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Capítulo 12© 2005 by Pearson Education

Capítulo 12Capítulo 12Materiais modernosMateriais modernos

QUÍMICAQUÍMICA A Ciência Central A Ciência Central

9ª Edição9ª Edição

David P. WhiteDavid P. White


• Os sólidos são caracterizados por sua ordem.

• Os líquidos são caracterizados pela ordenação quase aleatória das moléculas.

• Existe uma fase intermediária onde os líquidos mostram uma determinada ordenação:

– o líquido flui (propriedades do líquido), mas tem alguma ordem (propriedades de cristal).

– Exemplo: o benzoato de colesterol acima de 179C é transparente. Entre 145C e 179C o benzoato de colesterol é leitoso e possui comportamento líquido cristalino.

Cristais líquidosCristais líquidos


Tipos de fases líquidas cristalinas• As moléculas de cristal líquido normalmente são longas na forma

de tubos.

• Há três tipos de fase cristalina líquida dependendo da ordenação:

– cristais líquidos nemáticos (os menos ordenados): ordenados apenas na direção do eixo longo da molécula;

– cristais líquidos esméticos: ordenados na direção do eixo longo da molécula e em uma outra dimensão;

– cristais líquidos colestéricos (os mais ordenados).



Tipos de fases líquidas cristalinas• Cristais líquidos esméticos: normalmente contêm ligações C=N ou

N=N e anéis de benzeno.

– Lembre-se: as estruturas C=N e N=N são planas.

– Lembre-se: não há rotação em torno das ligações C=N e N=N.

– Conseqüentemente, as moléculas são rígidas.

– Além disso, os anéis de benzeno (planos) adicionam dureza.

– As moléculas são longas em forma de tubos.



Tipos de fases líquidas cristalinas



Tipos de fases líquidas cristalinas• Cristais líquidos colestéricos: baseados na estrutura do colesterol.

– Moléculas alinhadas na direção de seu eixo longo.

– Além disso, as moléculas são arranjadas em camadas.

– Há um entrelaçamento entre as camadas.

– As moléculas são longas, achatadas, e têm forma de um tubo com uma cauda flexível.

– A cauda flexível provoca o entrelaçamento entre as camadas.



Tipos de fases líquidas cristalinas



• Os polímeros são moléculas gigantescas, constituídas de muitas e muitas moléculas menores.

• As unidades constituintes dos polímeros são denominadas monômeros.

• Exemplos: plásticos, DNA, proteínas, borracha etc.

• Os compostos de carbono têm uma habilidade incomum de formarem polímeros.

PolímerosPolímeros


Polimerização por adição• Exemplo: o etileno H2C=CH2, pode polimerizar-se através da

abertura da ligação C-C para formar ligações C-C com moléculas de etileno adjacentes. O resultado é o polietileno.

• Isto é chamado de polimerização por adição porque as moléculas de etileno são adicionadas umas às outras.



Polimerização por condensação• Polimerização por condensação: as moléculas ligam-se por meio

da eliminação de uma molécula pequena (por exemplo, a água):

• Exemplo de polimerização por condensação: a formação do náilon.

• As propriedades físicas dos polímeros podem ser previstas através do entendimento da estrutura dos polímeros.

N

H

H H O C

O

+ N

H

C

O

H O H+


Tipos de polímeros• Plástico: materiais que podem ser moldados.

• Termoplástico: materiais que podem ser moldados mais de uma vez.

• Termocurado: materiais que podem ser moldados apenas uma vez.

• Elastômero: material que é de alguma forma elástico. Se uma quantidade moderada de força deformante é adicionada, o elastômero retornará à sua forma original. Útil para fibras.



Estruturas e propriedades físicas dos polímeros• Cadeias de polímeros tendem a ser flexíveis e facilmente

entrelaçadas ou cruzadas.

• Grau de cristalinidade é a quantificação da ordenação em um polímero.

• O estiramento ou o encolhimento de um polímero pode aumentar sua cristalinidade.



Estruturas e propriedades físicas dos polímeros• O grau de cristalinidade também é determinado pela massa

molecular média:

– polietileno de baixa densidade (LDPE) tem uma massa molecular média de 104 u (utilizado em pacotes plásticos);

– polietileno de alta densidade (HDPE) tem uma massa molecular média de 106 u (utilizado em garrafas plásticas para leite).



