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QUMICA NOVA NA ESCOLA N 20, NOVEMBRO 2004Transio vtrea: Uma abordagem para o Ensino Mdio

A seo Conceitos cientficos em destaque tem por objetivo abordar, de maneira crtica e/ou inovadora, conceitoscientficos de interesse dos professores de Qumica.

CONCEITOS CIENTFICOS EM DESTAQUE

Recebido em 21/6/04, aceito em 5/11/04

Apesar de grande parte dosmateriais slidos que noscercam possurem estruturadesordenada, ou seja, amorfa(Yamaki et al., 2002), as transies defase slido-slido ou slido-lquidoestudadas no Ensino Mdio abran-gem slidos cristalinos, sendo quepouco ou quase nada dito sobretransies que envolvam materiaisamorfos.

Polmeros - plsticos e borrachas- (Wan et al., 2001) e vidros (Alves etal., 2001) so exemplos de materiaisslidos com estrutura desordenada.Sendo assim, ao passar da fase sli-da para a fase lquida, no esto reali-zando uma fuso, como os materiaiscristalinos, mas sim uma transio defase chamada de transio vtrea (Tg).Existem tambm vrios polmeros quepossuem estrutura semi-cristalina,apresentando uma parte da sua es-trutura ordenada e uma outra amorfa(Mano e Mendes, 1999).

No desenvolvimento de um traba-lho no Ensino Mdio tendo com fiocondutor materiais amorfos, alm darelevncia do estudo da transio

vtrea para o entendimento das pro-priedades dos materiais, podem serrelacionados tpicos do contedo,tais como interao intermolecular eeletronegatividade, s variaes deTg. A correlao das propriedades decada material (esuas aplicaes tec-nolgicas) com asua estrutura fsica equmica pode ser as-sim desenvolvida,alm de permitir co-nhecer mais sobremateriais utilizadosnas atividades do-msticas, comer-ciais ou industriais, o que pode trazerao estudante de Ensino Mdio e fu-turo profissional um posicionamentomais ativo nas relaes sociais, eco-nmicas e polticas.

A transio vtrea: Uma apresentaono contexto de materiais polimricos

A transio vtrea (Tg) vem sendodescrita com abordagens variadasdesde os anos 30 (Yamaki et al.,2002). Ela caracterstica de materiais

amorfos, sendo definida como a pas-sagem do estado vtreo para o estadoelastomrico (Mano e Mendes, 1999).Em outras palavras, nessa transioo polmero passa de um estadodesordenado rgido (vtreo) para um

estado desordenadono qual as cadeiaspolimricas possuemuma mobilidademaior. Essa mobilida-de no caso de algu-mas classes de pol-meros d origem aocomportamento deelasticidade de bor-racha.

Um fato importante acerca das fa-ses da matria que so densas, comoslidos cristalinos, que foras inter-moleculares ou interatmicas man-tm as molculas ou tomos unidos. necessria uma quantidade deenergia para retirar as partculas doarranjo cristalino ordenado para oarranjo desordenado no estado l-quido, que possui distncias de sepa-rao ligeiramente maiores (Atkins,1999). Essa energia o calor de fu-so.

Enquanto a fuso uma transiona qual a fase cristalina perde sua es-

Patterson Patricio de Souza, Glaura Goulart Silva e Luis Otvio Fagundes Amaral

Plsticos e borrachas possuem fases amorfas em grande proporo. A temperatura de transio da fase amorfargida (slido) para a fase amorfa com caractersticas de lquido a temperatura de transio vtrea (Tg, de glasstransition). Pretende-se desenvolver uma proposta de ensino da transio vtrea contextualizada na observao demateriais polimricos. Para tal so selecionados exemplos onde variaes da Tg podem ser interpretadas em termosde propriedades atmico-moleculares acessveis ao aluno de Ensino Mdio. proposto um experimento para medidada Tg de componentes de um CD (compact disc).

transio vtrea, polmeros, ensino de qumica contextualizado

Polmeros e vidros somateriais slidos com

estrutura desordenada que,ao passar da fase slidapara a fase lquida, nosofrem fuso, como os

materiais cristalinos, mas simuma transio de fase

chamada de transio vtrea

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trutura repetitiva, a transio vtrea (Tg)pode ser entendida como um ganhode mobilidade da fase desordenada.Na transio da fase slida cristalinapara lquido, o modelo de esferasrgidas muito til para a repre-sentao da mudana estruturalocorrida. O estado lquido represen-tado com esferas aleatoriamente dis-tribudas apresentando, inclusive,movimento translacional.

