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PROVA DISCURSIVA – CARGO: NAN12

QUESTÕES OBRIGATÓRIAS

Questão 1A determinação da composição de soluções líquidas é uma das atividadesfundamentais de um pesquisador num laboratório de química. Umpesquisador encontra um recipiente contendo 100 g de uma soluçãocontendo 25% em massa de água e o restante em etanol. Escreva asequações que o pesquisador deverá empregar para obter o número demoles de etanol e sua fração molar. Defina as massas atômicas doselementos presentes por MC, MH e MO, para carbono, hidrogênio e oxigênio,respectivamente. Escreva as fórmulas químicas da água e do etanol e definaclaramente qualquer outro parâmetro que for necessário.

Considerando que as massa atômicas dos elementos estão em g/mol e queas fórmulas da água e do etanol são representadas por H2O e C2H3OH,respectivamente. O número de moles de etanol e água serão dados por:

A fração molar de etanol será dada pela expressão:

BibliografiaR. Chang, Físico-Química, volume 1, 3a Edição, McGraw-Hill, 2009.

Questão 2Faça um desenho esquemático de um diagrama pressão versus composiçãopara um sistema de duas espécies químicas que não reagem entre si,formam soluções homogêneas na fase líquida e gasosa e possuem umponto azeotropo com pressão abaixo da pressão de vapor em equilíbrio comcada espécie pura. Indique claramente as fases presentes em cada regiãodo diagrama e o número de graus de liberdade calculados pela regra dasfases de Gibbs.

O diagrama é obtido a temperatura constante. O eixo vertical no diagramade fases é a pressão e o eixo horizonta é a fração molar das espécies. Oazeotropo é a composição em que o líquido passa para o gás sem mudançade composição. Ele precisa ser um ponto de mínimo, ou máximo. A regradas fases de Gibbs é dada pela relação , em que L é o númerode graus de liberdade, C é o número de espécies químicas e F é o númerode fases. Como este diagrama foi obtido a temperatura constante,

. Este diagrama representa o sistema clorofórmio – tetra-hidrofurano a 30ºC

BibliografiaJ.M. Smith, H.C. Van Ness e M.M. Abbott, Introdução à Termodinâmica da EngenhariaQuímica, LTC, 2000.

solução líquida, L=2

solução gasosa, L=2

mistura de gás + líquido, L=1

mistura de gás + líquido, L=1

azeotropo

QUESTÕES OPTATIVAS

Questão 3Explique os efeitos do aumento da pressão total (com temperaturaconstante) e do aumento da temperatura (com pressão constante) nareação de oxidação do hidrogênio gasoso pelo oxigênio gasoso para aformação de água (vapor). Escreva a reação química apropriada, a condiçãode equilíbrio em termos dos potenciais químicos das espécies presentes e aequação de equilíbrio final em termos das pressões parciais das espéciesquímicas. Considere que a fase gasosa se comporta como um gás ideal.

Reação química:

Condição de equilíbrio em termos dos potenciais químicos

Equação de equilíbrio em termos das pressões parcais

é a variação da energia de Gibbs para a reação apresentada. Éfunção somente da temperatura, T.

R é a constante dos gases

O efeito do aumento da pressão total com a temperatura constante serádeslocar a reação para o lado que tiver menor número de moles segundo aestequiometria. Assim sendo, o aumento da pressão irá favorecer aformação da água. O efeito da pressão pode ser demonstrado substituíndoas pressões parciais pela fração molar vezes a pressão total.

O efeito do aumento da temperatura coma pressão constante será deslocara reação para o lado dos reagentes pois esta é uma reação exotérmica. Oefeito da temperatura pode ser demonstrado aplicando derivando aconstante de equilíbrio da reação, K(T), em função da temperatura edemonstrando que esta derivada depende da entalpia da reação, , queé negativa porque é uma reação exotérmica.


Questão 4Sólidos podem ser divididos em dois grandes grupos: cristalinos e amorfos.Defina e diferencie claramente esses dois grupos e descreva ascaracterísiticas geométricas dos sete sistemas cristalinos.

Nos sólidos cristalinos os átomos estão organizados de maneira sistemática,com simetrias e distâncias interatômicas que não sofrem mudanças muitograndes ao longo de todo o cristal. Este é um arranjo de longo alcance. Nosmateriais amorfos, os átomos mantém as distâncias interatômicas similaresàs dos materiais cristalinos, mas a ordem de longo alcance deixa de existire, portanto, não existem nenhuma simetria de longo alcance.

Os sete sistemas cristalinos são definidos com base em paralelogramas queapresentam as seguintes propriedades:

sístema cúbico: todos os lados são iguais entre si e os ângulos entre asdiferentes faces do paralelogramo são iguais a 90º. É um cubo.

sistema tetragonal: os lados da base são iguais entre si, o ladoperpendicular à base é distinto e os ângulos entre as diferentes faces doparalelogramo são iguais a 90º

sistema romboédrico: todos os lados são iguais entre si e os ângulos entre asdiferentes faces do paralelograma são também iguais entre si mas diferentes de 90º.

sistema hexagonal: os lados da base são iguais entre si e formam um ângulo de 120º,os demais ângulos são iguais a 90º. O lado perpendicular a base possui umcomprimento diferente dos lados da base.

sistema ortorrômbico: os lados possuem diferentes comprimentos mas todos osângulos são iguais a 90º.

sistema monoclínico: os lados possuem diferentes comprimentos e dois ângulosentre as faces são iguais a 90º e um ângulo é distinto de 90º.

sistema triclínico: todos os lados possuem diferentes comprimentos e todos osângulos são distintos entre si e diferentes de 90º.

