FCM 208 Física (Arquitetura)

Estruturas e constituintes da Materia

Prof. Dr. José Pedro Donoso

Universidade de São Paulo

Instituto de Física de São Carlos - IFSC

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 SiO2 - 13.4 Na2O - 10.6 CaO - 0.8 K2O - 1.3 Al2O3 - 0.7 MgO - 0.1 Fe2O3

Muitos outros óxidos (como B2O3, GeO2 e P2O5) e fluoretos (como ZrF4) 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.

A figura ilustra a diferença entre um cristal e um vidro. Tanto o vidro como o

quartzo são igualmente constituídos por sílica (SiO2). 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.

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

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

Processo de fabricação de vidros pelo método de flutuaçã o

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.

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.Segmento de polietileno: - (C2H4) -

Hill & Kolb, Chemistry for Changing Times

Polímeros e plásticos

Trefil & Hazen, Física Viva (Editora LTC)

1868 – J.W. Hyatt,um jogador de bilharque procurava um substituto do marfim, obtem o celuloide

1909 – Leo Hendrik Baekeland produz a fragil baquelita

1922 - Hermann Staudinger desvenda a natureza dos plásticos.

1928 - Otto Rhöm cria o Pexiglas

Anos 30 - Wallace Carothers produz o nylon, uma fibra cuja aplicação se tornou cada vez mais ampla e variada.

1954 – o químico italiano Giulio Natta fabrica o polipropileno, provocando umaverdadeira revolução no campo dos plásticos.

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 1930.

Ele foi seguido por outras fibras

como o poliéster e o acrílico.

Estrutura da MatériaColeção Ciência & Natureza

(Time Life e Abril Livros, 1996)

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

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 (- CF2 – CF2 – CF2 – CF2 -)

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

Hill & Kolb, Chemistry for Changing TimesCallister, Ciência e Engenharia de Materiais

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.

Borrachas

O termo borracha indica tanto o produto natural extraido da seringueiraquanto a borracha artificial produzida a partir de derivados do petróleo.

A borracha natural é constituida pelopoli-isopreno que se forma pela

polimerização de isopreno.

A borracha crua é de pouca utilidade,

pois no frio ela é dura e quebradiza.

Em 1839, Charles Goodyear deixoucair acidentalmente uma mistura de

borracha e enxofre numa chapa

quente, e verificou que as propriedadesda borracha melhoravam muito. O

processo ficou conhecido como

vulcanização

Na borracha vulcanizada, as ligações

(pontes) entre átomos de enxofre

permitem que ela volte a forma inicial

após ter sido deformada

Enciclopedia Conhecer 2000: Tecnologia (Editora Nova Cultura)

Preparação da borracha

Asbestos : são fibras minerais de ocorrência natural. A crisotila - Mg3Si2O5(OH)4 –possui uma camada em lâminas de silicato. A amosita e a crocidolita tem estruturade cadeia dupla de silicatos e aparecem como agulhas quando observadas num microscópio. Por volta de 1900 as chapas de cimento – amianto eram produzidasem grandes quantidade para uso em construção civil. Na decada de 1960, as doenças respiratórias associadas com a exposição aos asbestos levou a umaredução ou banimento do seu uso. Considerado cancerígeno pela OMS, todos ostipos de amianto estão banidos desde 2005. Os asbestos ainda usados hoje sãoconfinados em uma matriz de cimento ou em resinas orgânicas.

Ref: Shriver & Atkins, Química Inorgánica (Bookman, 2008)

Preocupações

Ambientais

Mina de amianto em Minaçu (GO)Produção: 300 mil ton. fibras/ano

Preocupações ambientais

Tintas com chumbo : os sais de chumbo tem sido muito usados em pigmentos e

tintas: o PbCrO4 é amarelo, Pb3O4 é vermelho e Pb3(OH)2CO3 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 1971. 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 Pb2+ tem um raio iônico similar ao Ca2+, pode substituir o calcio na

hidroxiapatita dos ossos, Ca5(PO4)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)

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)

Referências bibliográficas