No caso da visualizao de umaestrutura vtrea e da transio vtrea,esse modelo no apresentaria asmesmas vantagens, devido formairregular em que tomos ou molcu-las se encontram antes e depois datransio. Para introduzir o tema tran-sio vtrea, a abordagem mais ade-quada (Yamaki et al., 2002; Alves etal., 2001) o grfico de volume emfuno da temperatura que est re-presentado na Figura 1.

A Figura 1 mostra tambm uma re-presentao de cadeias polimricas.Um conjunto de linhas ou de fios co-mo de macarro o modelo esque-mtico mais utilizado para cadeiaspolimricas (Wan et al., 2001). Comoj mencionado, os polmeros podemser cristalinos, com as cadeias dis-postas de forma organizada, ou amor-fos, sendo constitudos na sua totali-dade por cadeias distribudas de ma-

neira desordenada. No esquema(Figura 1) mostrado um polmerosemicristalino, pois possui ambas asfases - cristalina e vtrea. A primeira representada por cadeias paralelas eest associada fuso (Tf) no grficode volume em funo da temperatura.J a fase vtrea representada porcadeias sem organizao, enovela-das, associadas transio vtrea(Tg).

A transio vtrea se reflete ma-croscopicamente atravs de mudan-as em vrios tipos de propriedades,como por exemplo capacidade calor-fica, coeficiente de expansividade tr-mica, resposta a foras de compres-so ou extenso etc. O escoamento(como gua lquida escoa) do polme-ro aps a Tg no um evento freqen-temente observado nos materiaiscomerciais. A presena de pontos deligao covalente entre as cadeias(como no caso da vulcanizao deborrachas) ou de fortes interaesintermoleculares impedem esse graude escoamento mesmo aps a Tg.

No grfico da Figura 1 vemos pa-ra a Tg uma mudana suave do volu-me com a temperatura, o que se dis-tingue do comportamento da fuso,pois na fuso uma descontinuidade observada na evoluo do volumecom a temperatura.

A transio vtrea e as interaesintermoleculares

relativamente complexo o estu-do das interaes atmico-molecula-res em materiais polimricos noEnsino Mdio. Mas se houver um

esforo em escolher exemplos nosquais a influncia de determinado pa-rmetro mais importante, possvelproduzir discusses interessantes.Por exemplo, podemos ver como aevoluo da transio vtrea com aadio de grupos mais eletronega-tivos a uma famlia de poliacrilatos (Fi-gura 2).

Poliacrilatos so polmeros deestrutura totalmente amorfa contendoem cada unidade repetitiva a funo:

observada uma grande diferen-a nos valores de Tg quando compa-ramos o composto com o substituinte-H, ou seja,

e os outros exemplos da Figura 2 comR = CH2CH2X.

A Tg de 228 C cai para valoresabaixo de 100 C, devido fundamen-talmente a diferenas de interaesintermoleculares entre as cadeias. Oprimeiro composto possui o grupo OH em cada uma de suas unidadesrepetitivas, realizando interaes dehidrognio entre suas cadeias polim-ricas. Por essa interao ser forte, omaterial mais coeso com menormobilidade das cadeias, sendo maisalta a temperatura de transio vtrea.

Por outro lado, ao comparar osacrlicos com os substituintes X de or-dem de eletronegatividade crescente(X = CH3, Br e Cl), podemos perceberque quanto mais alta a eletronegati-

Figura 1: Volume em funo da tempera-tura para um material amorfo e para ummaterial semi-cristalino.

Figura 2: Frmula estrutural da unidade repetitiva de alguns poliacrilatos e o valor datemperatura de suas respectivas transies vtreas (Brandrup e Immergut, 1989).

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vidade de X, mais forte a interaoentre as cadeias. Quando X = CH3,as interaes entre as cadeias poli-mricas so de van der Waals (ouLondon), que por envolverem estru-turas sem dipolos eltricos so maisfracas e resultam em uma Tg menor.J as cadeias que possuem X = Br eCl tm a contribuio de interaesintermoleculares chamadas dipolopermanente-dipolo permanente. Adiferena de Tg entre as duas cadeiaspolimricas conseqncia da dife-rena de eletronegatividade de Br eCl.

Pode-se observar o efeito dosubstituinte melhor representado emum grfico de temperatura de transi-o vtrea em funo da eletronegati-vidade do substituinte (Figura 3).

A diferena de eletronegatividadeentre o grupo X e o carbono ligado aele causar um deslocamento da nu-vem eletrnica que resultar na exis-tncia de momento de dipolo perma-nente. Quanto maior a diferena deeletronegatividade, maior o momentodipolo e mais forte a interao dipolopermanente-dipolo permanente entreas cadeias polimricas, aumentado aTg do material.