BibliografiaW. D. Callister, Jr., Materials Science and Engineering, 3rd edition, John Wiley& Sons, 1994.

Questão 5Explique as características básicas de um gás de Van der Waals e como essegás se diferencia de um gás ideal.

O gás de Van der Waals pode ser descrito pela equação de estado:

em que V é o volume molar, R é a constante dos gases, T é a temperatura eP é a pressão.

O parâmetro a considera interação eletrostática entre as moléculas gasosas,normalmente, interações entre dipolos elétricos. Portanto, as moléculas deum gás de Van der Waals sofrem interação, enquanto em gases ideaissomente existe o choque elástico.

O parâmetro b considera que um gás real possui um volume físico diferentede zero. Esse parâmetro é um volume de exclusão ao redor de cadamolécula gasosa. Gases ideais são pontuais.


Questão 6A calorimetria diferencial de varredura é um importante método analítico nacaracterização de polímeros. Explique os conceitos fundamentais dessemétodo e dê duas quantidades experimentais que podem ser obtidasquando se analisa um material polimérico.

A calorimetria diferencial de varredura se propõe medir a quantidade decalor liberada, ou absorvida, por um determinado material durante um ciclotérmico bem definido, normalmente com uma taxa de aquecimento, ouresfriamento, constante. Esta quantidade de calor está associada àcapacidade calorífica do material analisado e a qualquer tipo de reação quevenha ocorrer no material durante o ciclo térmico. Normalmente ocalorímetro mede a diferença de calor entre a amostra e um padrão queestá submetido ao mesmo ciclo térmico, para realçar pequenas variações eeliminar parcialmente o efeito da capacidade calorífica da amostra.

Temperatura e entalpia de fusão de um plástico. Permite identificardiferentes tipos de blendas poliméricas e as quantidades presentes de cadapolímero nos casos mais simples. Permite também avaliar a degradação deum polímero, pois irá causar mudanças na temperatura de fusão. Permitedeterminar o grau de cristalização pela medida da entalpia liberada durantea fusão de uma amostra, desde que se conheça a entalpia de fusão de umpolímero 100% cristalino.

Temperatura e entalpia de cristalização de um polímero inicialmentefundido, obtido durante o resfriamento.

Temperatura vítrea de polímeros que apresentam fase amorfa, ou sãoamorfos.

Estudo da oxidação de polímeros em condições isotérmicas

BibliografiaS V Canevarolo Jr, Técnicas de Caracterização de Polímeros, Artliber, 2004.

Questão 7Explique o fenômeno de fluorescência de raios X: como pode ser produzidoe como é empregado na análise qualitativa e quantitativa de materiais.

A fluorescência de raios X resulta da retirada dos elétrons mais internos deum átomo por um feixe de elétrons, ou um feixe de raios X, com energiasuficientemente elevada para causar a a saída do elétron mais interno. Coma saída de um elétron mais interno, por exemplo da camada K (1), oselétrons das camadas superiores irão relaxar para a camada mais interna e,quando este processo ocorre, irão causar a emissão de uma radiação comuma energia igual a diferença energética entre as duas camadas. Essaradiação é uma característica de cada tipo de átomo e, portanto, pode serempregada para identificar o átomo que está emitindo a luz. Algumas vezesno lugar da radiação pode ser emitido um elétron com energia tambémcaracterística da transição eletrônica envolvida. Esse elétron é denominadode elétron Auger.

Este processo é a base da análise qualitativa de materiais por fluorescênciade raios X. A análise quantitativa mede todas as energias emitidas por umaamostra e argumenta que a intensidade de uma certa energia(comprimento de onda) depende da quantidade de átomos presentes nomaterial analisado. No entanto, a análise quantitativa é complicada pelosefeitos da absorção do raios X emitido pelo próprio material analisado e afluorescência secundária causada por raios X gerados de outros átomos.

BibliografiaJ.I. Goldstein, D.E. Newbury, P. Echlin, D.C. Joy, C. Fiori, E. Lifshin, ScanningElecron Microscopy and X-Ray Microanalysis, Plenum Press, 1984.

Questão 8Eletrólitos sólidos e líquidos são bastante importantes na determinação daconcentração de determinadas espécies químicas. Em particular, zircôniaestabilizada pela ítria (ZrO2-Y2O3) pode ser empregada na determinação daconcentração de oxigênio em gases efluentes. Nesta aplicação, esseeletrólito faz parte de uma célula de concentração de oxigênio contendoconcentrações distintas nos dois lados do eletrólito. Descreva e explique asequações eletroquímicas envolvidas nesta técnica e a equação de Nernstcorrespondente.

