. O aço é certamente a liga metálica mais versátil liga metálica mais versátil; (há mais de especificações de aços;) e mais importante. Sua produção envolve o uso do chamado alto forno, onde o minério de ferro é reduzido ao ferro e, em seguida, submetido ao tratamento adequado, com a adição de outros metais, para se obter a liga desejada. Polímeros Os polímeros são macromoléculas formadas a partir de unidades estruturais menores, os monômeros. São, portanto compostos químicos de massa molecular elevada. Os plásticos são provavelmente os polímeros mais conhecidos. De fato, o século passado pode ser considerado como o século dos plásticos, visto que tanto a descoberta de novos tipos de materiais como a larga produção destes, permitiram que eles pudessem ser disponibilizadas a preços acessíveis. Um dos aspectos decisivos, responsáveis pela grande disseminação no uso do plástico, é o econômico, pois é possível confeccionar os mais diferentes artigos e objetos de plástico com custo reduzido. Os plásticos, em diversas situações, substituíram muitos utensílios e materiais como o vidro, o papel, a madeira etc. Veja algumas imagens que ilustram situações desse tipo:

5 LCD O termo LCD vem do inglês Liquid Cristal Display que significa tela de cristal líquido.

6 LCD é um painel fino usado para exibir informações por via eletrônica, como texto, imagens e vídeos. Seu uso inclui monitores para computadores, televisores, painéis de instrumentos e muitos outros dispositivos. Dentre as principais vantagens do uso de LCD estão a economia de energia e a eliminação de distorção de imagens. Nanopartículas O universo das nanopartículas é surpreendente. Na chamada nanotecnologia, é feito o estudo da manipulação da matéria em escala atômica e molecular. As nanopartículas possuem tamanho que vão de 1 a 100 nm, e podem estar associadas a diferentes áreas do conhecimento como a química, física, eletrônica, medicina, biologia etc. Nanotubos de carbono Quando se fala de alótropos do carbono, logo lembramos do grafite e do diamante, compostos que tem unicamente o carbono como constituinte, mas devido a forma como o carbono está ligado em cada um desses materiais, os mesmo apresentam propriedades bastante distintas. Além do grafite e do diamante, existem outras formas alotrópicas do carbono como o fulereno e os nanotubos de carbono. Os nanotubos são alótropos do carbono que apresentam estrutura cilíndrica e diâmetro na ordem de 1nm 1nm (o diâmetro da molécula de DNA é de cerca de 2,5 nm.). Dependendo da forma como os nanotubos de carbono são produzidos, suas características físicas e químicas podem variar enormemente. Eles podem, por exemplos, serem usados como condutores ou semicondutores. No primeiro caso, eles podem ser condutores de corrente elétrica cerca de 1000 vezes mais eficientes que os tradicionais fios de cobre. No segundo caso, eles podem ser utilizados em circuitos eletrônicos refinados. Semicondutores

7 Os semicondutores são materiais que apresentam condutividade intermediária entre um material isolante e um condutor. Uma particularidade destes materiais é o fato de sua condutividade aumentar quando se eleva a temperatura eleva a temperatura; (nos metais este efeito é o inverso.). Os semicondutores são materiais essenciais em diodos e transistores e portanto constituinte primordial de circuitos eletrônicos. Supercondutores Supercondutores são materiais que quando resfriados a temperaturas extremamente baixas, podem conduzir corrente elétrica sem resistência e sem perdas de energia. Esses materiais seriam os condutores ideais, mas como a temperatura requerida para que eles apresentem a propriedade de supercondutividade é muito baixa, na prática eles ainda não são viáveis para aplicações de larga escala. Porém, novos materiais com temperaturas de trabalho cada vez mais altas, e portanto mais próximas da temperatura ambiente, vem sendo desenvolvidos. Técnicas de caracterização Toda e qualquer área da química faz uso de um enorme aparto de técnicas experimentais. Na Química de Materiais isso não é diferente. Inúmeras técnicas são utilizadas para verificar a identidade de um material ou mesmo determinar porque um dado material não apresenta as propriedades desejadas. Podemos citar a espectroscopia de absorção no UV- Vis, espectrometria de absorção atômica, espectroscopia de infravermelho, microscopias eletrônica de varredura e de transmissão, microscopia de força atômica, e a ressonância magnética como as mais importantes técnicas utilizadas no estudo de materiais. FÓRUM 1 Esse Fórum é livre e estará aberto para quaisquer informações sobre qualquer assunto que seja de interesse da disciplina. FONTES DAS IMAGENS Responsável: Professor Adonay Rodrigues Loiola Universidade Federal do Ceará - Instituto UFC Virtual