A Tg e o tamanho do substituinte cadeia polimrica

Mais uma vez pode-se lanar moda famlia dos poliacrilatos como umexemplo que nos permite discutiraspectos fundamentais. Considere asestruturas das unidades repetitivas

dos poliacrilatos mostrados na Figu-ra 4.

Como pode-se perceber, houveum decrescimento no valor da transi-o vtrea medida que o tamanhoda ramificao aumenta. Esse decai-mento ilustra bem como o fator espa-cial impede que as cadeias carbni-cas se aproximem e interajam maisefetivamente. medida que a intera-o entre as cadeias vai diminuindo,os segmentos do polmero ficam maislivres para movimentarem-se e, por-tanto, a transio vtrea ocorre emuma temperatura menor, j que asinteraes de van der Waals so pre-judicadas com o afastamento de umacadeia da outra. Interaes de van der

Waals so comumente conhecidascomo interaes fracas, mas quan-do se trata de um conjunto muitogrande de interaes, envolvendocadeias com massa molar da ordemde 105 ou 106 g mol-1 (como no casode polietilenos e polipropilenos),ento esse tipo de interao cen-tral para a interpretao das proprie-dades macroscpicas.

Proposta de atividade experimental:Transies vtreas em materiaispolimricos

Para esta prtica propem-semateriais que possuam a Tg prxima temperatura ambiente, de modoque em experimentos com um aque-cimento moderado possa ser obser-vado o ganho de fluidez do materialao passar pela Tg. Deste modo, fo-ram selecionados os materiais queconstituem um compact disc (CD),um produto comercial de fcil acesso.

A capa transparente de um CD de poliestireno (PS), material amorfoque possui a transio vtrea em tornode 100 C (Bandrupt e Immergut,1989; stio Macrogalleria, 2004). Outromaterial interessante aquele que o constituinte principal do prprio CD,o policarbonato; sendo igualmenteum plstico amorfo, sua transiovtrea situa-se em torno de 150 C(Bandrupt e Immergut, 1989; stioMacrogalleria, 2004). Esses plsticosamorfos possuem aspecto vtreo -quebradio at a regio de sua transi-o vtrea. Quando ultrapassam atransio vtrea comeam a apresen-tar deformao sob compresso e, atemperaturas mais elevadas, poderoescoar, mas sero ainda materiais

Figura 3: Temperatura de transio vtrea (Tg) em funo da diferena de eletronega-tividade do substituinte R e carbono.

Figura 4: Frmulas estruturais de diferentes poliacrilatos com ramificaes de vriostamanhos e seus valores de Tg (Brandrup e Immergut, 1989).

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altamente viscosos.As amostras de capa de CD e CD

so completamente amorfas em qual-quer estgio da vida destes, comopode ser comprovado por diversastcnicas de anlise fsico-qumica(difrao de raios X, calorimetria dife-rencial de varredura etc.) e no necessrio usar CDs novos, pois aidade do CD no prejudica o experi-mento de observao da transiovtrea para o poliestireno e o poli-carbonato.

Atividade experimental - Observaoda transio vtrea para polmerosconstituintes de um CD

Objetivo Discutir aspectos estruturais do

poliestireno e do policarbonato oriun-dos de um compact disc (CD).

Discutir a transio de fase sli-do-lquido para materiais amorfos.

Procedimento Coloque aproximadamente

300 mL de leo vegetal em um b-quer grande e introduza um tubo deensaio contendo pedaos quebradosda capa de CD dentro do leo (que-bre pedaos bem pequenos parapermitir um bom contato com asparedes do tubo de ensaio e coloqueapenas uma quantidade suficientepara cobrir o fundo do tubo de en-saio).

Aquea o leo, com bico deBunsen, de modo que a temperaturaaumente lentamente.

Leia e anote a temperatura doleo quando a amostra comea aamolecer, utilizando um termmetroque permita medir at 180 C pelomenos.

Com uma esptula ou bastode vidro, verifique o amolecimento daamostra comprimindo-a de encontroao fundo do tubo de ensaio.

Retire o tubo de ensaio com acapa de CD - poliestireno.

Mergulhe no leo o tubo compedaos pequenos do material doCD.

Anote a temperatura em que aamostra comea a amolecer. O testede amolecimento feito utilizando umbasto de vidro e comprimindo os pe-daos de plstico.

