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QUÍMICAQUÍMICAA Ciência Central A Ciência Central

9ª Edição9ª Edição9 Edição9 Edição

Capítulo 12Capítulo 12Materiais modernosMateriais modernos

David P. WhiteDavid P. White

Capítulo 10© 2005 by Pearson Education

Cristais líquidosCristais líquidosqq

• Os sólidos são caracterizados por sua ordem.O lí id ã t i d l d ã l tó i d• Os líquidos são caracterizados pela ordenação quase aleatória das moléculas.

• Existe uma fase intermediária onde os líquidos mostram uma• Existe uma fase intermediária onde os líquidos mostram uma quantidade limitada de ordenação:– o líquido flui (propriedades do líquido) mas tem alguma ordemo líquido flui (propriedades do líquido), mas tem alguma ordem

(propriedades de cristal).– Exemplo: o benzoato de colesterol acima de 179°C é e p o: o be oato de co este o ac a de 79 C é

transparente. Entre 145°C e 179°C o benzoato de colesterol é leitoso e possui líquido cristalino.


Cristais líquidosCristais líquidos

Ti d f lí id i t li

qq

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

d t bde tubos.• Três tipos de fase cristalina líquida dependendo da ordenação:

i t i lí id áti ( d d ) d d– cristais líquidos nemáticos (os menos ordenados): ordenadosapenas ao longo do extenso eixo da molécula;cristais líquidos esméticos: ordenados ao longo do extenso eixo– cristais líquidos esméticos: ordenados ao longo do extenso eixoda molécula e em uma outra dimensão;

– cristais líquidos colestéricos (os mais ordenados)– cristais líquidos colestéricos (os mais ordenados).


Cristais líquidosCristais líquidosqq




qq

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

N N éi d bN=N e anéis de benzeno.– Lembre-se: as estruturas C=N e N=N são planas.

L b ã há t ã t d li õ C N N N– Lembre-se: não há rotação em torno das ligações C=N e N=N.– Conseqüentemente, as moléculas são rígidas.

Alé di éi d b ( l ) di i d– Além disso, os anéis de benzeno (planos) adicionam dureza.– As moléculas são longas em forma de tubos.




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Tipos de fases líquidas cristalinas




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

– Moléculas alinhadas ao longo de seu extenso eixo.– Além disso, as moléculas são arranjadas em camadas.– Há um entrelaçamento entre as camadas.– As moléculas são longas, achatadas, têm forma de tum ubo com

d fl í luma cauda flexível.– A cauda flexível provoca o entrelaçamento entre as camadas.




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Tipos de fases líquidas cristalinas


PolímerosPolímeros

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

• As unidades constituintes dos polímeros são denominados monômerosmonômeros.

• Exemplos: plásticos, DNA, proteínas, borracha, etc.• Os compostos de carbono têm uma habilidade incomum de• Os compostos de carbono têm uma habilidade incomum de

formarem polímeros.



P li i ã di ãPolimerização por adição• Exemplo: o etileno H2C=CH2, pode polimerizar-se através da

b t d li ã C C f li õ C Cabertura da ligação π C-C para formar ligações σ C-C com moléculas de etileno adjacentes. O resultado é o polietileno.

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



P li i ã d ãPolimerização por condensação• Polimerização por condensação: as moléculas ligam-se por meio da

li i ã d lé l ( l á )eliminação de uma molécula pequena (por exemplo, a água):

H O H O

E l d li i ã d ã f ã d áil

N H H O C+ N C H O H+

• Exemplo de polimerização por condensação: a formação do náilon.• As propriedades físicas dos polímeros podem ser esboçadas através

d t di t d t t d lído entendimento da estrutura dos polímeros.



Ti d líTipos de polímeros• Plástico: materiais que podem ser moldados.• Termoplástico: materiais que podem ser moldados

mais de uma vez.T d t i i d ld d• Termocurado: materiais que podem ser moldados apenas uma vez.

• Elastômero: material que é de alguma forma• Elastômero: material que é de alguma forma elástico. Se uma quantidade moderada de força deformante é adicionada, o elastômero retornará à 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 quantidade de ordenação em um

polímero.• O esticamento ou o prensamento de um polímero pode aumentar

i li id dsua 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

édi d 106 ( ili d f lá i l i )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

lí fi i fio polímero fique mais firme.• A borracha natural é macia demais e quimicamente reativa para

produzir um material útilproduzir 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

í l à ã í imenos suscetível à reação química.



Polímeros de ligação cruzadag ç



Polímeros de ligação cruzada


BiomateriasBiomaterias

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.



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 nucleotides.• Esses polímeros são poliaminoácidos.



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

• Um coração que pára completamente deve ser substituído por um 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.Sã li d d 250 000 b i i õ d ál l d• São realizadas cerca de 250.000 substituições de válvulas de coração a cada ano.

• Cerca de 45 % dessas substituições de válvulas ocorrem com• Cerca 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 coraçãocoração.

• O Dacron™ é utilizado porque o tecido crescerá através de uma malha de poliuretanomalha 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, -[-(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• 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., q p• 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• 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 g gutilização de um polímero termocurado resistente.

• O acetábulo, que acomoda o fêmur, é revestido com uma d d li tilcamada de polietileno.


CerâmicasCerâmicas

• As cerâmicas são– inorgânicas, não-metálicas, sólidas, cristalinas, amorfas (por

exemplo, o vidro) rígidas, quebradiças, estáveis a altas d d i i lá i dtemperaturas, 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 ligadas• As cerâmicas podem ser uma rede covalente e/ou ligadas

ionicamente.• Exemplos típicos: alumina (Al O ) carbeto de silício (SiC)• Exemplos típicos: alumina (Al2O3), carbeto de silício (SiC),

zircônia (ZrO2) e berila (BeO).



Processamento de cerâmicas• Defeitos pequenos desenvolvidos durante o processamento torna a

â i i fcerâmica 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(cerca de 10 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

f Ti(OH) )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 separado.• O pó de óxido tem tamanhos de partículas entre 0,003 e 0,1 μm 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 que o seu diâmetro.



Aplicações das cerâmicas• Usada na indústria de instrumentos cortantes.• Usada na indústria eletrônica (circuitos semicondutores integrados

normalmente fabricados de alumina).• Materiais de piezoelétrica (geração de um potencial elétrico após

estresse mecânico) usados em relógios e geradores ultrasônicos.

• Usada na fabricação de cerâmicas nos ônibus espaciais.


SupercondutividadeSupercondutividadepp

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

• O comportamento de supercondutor inicia-se apenas abaixo da d i ã d d ã Ttemperatura de transição da supercondução, Tc.

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



Óxidos cerâmicos supercondutoresp


Filmes finosFilmes finos

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

• Filmes finos úteis devemi i á i– ser quimicamente estáveis,

– aderir bem à superfície,– ser uniformes,– ser puros,– ter baixa densidade de imperfeições.



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

bli ) i l é idsublimação) 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.E l M F Al O SiO


– Exemplos: MgF2, Al2O3, e SiO2.


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

O t i l d fil fi é id d l tili d– 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– 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 positivoO 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 o s de ge o e e odo eg vo e e co que uátomo 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 finosFabricação de filmes finos• Decomposição de vapor químico

A superfície é revestida com um composto volátil a uma– 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 paraSobre a superfície, o composto sofre uma reação química para formar um revestimento estável.

– Exemplos:pTiBr4(g) + 2H2(g) → Ti(s) + 4HBr(g)SiCl4(g) + 2H2(g) → Si(s) + 4HCl(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)


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

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