ENGENHARIA DE MATERIAIS

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a) Água b) Etano c) Butano

Figura 02: Esquema tridimensional de algumas moléculas. a) Água. b) Etano. c) Butano (ângulo entre as ligações de carbono).

2.4 - Hidrocarbonetos Saturados e Insaturados:

Hidrocarbonetos são moléculas cuja forma geral é CnH2n+2 (parafinas). O menor hidrocarboneto é o metano (CH4).

Pode-se formar moléculas de hidrocarbonetos cada vez maiores com adição de carbono e uma quantidade em dobro de hidrogênio (figura 03).

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Figura 03: Hidrocarbonetos saturados. a) Metano. b) Série parafínica rezumida.

O carbono apresenta os seus 4 elétrons de valência ligados por átomos de hidrogênio e carbono, formando ligações simples. Como não há possibilidade de adição de novos átomos, essas moléculas são consideradas saturadas. Quanto maior for a molécula, maior serão as forças de Van Der Waals entre elas, por existir uma maior quantidade de posições ao longo da cadeia molecular para o efeito dipolo, e, portanto mais altos serão seus pontos de fusão e ebulição (figura 04). O ponto de fusão é dado pela seguinte equação:

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onde Tf é a temperatura absoluta de fusão (dada em K) e n é o número de átomos de carbono.

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Figura 04: Temperatura de fusão x tamanho da molécula. A curva tende assintoticamente para o valor de 145 oC.

Os hidrocarbonetos insaturados apresentam ligações duplas entre os átomos de carbono, ocorrendo a não saturação de hidrogênio. Eles são importantes durante a polimerização, onde ocorre a quebra das ligações duplas dos monômeros e a formação de duas ligações simples (figura 05).

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Figura 05: Polimerização do etileno. A ligação dupla do monômero de etileno é quebrada dando origem a duas ligações simples entre meros.

2.5 - Isômeros:

São moléculas que apresentam a mesma composição química, porém, arranjos atômicos diferentes. Essa diferença no arranjo afeta as propriedades, devido à diferença na polarização. Como exemplo, podemos citar o álcool propílico, com ponto de fusão e ebulição de -127 e 92,7 ºC, respectivamente, e o isopropílico com -89 e 82,3 ºC (figura 06).[pic 9]

Figura 06: Isômeros do Propanol: a) Álcool propílico; b) Álcool isopropílico.

3 - ESTRUTURAS AMORFAS:

São estruturas que não apresentam nenhuma regularidade interna, ao contrário dos cristais. Sob esse tipo de estrutura se arranjam principalmente os gases, os líquidos e os vidros.

3.1- Gases:

Não se consegue encontrar qualquer regularidade estrutural em um gás. As interações por colisões são momentâneas e elásticas.

Um gás apresenta movimentos independentes, preenchendo um determinado espaço e exercendo uma pressão sobre a sua vizinhança. A pressão P de um gás depende do volume ocupado V, da temperatura T e do número de moles presente n, segundo a relação PV = nRT. Um mol (6,02 x 1023 moléculas) de um gás ocupa 22,4 litros a 0 oC e 1 atm (R é a constante universal dos gases e é igual a 0,082 l.atm/mol.K ou l,987 cal/mol.K).

Exemplo 01: a) Calcular a densidade do etano a 20 oC e 740 mm de Hg . b) Qual é o volume (Å3) por molécula?

a) Cálculo da densidade:

Considerando 1 mol da substância:

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b) Cálculo do volume de uma molécula:

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3.2 - Líquidos:

Os líquidos não apresentam ordem em grandes distâncias, podendo ser encontrada em pequenas distâncias alguma regularidade semelhante aos cristais. A densidade e o fator de empacotamento diferem-se ligeiramente do cristal sólido. A água é uma exceção, pois expande ao solidificar-se, tendo como conseqüência um abaixamento na densidade. Isso ocorre devido a aparecerem ligações direcionais de forma que os átomos de hidrogênio servem de pontes entre as moléculas adjacentes e os átomos de oxigênio se repelem mutuamente.

3.3 - Vidros:

Os vidros são líquidos a altas temperaturas. Quando o vidro é super-resfriado, ocorre uma contração térmica, causada pelo rearranjo atômico com fator de empacotamento mais eficiente. Eles serão melhores estudados no Capítulo 06, referente às cerâmicas.

4 - ESTRUTURAS CRISTALINAS:

Os metais se cristalizam em 100 %, as cerâmicas em 90 % e os polímeros em 70 % com os 30 % restante sendo vítreo. Os átomos destes materiais, durante a solidificação, formam arranjos atômicos em três dimensões que são chamados de cristais. Estes arranjos atômicos são repetitivos devido à coordenação atômica. Analisando o empacotamento atômico do NaCl, por exemplo, vê-se a formação de uma estrutura cúbica. Pela relação de raios, tem-se:

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Isto significa que cada íon de Na+ está cercado por 6 íons de Cl- e cada íon de Cl- contém 6 íons de Na+ ao seu redor. Esta configuração mostra a formação de um cubo, chamado de célula unitária (figura 07).

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Figura 07: Célula unitária do NaCl.

Existem sete sistemas cristalinos (tabela 05). Qualquer empacotamento atômico deve se encaixar em um destes sistemas formando 14 redes chamadas de Redes de Bravais (figura 08).

Sistema

Eixos

Ângulos Axiais