Anlise do experimentoO amolecimento aps a Tg

observado porque os pedaos seagregam, colam no fundo do tubo devidro e ficam mais macios. Essa varia-o de caractersticas entre vtreo/quebradio para macio/deformvel que deve ser considerada como evi-dncia da transio de fase. O escoa-mento do polmero lquido que possuimassa molar elevada somente serpossvel sob presso, especialmenteconsiderando as limitaes desteexperimento. A temperatura de obser-vao dessa mudana de comporta-mento dos plsticos aproximada-mente 10 a 20 C superior transiovtrea tabelada para os materiais.

Questes do experimento paradiscusso em grupo

1. Levando em considerao a fr-mula estrutural da unidade repetitivade cada polmero (Figura 5), discutama diferena na temperatura detransio vtrea observada para cadamaterial.

2. A partir apenas do experimentorealizado, vocs saberiam afirmar queno se trata de uma fuso, mas simde transio vtrea? Discutam comopoderia ser obtido, em uma experin-cia parecida com a realizada (prova-velmente mais sofisticada), a distin-o entre uma fuso e uma transiovtrea.

Comentrios sobre as questes paradiscusso do experimento

1. Os dois polmeros apresentamanis aromticos em sua estrutura;entretanto, no caso do poliestireno, oanel est como ramificao e no poli-carbonato o anel aromtico est nacadeia da unidade repetitiva, deixan-do o material mais rgido. importan-te considerar que no policarbonato

existem os grupos muito eletronega-tivos do tipo OCOO em sua unidademonomrica e de se esperar queestes induzam dipolos permanentese possibilitem ligao de hidrognio.Esses efeitos implicam em maiortemperatura de transio vtrea. Almdesses efeitos, o substituinte arom-tico no poliestireno dificulta o empa-cotamento das cadeias, diminuindoas interaes de van der Waals.Como as interaes entre as cadeiasso mais fracas, a mobilidade dasmesmas atingida mais facilmente ea Tg fica menor. importante discutiro fato de que os polmeros so ca-deias longas. Para o PS, por exemplo,um segmento da cadeia apresenta oarranjo apresentado na Figura 6 (sefor attico - vide Mano e Mendes,1999 ou Bandrupt e Immergut, 1989),com um grande nmero de substi-tuintes fenila distribudos espacial-mente.

2. Para distinguir entre uma transi-o vtrea e uma fuso deve-se tentarrealizar um experimento onde seja

Figura 6: Frmula estrutural do poliesti-reno attico.

Figura 5: Frmulas estruturais dos constituintes polimricos principais de capa de CD e CD.

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Abstract: The Everyday is Somewhat Amorphous: Vitreous Transition - An Approach for High School - Plastics and rubbers have amorphous phases in great proportion. The transition temperaturefrom the rigid (solid) amorphous phase to the liquid-like amorphous phase is the vitreous transition temperature (Tg). The goal is to develop a proposal for the teaching of the vitreous transitioncontextualized in the observation of polymeric materials. For such examples are chosen where the Tg variations can be interpreted in terms of atomic-molecular properties accessible to the high-school student. An experiment for the measurement of the Tg of the components of a CD (compact disc) is proposed.Keywords: vitreous transition, polymers, contextualized chemistry teaching

Referncias bibliogrficas

YAMAKI, S.B.; PEDROSO, A.G. eATVARS, T.D.Z. O estado vtreo dentroda perspectiva do curso de graduaoem Qumica (Fsico-Qumica). QumicaNova, v. 25, p. 330-334, 2002 (disponvelno endereo: http://quimicanova.sbq.org.br/qnol/2002/vol25n2/22.pdf).

WAN, E.; GALEMBECK, E. e GALEM-BECK F. Polmeros sintticos. Em: DePaoli, M.A. e Maldaner, O.A. (Eds.) Ca-

Transio vtrea: Uma abordagem para o Ensino Mdio

construdo um grfico como o da Fi-gura 1. Medir o volume da amostra medida que a temperatura aumentalentamente pode no ser fcil, masexistem equipamentos especficospara isto.

Consideraes finaisO diagrama de volume em funo

da temperatura onde so compara-dos os comportamentos de um slidosemicristalino e de um slido amorfopassando a lquido sob aquecimento, a nosso ver, a chave que permitecorrelaes entre o conhecimento j

estabelecido na formao do aluno eas novas idias aqui apresentadas.

A complexidade do tema transi-es de fase de estruturas desorde-nadas foi contornada atravs deduas estratgias:

a escolha criteriosa de polme-ros completamente amorfos (namaior parte dos casos) com variaessistemticas na unidade repetitivapara a exemplificao de cada tpicoda discusso, e

a priorizao da abordagem deaspectos fenomenolgicos da ques-to. Essa opo nos parece adequa-

da para uma primeira aproximao dotema transio vtrea, tendo em vistaque os tratamentos matemticos parao problema exigem o trnsito entremodelos termodinmicos e cinticos(Yamaki et al., 2002).

