A Química estuda os materiais, as transformações que eles podem sofrer e a energia envolvida nesses processos. Isso é importante por diversos motivos, dentre eles está o fato de que estudando os materiais, podem-se conhecer as suas propriedades e assim estabelecer um uso apropriado para eles.
As propriedades das substâncias podem ser classificadas de acordo com vários critérios, mas conheça a seguir os principais:
- Propriedades Químicas: Referem-se àquelas que, quando são coletadas e analisadas, alteram a composição química da matéria, ou seja, referem-se a uma capacidade que uma substância tem de transformar-se em outra por meio de reações químicas.
Por exemplo, a combustibilidade é uma propriedade química, pois a água não tem essa propriedade, enquanto o álcool (etanol) tem. Quando o álcool queima, ele converte-se em outras substâncias (gás carbônico e água), como mostra a reação abaixo:
1 C2H6OH + 3 O2 → 2 CO2 + 3 H2O
Outro exemplo é o enferrujamento do prego, que, em termos simples, é uma reação de oxidação do ferro, quando exposto ao ar úmido (oxigênio (O2) e água (H2O)), formando o óxido de ferro (III) mono-hidratado (Fe2O3 . H2O), que é um composto que possui coloração castanho-avermelhada, isto é, a ferrugem que conhecemos.
As reações envolvidas nesse processo são mostradas abaixo:
Fe(s) → Fe2+ + 2e-
2H2O + 2e– → H2 + 2OH–
Fe2+ + 2OH– → Fe(OH)2
2Fe(OH)2 + H2O + 1/2O2
→ 2 Fe(OH)3
2Fe(OH)3 → Fe2O3 . H2O + 2H2O
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A propriedade química que o ferro tem, nesse caso, é de se oxidar.
Outros exemplos de propriedades químicas são: explosão, poder de corrosão e efervescência.
- Propriedades Físicas: São aquelas que podem ser coletadas e analisadas sem que a composição química da matéria mude, ou seja, resultam em fenômenos físicos e não químicos.
Por exemplo, se pegamos uma amostra de água de determinada massa, nós não mudamos a sua constituição, por isso a massa é uma propriedade física. Outro exemplo é a propriedade que a água tem de se evaporar, ela passa do estado líquido para o de vapor, mas continua com a mesma composição química. Assim, o ponto de ebulição é uma propriedade física.
Outros exemplos são: volume, densidade, estado físico (sólido, líquido e gasoso), ponto de fusão, temperatura, cor e dureza.
Entre essas propriedades físicas, citamos algumas que são também definidas como propriedades organolépticas, que são aquelas que podemos reconhecer com os órgãos dos sentidos (visão, tato, olfato e paladar), tais como o estado físico, a cor, o odor, a transparência e o brilho.
Além das propriedades organolépticas, as propriedades físicas também podem se subdividir em gerais ou especificas e em intensivas ou extensivas. Você pode ver detalhes sobre cada uma delas nos textos abaixo:
- Propriedades Gerais e Específicas;
- Propriedades intensivas e extensivas.
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Ciências dos Materiais Exercícios Capítulo 1 1 Com que se ocupa a Ciência dos Materiais e qual sua importância na engenharia moderna? Se ocupa da investigação e estudo de novos e já existentes materiais, desde a análise de sua estrutura até suas possíveis aplicações nos diversos meios. É de grande importância na engenharia moderna, pois possibilita solucionar problemas e/ ou tornar mais eficiente determinado produto. 2 Diferencie conhecimento fenomenológico e enciclopédico. O conhecimento enciclopédico refere-se a conhecimentos gerais do nosso dia a dia, dando a liberdade das pessoas terem o seu próprio sentido. O Fenomenológico consiste em mostrar o que é apresentado e esclarecer este fenômeno, o objeto é como o sujeito o percebe. 3 Classifique os materiais segundo os seguintes critérios: a) aplicação na indústria; b) grau de desenvolvimento tecnológico e c) morfologia. Aplicação na indústria: Metais, cerâmicos, polímeros e compósitos. Grau de desenvolvimento tecnológico: naturais, empíricos, desenvolvimento científico e projetados. Morfologia: Monoestruturados, recobrimentos, gradiente e aleatório. 4 Cite dois produtos que podem ser classificados como: a) monoestruturado; b) recobrimento; c) gradiente e d) composição aleatória. Monoestruturado: Borracha e grafite. Gradiente: Caixa de leite e elementos filtrantes. Composição aleatória: Fibra de vidro e fibra de carbono. 5 Como se inter-relacionam estrutura, propriedades, processamento e desempenho em serviço de um material? Deve-se levar em consideração o processo de fabricação, estrutura e propriedades do material. 6 Como se divide e qual o critério no estudo da estrutura de um material? Divide-se em estrutura atômica, cristalina, macroestrutura e microestrutura. O critério se dá pela ordem de grandeza em metros do material em questão. 7 Em que estaria baseada a mudança de propriedades de um mesmo material fabricados por diferentes processos? Estaria baseada nas propriedades mecânicas, físicas e químicas, pois diferentes processos de fabricação geram diferentes microestruturas. Isso porque o mesmo material reage de forma diferente dependendo das características do processo (temperatura, pressão, etc). 8 Diferencie propriedades de corpo e de superfície. Propriedade de corpo é relacionada ao comportamento mecânico, propriedades elétricas e magnéticas, condutividade térmica, etc. Enquanto que propriedade de superfície está para a reatividade com o meio, resistência à corrosão e ao desgaste, biocompatibilidade, efeito decorativo e assim por diante. 