QUÍMICA
A Ciência Central
9ª Edição
Capítulo 12
Materiais modernos
David P. White
© 2005 by Pearson Education
Capítulo 12
Cristais líquidos
• 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 179C é
transparente. Entre 145C e 179C o benzoato de colesterol é
leitoso e possui comportamento líquido cristalino.
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Capítulo 12
Cristais 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).
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Capítulo 12
Cristais líquidos
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Capítulo 12
Cristais líquidos
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.
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Capítulo 12
Cristais líquidos
Tipos de fases líquidas cristalinas
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Capítulo 12
Cristais líquidos
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.
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Cristais líquidos
Tipos de fases líquidas cristalinas
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Capítulo 12
Polímeros
• 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.
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Polímeros
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Capítulo 12
Polímeros
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.
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Polímeros
Polimerização por condensação
• Polimerização por condensação: as moléculas ligam-se por meio da
eliminação de uma molécula pequena (por exemplo, a água):
O
H O
N H + H O C
N C
H
+ H O H
• Exemplo de polimerização por condensação: a formação do náilon.
• As propriedades físicas dos polímeros podem ser previstas através
do entendimento da estrutura dos polímeros.
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Capítulo 12
Polímeros
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.
Polímeros
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.
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Capítulo 12
Polímeros
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).
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Capítulo 12
Polímeros
Estruturas e propriedades físicas dos polímeros
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Capítulo 12
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.
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Polímeros
Polímeros de ligação cruzada
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Polímeros
Polímeros de ligação cruzada
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Capítulo 12
Biomaterias
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.
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Capítulo 12
Biomaterias
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Capítulo 12
Biomaterias
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.
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Biomaterias
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.
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Biomaterias
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.
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Biomaterias
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.
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Biomaterias
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.
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Biomaterias
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.
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Capítulo 12
Biomaterias
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.
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Capítulo 12
Cerâmicas
• 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).
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Capítulo 12
Cerâmicas
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Capítulo 12
Cerâmicas
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).
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Capítulo 12
Cerâmicas
Processamento de cerâmicas
Ti(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.
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Cerâmicas
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.
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Cerâmicas
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.
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Capítulo 12
Supercondutividade
• 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.
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Capítulo 12
Cerâmicas
Óxidos cerâmicos supercondutores
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Capítulo 12
Cerâmicas
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Capítulo 12
Filmes finos
• 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.
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Capítulo 12
Filmes 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.
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Capítulo 12
Filmes finos
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.
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Capítulo 12
Filmes finos
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.
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Capítulo 12
Filmes finos
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Capítulo 12
Filmes finos
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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Capítulo 12
Fim do Capítulo 12
Materiais modernos
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Capítulo 12