UERJ CRR FAT
Disciplina
CIÊNCIA DOS MATERIAIS
A. Marinho Jr
Tópico 8 Fases moleculares
Introdução
As propriedades dos materiais dependem do arranjo dos seus átomos, formando as
estruturas, que podem ser:
moleculares, isto é agrupamento de átomos e moléculas
cristalinas, isto é, um arranjo repetitivo de átomos
amorfas, isto é, sem nenhuma regularidade.
No presente tópico, falaremos sobre as estruturas moleculares.
Estruturas moleculares
Uma molécula é um numero limitado de átomos fortemente ligados entre si, mas as
forças de ligação entre uma molécula e as demais são fracas. As forças intramoleculares
são muito fortes, em geral de ligações covalentes, mas as forças intermoleculares são
forças fracas de Van der Waals. Os exemplos mais comuns de moléculas são H 2O,
CO2, O2, CCl4, N2 e HNO3. As observações acima são apoiadas nos seguintes fatos:
pontos de ebulição e fusão de cada um desses compostos são baixos
os sólidos moleculares são moles, porque as moléculas podem escorregar umas
em relação às outras com aplicação de pequenas tensões
as moléculas permanecem intactas, quer na forma liquida, quer na forma gasosa.
Os elementos mais comumente encontrados nas moléculas são os não-metais e o
hidrogênio. O carbono é o elemento não-metálico mais importante; além dele, o
oxigênio, nitrogênio, silício, enxofre e os halogênios podem estar presentes.
Numero de ligações
Exceto para o hidrogênio e o Helio, o numero de ligações, N, é dado por:
N=8–G
Onde G é o grupo da tabela periódica
Comprimentos e energia de ligação
Ligações duplas e triplas são mais curtas e requerem mais energia para serem rompidas.
Ângulos entre ligações
Ângulos entre as ligações dos átomos que intervêm: água liquida ou gasosa: 105º para
o ângulo cujo vértice é o átomo de oxigênio; cadeias parafínicas, angulo C-C-C é de
109º.
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Isômeros
Em moléculas de mesma composição, mais de um arranjo atômico é possível, como por
exemplo o alcool propílico e o isopropílico. São os isômeros. Tais diferenças afetam as
propriedades das moléculas, pois a polarização molecular é alterada.
Hidrocarbonetos saturados
O menor hidrocarboneto é o metano, CH4. Mais e mais átomos de carbono e de
hidrogênio podem ser adicionados para produzir moléculas cada vez maiores. Essas
moléculas, Cn H2n+2, são as parafinas, onde todas as ligações são pares de elétrons
covalentes. Assim, cada carbono é cercado por quatro átomos vizinhos, sem
possibilidade de se adicionar novos átomos à cadeia, que é dita saturada. Moléculas
grandes tem relativamente maiores forças de atração de Van der Waals, necessitando de
mais energia que uma molécula pequena para removê-la do campo de atração da
molécula adjacente. Ex.: a parafina contem cerca de trinta átomos de carbono por
molécula e é relativamente rígida à temperatura ambiente, enquanto que um
combustível com base em hidrocarbonetos, cujas moléculas contem menos de 15
átomos de carbono, são líquidos ou gases. O plástico polietileno é, essencialmente, um
hidrocarboneto com muitos milhares de átomos de carbono.
Hidrocarbonetos insaturados
Moléculas com ligações múltiplas carbono-carbono são chamadas insaturadas. Elas tem
grande aplicação na polimerização de pequenas moléculas em uma maior.
Moléculas poliméricas
Um polímero é uma grande molécula constituída por pequenas unidades que se repetem,
denominadas meros. Em sua maioria, os materiais que denominamos plásticos são
constituídos por moléculas poliméricas, no caso macromoléculas. Se conhecermos a
estrutura dos meros que se repetem, podemos descrever a estrutura de moléculas muito
grandes. A maior parte dos polímeros se origina de uma combinação de monômeros.
Os plásticos são materiais de grande importância. Além de sua baixa densidade,
permitem a obtenção de formas geométricas complicadas, com as propriedades
desejadas, usando um mínimo de trabalho. Eles constituem uma das áreas de materiais
de maior crescimento, desenvolvimento e aplicações.
Os polímeros não se cristalizam facilmente, porque grandes moléculas tem dificuldades
de os átomos de se organizarem em estruturas ordenadas. Além disso, as ligações
intermoleculares são relativamente fracas. Os materiais poliméricos são isolantes
elétricos porque não possuem elétrons livres. Devido aos fatores acima, as propriedades
e o comportamento em serviço dos plásticos diferem dos metais em vários aspectos.
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Macromoléculas
Substâncias orgânicas tem servido como materiais de engenharia há muito tempo, como
é o caso da madeira, do couro, da cortiça, dos óleos lubrificantes e das fibras e resinas.
Muitas substâncias orgânicas sintéticas foram desenvolvidas, como o caso dos plásticos,
permitindo aos engenheiros uma variedade cada vez maior de aplicações. Quando um
engenheiro está trabalhando com materiais orgânicos naturais ou sintéticos ele está, em
primeiro lugar, lidando com as propriedades e a natureza de moléculas grandes, ou
macromoléculas.
Dimensões moleculares
Existe uma relação entre o tamanho molecular e as propriedades dos polímeros, como se
pode ver nos exemplos da figura 08.1 a seguir:
Figura 08.1 Propriedades de um polímero em função de seu tamanho molecular
Para expressar o tamanho de uma molécula, em função de sua massa, usa-se o grau de
polimerização, n , expresso por:
n = massa molecular do polímero / massa molecular do mero
A massa de um polímero é simplesmente o produto da massa do mero pelo numero de
meros da molécula. Por exemplo, se uma molécula de PVC (Cloreto de Poliviníla)
contem 500 meros de cloreto de vinila ( C2H3Cl ), cada um dos quais tem 2x12 + 3x1 +
35,5 62,5 u.m.a. , então a massa total do polímero será 500 x 62,5 = 31.250 u.m.a. O
PVC, com massa 31.250 e grau de polimerização 500, situa-se entre os polímeros
comerciais onde o numero de meros varia de 75 a 1000.
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Distribuição do tamanho molecular e comprimento molecular
Num polímero, nem todas as moléculas formadas são de mesmas dimensões, de modo
que é comum falar-se em um grau médio de polimerização para cada material. Os
tamanhos moleculares seguem uma distribuição estatística. O comprimento médio de
uma molécula também pode ser calculado, mas os ângulos de ligação devem ser levados
em conta, uma vez que ligações simples como as das cadeias carbônicas, podem girar,
como mostra a figura 08.2 a seguir:
Figura 08.2 Rotação da ligação no Butano. A distância a-d varia para a-d´.
A agitação térmica faz com que uma molécula esteja constantemente retorcida e em
mutação, como se vê na figura 08.3. A conformação retorcida torna-se importante
porque é a base para estudar-se a contração e tração em borrachas.
Figura 08.3 Conformação retorcida. O comprimento médio é relativamente menor.
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Polímeros lineares
Moléculas grandes numa só dimensão fazem a base dos polímeros mais comuns. Esses
incluem as polivinilas, que têm a estrutura abaixo como mero:
R é um dos grupos mostrados na figura 08.4 a seguir:
Figura 08.4 Moléculas tipo vinil
Revisão 00 Março de 2009
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