Estruturas e propriedades físicas dos polímeros



Polímeros de ligação cruzada• As ligações formadas entre as cadeias de polímeros fazem com que

o polímero fique mais firme.• A borracha natural é macia demais e quimicamente reativa para

produzir um material útil.• Através da vulcanização da borracha (formação de ligações

cruzadas entre as cadeias de polímeros) produz-se materiais úteis.• A borracha normalmente tem ligações cruzadas com o enxofre.• A borracha com ligações cruzadas é mais firme, mais elástica e

menos suscetível à reação química.




Polímeros de ligação cruzada


Características dos biomateriais• Os biomateriais são quaisquer materiais que têm aplicações

biomédicas.

• Por exemplo, os materiais utilizados para obturar dentes.

• Os biomateriais devem ser biocompatíveis:

• O sistema imunológico do corpo não deve atacar o biomaterial.

BiomateriasBiomaterias


Características dos biomateriais• Exigências físicas:

• Os biomateriais devem ser criados para um ambiente específico.

• As válvulas artificiais de coração devem abrir e fechar de 70 a 80 vezes por minuto.

• Exigências químicas:

• Os biomateriais devem ser de grau médico.

• Os polímeros são biomateriais muito importantes.



Biomateriais poliméricos• O grau em que o corpo tolera materiais estranhos depende da

natureza dos grupos atômicos no material.

• Biomateriais naturais são os polímeros de açúcares e nucleotídeos.

• Esses polímeros são poliaminoácidos.



Exemplos de aplicações dos biomateriais• Substituição e reparos de coração:

• Um coração que pára completamente deve ser substituído pelo órgão de um doador.

• Cerca de 60.000 pessoas nos Estados Unidos sofrem de parada cardíaca e há apenas 2.500 corações de doadores disponíveis.

• São realizadas cerca de 250.000 substituições de válvulas de coração a cada ano.

• Perto de 45% dessas substituições de válvulas ocorrem com uma válvula mecânica.



Exemplos de aplicações dos biomateriais• A válvula de substituição deve ser lisa para evitar a destruição

de vasos sangüíneos.

• A válvula também deve ser presa à parte interna do coração.

• O tereftalato de polietileno, denominado Dacron™, é frequentemente utilizado na fabricação de válvulas artificiais de coração.

• O Dacron™ é utilizado porque o tecido crescerá através de uma malha de poliuretano.



Exemplos de aplicações dos biomateriais• Implantes vasculares:

• Um enxerto vascular é a substituição de um pedaço de um vaso sangüíneo.

• O Dacron™ é utilizado para artérias de diâmetro grande.

• O politetrafluoroetileno, Teflon™ ,-[-(CF2CF2)n-]- é utilizado

para implantes vasculares menores.



Exemplos de aplicações dos biomateriais• Tecido artificial:

• A pele artificial, que cresce em laboratório, é utilizada para o tratamento de pacientes com extensa perda de pele.

• O desafio do desenvolvimento da pele artificial é fazer com que as células se alinhem adequadamente.

• Portanto, deve-se utilizar um esqueleto para as células.• O esqueleto mais bem sucedido é o copolímero ácido lático -

ácido glicólico.



Exemplos de aplicações dos biomateriais• Substituições de bacia:

• Cerca de 200.000 substituições totais de bacia são efetuadas a cada ano.

• Uma bola metálica, feita com uma liga de cobalto e cromo, é normalmente utilizada nas substituições de bacias.

• Esta liga é fixada a uma liga de titânio e cimentada com a utilização de um polímero termocurado resistente.

• O acetábulo, que acomoda o fêmur, é revestido com uma camada de polietileno.



• As cerâmicas são

– inorgânicas, não-metálicas, sólidas, cristalinas, amorfas (por exemplo, o vidro) rígidas, quebradiças, estáveis a altas temperaturas, menos densas do que os metais, mais elásticas do que os metais e de ponto de fusão muito alto.

• As cerâmicas podem ser uma rede covalente e/ou estarem ligadas ionicamente.

• Exemplos típicos: alumina (Al2O3), carbeto de silício (SiC), zircônia (ZrO2) e berila (BeO).

CerâmicasCerâmicas


Processamento de cerâmicas• Defeitos pequenos desenvolvidos durante o processamento tornam

a cerâmica mais fraca.• Sinterização: é o aquecimento de partículas uniformes muito puras

(cerca de 10-6 m em diâmetro) sob pressão para forçar a ligação das partículas.