O sistema eletroquímico proposto pode ser representado por:

A presença do metal platina é somente para contato elétrico e não participada reação eletroquímica.

As reações eletroquímicas são idênticas a esquerda e a direita, a únicamudança são as pressões parciais de oxigênio. O oxigênio gasoso diatômicose dissocia e forma dois ions de oxigênio, totalizando quatro unidades decarga elétrica transportada pelo eletrólito.

.

A reação total será correspondente ao transporte do oxigênio na formaiônica do eletrodo com maior potencial para o eletrodo com menor potencialde oxigênio. Se a pressão do oxigênio for menor no eletrodo β:

E a equação de Nernst correspondente será:

O 4 nesta reação corresponde a movimentação de 4 cargas negativas(elétrons). A equação fornece a diferença de potencial elétrico causado peladiferença de pressões parciais de oxigênio. A F é a constante de Faraday ecorresponde ao transporte de um mol de carga elétrica.


Questão 9Defina materiais nanométricos e apresente e explique duas propriedadesimportantes que eles possuem quando comparados com suas formasmaciças.

Materiais nanométricos são materiais que possuem pelo menos umadimensão na faixa de 1 até 100 (ou 200) nm. Pode-se obter partículasnanométricas em que todas as dimensões estão na faixa definida acima,fios nanométricos em que duas dimensões estão na faixa definida acima efilmes nanométricos em que somente uma dimensão está na faixa definidaacima.

São também materiais nanoestruturados os materiais compósitosenvolvendo normalmente uma carga nanométrica e a matriz maciça.

A primeira propriedade dos materiais nanométricos é a razão área parasuperfície ser extremamente elevada. Se considerarmos uma esfera comraio R, a razão da área para o volume será dada por:

Esta relação mostra que quanto menor o raio da esfera maior será a áreapor unidade de volume. As áreas extremamente elevadas dos materiaisnanométricos favorecem as reações química superficiais.

Além do fator área, os átomos superficiais estão com ligações atômicasincompletas e, portanto, em condições mais ativadas para participar deprocessos físico-químicos, ou bioquímicos.

BibliografiaG. Cao, Nanostructures & Nanomaterials, Imperial College Press, 2004.

Questão 10Conceitue copolímeros e blenda de polímeros mostrando claramente adiferença entre esses dois tipos de sistemas poliméricos.

Copolimeros são polímeros sintetizados com dois ou mais monômeros distintos queestão ligados na cadeia polimérica. Por exemplo, um copolímero periódico comunidades A e B criará a cadeia A-B-A-B-A-B-A-B-A-B; enquanto um copolímero embloco poderá ter a seguinte cadeia B-B-B-B-B-A-A-A-A-A.

Blenda de polímeros é efetivamente uma solução de dois ou mais polímerosdistintos que não estão unidos por ligação atômica, mas como uma mistura no nívelmolecular, uma solução. Pode-se construir um diagrama de fases da blenda de doispolímeros. As blendas de polímeros podem ser miscíveis ou imiscíveis. Doispolímeros com blendas imiscíveis irão apresentar duas temperaturas vítreas,associadas aos dois polímeros que formam a blenda.


Questão 11Defina polímeros termofixos e termoplásticos e explique comportamentoque apresentam em função da temperatura. Dê uma breve explicação paraa diferença entre esses polímeros relacionada com ligações atômicas.

Polímeros termoplásticos amolecem quando aquecidos. Eles sãoconstituídos de cadeias longas que se atraem por ligações fracas de Van derWaals, ligações que têm sua origem em dipolos elétricos. Com oaquecimento, a agitação térmica é suficiente para enfraquecer essasligações e os polímeros amolecem. Essas ligações fracas também sãoconhecidas como ligações secundárias

Polímeros termofixos criam ligações primárias covalentes entre as cadeiaspoliméricas através de reações químicas causadas por um produto químicoapropriado, dessa maneira os polímeros termofixos normalmente sãoconstituídos de redes tridimensionais de ligações covalentes. Polímerostermofixos não amolecem quando aquecidos, mas perdem o hidrogênio e sedecompõem.


Questão 12Faça um desenho esquemático de um diagrama temperatura versus pressãopara um sistema binátio A-B que forma um único eutético. A espéciequímica A funde numa temperatura maior que a espécie química B. As duasespécies são imiscíveis na fase sólida. Especifique claramente as fasespresentes em cada região do diagrama. Escolha uma temperaturaintermediária entre a temperatura de fusão de A puro e B puro e faça umdesenho esquemático da variação da atividade química de A em função dafração molar de A nesta temperatura empregando como referência A puro,sólido. Indique as fases presentes em cada região característica.

A linha tracejada horizontal indica a temperatura escolhida para apresentar a atividade química de A. A linha tracejada vertical indica a posição do liquidus. Na região onde as fases líquido e A puro coexistem, a atividade química de A é igual a 1 para a referência A puro, sólido. A fração molar de A varia de A (B puro) até 1 (A puro), marcadas no diagrama pelas letras que indicam a espécie química.


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