9 Compare a microestrutura de um cobre fundido com a de um cobre trefilado. A fundição é realizada através de um molde no qual é colocado o metal derretido. Durante esse processo podemos encontrar diversos defeitos como rechupe, porosidade, etc. Já o processo de trefilação é um esforço mecânico no metal que reduz bastante a possibilidade de provocarmos algum defeito. 10 Do que depende a escolha de um determinado processo de fabricação? Depende do material a ser utilizado e da aplicação/forma que se queira obter. 11 Diferencie com suas palavras os tipos de materiais quanto às suas propriedades (físicas, químicas e mecânicas) típicas. Os matérias se diferenciam por sua resistência e facilidades em ações físicas (condutibilidade, ópticas, etc), químicas (corrosão, radioatividade, etc) e mecânicas (tração, flexão, etc). 12.Dê dois exemplos que evidenciam a relação entre estrutura e propriedades dos materiais. Quadro da bicicleta, pois deve ser um material leve e resistente. Próteses humanas, que deve ser um material que permita movimentos naturais sem causar rejeição do organismo. 13 Por que utiliza-se uma alumina translúcida como invólucro de uma lâmpada de sódio? Pois diminui a porosidade facilitando a passagem da luz, aumentando assim sua eficiência. 14 A partir de um material de sua escolha, dê duas aplicações para o mesmo e descreva as propriedades de interesse em cada aplicação. Polietileno: Pode ser produzido com ele desde embalagens flexíveis até rígidas, conforme o processo de fabricação. Suas propriedades interessantes são o baixo custo, durabilidade e resistência em temperaturas negativas até certo ponto. 15 Como podem se degradar as propriedades dos materiais em serviço? Cite 3 exemplos práticos. Degradam-se com ações do meio, físicas, químicas e mecânicas. Por exemplo: Ferro na chuva; engrenagem sem lubrificação irá desgastar devido ao atrito; materiais plásticos irão de degradar pelos raios UV caso não estejam aditivados. 16 Quais são os critérios para a seleção de um material para determinada aplicação. 1º Caracterizar quais as condições de serviço a que será submetido o material. 2º Determinar as propriedades de interesse e saber qual o desempenho e limitações e restrições no uso dos materiais selecionados. 3º Disponibilidade de matéria-prima e viabilidade técnica em obter a dimensão e forma da peça para seu emprego. 4º Impacto ambiental da produção e reciclabilidade do material após uso. 5º Custo. 17 O que é compromisso entre as propriedades de um material? É o fato de o material atender as necessidades sem comprometer a confiabilidade do produto. Por exemplo, um material de alta resistência apresenta uma baixa ductilidade. Por isso é necessário estabelecer este tipo de compromisso. 18 Como a questão ambiental está presente na seleção de um material para determinado emprego. É interessante projetar a forma de descarte do produto a ser produzido. Materiais que possam ser reutilizados ou reciclados com certeza são mais atraentes para o Meio Ambiente. 19. Explique o conceito de nanotecnologia e como esta é aplicada aos materiais. Criada no Japão, a nanotecnologia busca inovar invenções, aprimorando-as e proporcionando uma melhor vida ao homem. Geralmente lida com estruturas com medidas entre 1 a 100 nanômetros em ao menos uma dimensão. Inclui o desenvolvimento de materiais ou componentes e está associada a diversas áreas (como a medicina, eletrônica, ciência da computação, física, química, biologia e engenharia dos materiais) de pesquisa e produção na escala nano (escala atômica). O princípio básico da nanotecnologia é a construção de estruturas e novos materiais a partir dos átomos. É uma área promissora, mas que dá apenas seus primeiros passos, mostrando, contudo, resultados surpreendentes (na produção de semicondutores, Nanocompósitos, Biomateriais, Chips, entre outros). Exercícios Capítulo 2 1 Defina número de Avogadro e dê seu valor. Número de átomos ou moléculas de um g.mol, e corresponde a 6,02 x 10²³ mol -¹ 2 Qual a massa em repouso e a carga de um elétron, próton e nêutron? Qual a relação destes valores entre estas partículas? Elétron: Carga = -1,6 x 10-19C ; Massa =9,11 x 10-28g Próton: Carga = +1,6 x 10-19C; Massa = 1,67 x 10-24g Nêutron: Carga= nula; Massa = 1,67 x 10-24g 3 O que é isótopo? E isóbaro? Isótopo: Nº atômicos iguais e diferentes nº de massas Isóbaro: Nº de massa iguais e diferentes nº atômicos 4 O que são os números quânticos de um átomo? Representa os níveis (ou camadas) principais de energia para o elétron, pode ser imaginado como uma camada no espaço onde a probabilidade de encontrar um elétron com valor particular de n é muito alta. 5 Escreva a configuração eletrônica (ex. 1s2, ...) para Be, F, Fe, Co e Ni. Quantos elétrons há no subnível 3d destes três últimos elementos? Be: 1s² 2s² F: 1s² 2s² 2p5 Fe: 1s² 2s² 2p6 3s² 3p6 3d6 4s² - 6 elétrons no subnível 3d Co: 1s² 2s² 2p6 3s² 3p6 3d7 4s² - 7 elétrons no subnível 3d Ni: 1s² 2s² 2p6 3s² 3p6 3d8 4s² - 8 elétrons no subnível 3d 6 Caracterize: ligação iônica; ligação covalente e ligação metálica. Ligação iônica é um tipo de ligação química baseada na atração eletrostática entre dois íons carregados com cargas opostas. Na formação da ligação iônica, um metal doa um elétron, devido a sua baixa eletronegatividade formando um íon positivo ou cátion. Geralmente ligações iônicas se formam entre um metal e um ametal.