• Processo sol-gel: é a formação de partículas uniformes puras. • Forma-se alcalóide metálico (por exemplo, o Ti(OCH2CH3)4).• O sol é formado através da reação do alcalóide com água (para

formar Ti(OH)4).



Processamento de cerâmicasTi(s) + 4CH3CH2OH(l) Ti(OCH2CH3)4 + H2(g)

Ti(OCH2CH3)4 + H2O(l) Ti(OH)4 + 4CH3CH2OH(l)

• O gel é formado pela condensação do sol e a eliminação de água.

• O gel é aquecido para a remoção de água e é convertido em pó de óxido finamente dividido.

• O pó de óxido tem tamanhos de partículas entre 0,003 e 0,1 m de diâmetro.



Compósitos cerâmicos• Compósitos: dois ou mais materiais produzindo a cerâmica.

• Resultado: cerâmica mais resistente.

• Método mais efetivo: adição de fibras ao material cerâmico. Exemplo: fibras de SiC adicionadas ao vidro de aluminosilicato.

• A fibra deve ter um comprimento 100 vezes o seu diâmetro.



Aplicações das cerâmicas• Usadas na indústria de instrumentos cortantes.

• Usadas na indústria eletrônica (circuitos semicondutores integrados normalmente fabricados de alumina).

• Usadas em materiais piezoelétricos (geração de um potencial elétrico após estresse mecânico) usados em relógios e geradores ultrasônicos.

• Usadas no revestimento externo dos ônibus espaciais.



• Os supercondutores não mostram resistência ao fluxo de uma corrente elétrica.

• O comportamento de supercondução inicia-se abaixo da temperatura de transição da supercondução, Tc.

• O efeito de Meissner: ímãs permanentes levitam sobre os supercondutores. O supercondutor exclui todas as linhas do campo magnético para que o magneto flutue no espaço.

SupercondutividadeSupercondutividade



Óxidos cerâmicos supercondutores


• Os filmes finos geralmente têm uma espessura entre 0,1 m e 300 m.

• Filmes finos úteis devem

– ser quimicamente estáveis,

– aderir bem à superfície,

– ser uniformes,

– ser puros,

– ter baixa densidade de imperfeições.

Filmes finosFilmes finos


Usos de filmes finos• Microeletrônica (condutores, resistores e condensadores).

• Revestimentos ópticos (para reduzir a reflexão de uma lente).

• Revestimentos de proteção para metais.

• Aumento de resistência de ferramentas.

• Redução de arranhões em vidros.



Fabricação de filmes finos• Deposição a vácuo

– Filme fino a ser vaporizado sem a quebra de ligações químicas.

– O material é colocado em uma câmara e os objetos a serem revestidos em outra.

– A pressão é reduzida (baixa pressão significa baixo ponto de sublimação) enquanto o material é aquecido.

– O material vaporiza e condensa no objeto a ser revestido.

– Para garantir um revestimento regular, os objetos são freqüentemente girados.

– Exemplos: MgF2, Al2O3, e SiO2.



Fabricação de filmes finos• Projeção por alta tensão ou ‘sputtering’

– O material usado no filme fino é removido do alvo utilizando-se uma alta voltagem.

– Os átomos se movem através de um gás ionizado em uma câmara e são depositados no substrato.

– O alvo é o eletrodo negativo e o substrato é o eletrodo positivo.

– Os átomos de Ar (dentro da câmara) são ionizados em Ar+. Os íons de Ar+ atingem o eletrodo negativo e fazem com que um átomo M seja expelido. Os átomos M têm uma energia cinética alta e viajam em todos os sentidos. Alguns átomos M atingem o substrato e, conseqüentemente, são revestidos.



Fabricação de filmes finos• Decomposição de vapor químico

– A superfície é revestida com um composto volátil a uma temperatura alta (abaixo do ponto de fusão da superfície).

– Sobre a superfície, o composto sofre uma reação química para formar um revestimento estável.

– Exemplos:

TiBr4(g) + 2H2(g) Ti(s) + 4HBr(g)

SiCl4(g) + 2H2(g) Si(s) + 4HCl(g)

SiCl4(g) + 2H2(g) + 2CO2(g) SiO2(s) + 4HCl(g) + 2CO(g)

3SiH4(g) + 4NH3(g) Si3N4(s) + 12H2(g)



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