Patterson Patricio de Souza (patterson@ufmg.br),bacharel em Qumica pela Universidade Federal deMinas Gerais (UFMG), mestrando em Qumica naUFMG. Glaura Goulart Silva (glaura@qui.ufmg.br),bacharel e mestre em Qumica pela UFMG, doutoraem Eletroqumica pelo Instituto Nacional Politcnico deGrenoble - Frana, docente do Departamento deQumica da UFMG (DQ-UFMG). Luis Otvio FagundesAmaral (amaral@qui.ufmg.br), bacharel e especialistaem Qumica pela UFMG, docente do DQ-UFMG.

dernos Temticos de Qumica Nova naEscola (Novos Materiais), n. 2, p. 5-8, 2001(disponvel no endereo: http://sbqensino.foco.fae.ufmg.br/caderno_novos_materiais).

ALVES, O.L.; GIMENEZ, I.F. e MAZALI,I.O. Vidros. Em: De Paoli, M.A. e Maldaner,O.A. (Eds.) Cadernos Temticos de Qu-mica Nova na Escola (Novos Materiais),n. 2, p. 13-24, 2001 (disponvel no ende-reo: http://sbqensino.foco. fae.ufmg.br/caderno_novos_materiais).

MANO, E.B. e MENDES, L.C. Introdu-o a polmeros. 2a ed. So Paulo: Edito-ra Edgard Blucher, 1999.

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Stio Macrogalleria: http://www.psrc.usm.edu/macrog/index.htm (consultaem 9/11/04).

NotaRelato sobre o XII ENEQ

O XII Encontro Nacional de Ensinode Qumica (XII ENEQ) foi realizado noInstituto de Qumica da UniversidadeFederal de Gois nos dias 27 a 30 dejulho de 2004, tendo contado com aparticipao de 1.324 pessoas (repre-sentantes de 22 estados brasileiros),entre professores de todos os nveis ealunos de graduao e ps-gradua-o.

O tema geral do encontro foi: Asnovas polticas educacionais e seusimpactos no Ensino de Qumica. Fo-ram realizados 35 mini-cursos, umaconferncia inaugural proferida peloprofessor Dr. Luiz Carlos de Freitas(Unicamp), 12 palestras, 6 mesasredondas, 6 sesses coordenadas dediscusso de trabalhos cientficos, 3sesses de painis com a apresen-tao de 350 trabalhos, 8 atividadescientfico-culturais alm de lanamentode livros.

Setenta convidados, represen-tantes da comunidade de educadoresde todo o Brasil, da Sociedade Brasi-leira de Qumica, do Ministrio daEducao, das Secretarias Estaduaisde Educao e de Cincia e Tecno-logia do Estado de Gois, contri-buram de forma decisiva para o xitodo evento.

Simultaneamente ao XII ENEQ,ocorreram o XIII Encontro Centro-Oestede Debates sobre o Ensino de Qumica(XIII ECODEQ), o III Encontro Centro-Oeste de Qumica e a V Semana doQumico (UFG/ UEG/UnB/CEFET-GO).

Uma intensa atividade de divulga-o da Revista Qumica Nova na Escolafoi realizada, o que resultou em 308novas assinaturas somente no perododo evento.

Foi realizada uma reunio entrerepresentantes da Diviso de Ensinode Qumica da SBQ presentes no even-to com a profa. Lcia Lodi, Diretora de

Ensino Mdio do MEC. Nessa reunioforam discutidas questes relativas aoensino de Qumica no nvel mdio, bemcomo a importncia da participao daDiviso de Ensino de Qumica da SBQem instncias de discusso do ensinode Qumica. Na reunio a profa. Lodisolicitou a elaborao, pela Diviso deEnsino de Qumica, de um documentoavaliativo dos PCNEM ParmetrosCurriculares Nacionais para o EnsinoMdio. O referido documento j foielaborado e pode ser consultado napgina do MEC: (http://www.mec.gov.br/seb/pdf/09Quimica.pdf).

O XII ENEQ contou com o apoio daDiviso de Ensino de Qumica da SBQ,da CAPES, da Vitae, do CNPq, doConselho Regional de Qumica e daAssociao Brasileira de Qumica(ABQ).

Agustina Rosa Echeverra - UFGCoordenadora Geral do XII ENEQ