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INSTITUIÇÃO DE ENSINO ANHANGUERA / UNOPAR Lucas Jardim De Moraes Bacharelado Engenharia Civil Disciplina AULA PRÁTICA QUIMICA E CIÊNCIA DOS MATERIAIS Uruguaiana, Rs 2025 Lucas Jardim De Moraes Relatório de aula prática AULA PRÁTICA QUIMICA E CIÊNCIA DOS MATERIAIS Trabalho de Engenharia Civil apresentado à Universidade Anhenguera/unopar, como requisito parcial para a obtenção de média na disciplina de Química e Ciência dos Materiais Uruguaiana, Rs 2025 Sumario 1 INTRODUÇÃO.......................................................................................................3 2 DESENVOLVIMENTO...........................................................................................4 2.1 Aula prática 1......................................................................................................4 2.1.1 Introdução à prática........................................................................................4 2.1.2 Procedimentos realizados..............................................................................4 2.1.3 Análise de resultados e conclusão.................................................................6 2.2 Aula prática 2......................................................................................................7 2.2.1 Introdução à prática........................................................................................7 2.2.2 Procedimentos realizados..............................................................................7 2.2.1 Análise de resultados e conclusão.................................................................8 2.3 Aula prática 3......................................................................................................9 2.3.1 Introdução à prática........................................................................................9 2.3.1 Análise de dados e conclusão......................................................................11 2.4 Aula prática 4....................................................................................................12 2.4.1 Introdução à prática......................................................................................12 2.4.2 Procedimentos realizados............................................................................13 2.4.3 Análise de dados, resultados e conclusão...................................................13 3 CONCLUSÃO......................................................................................................16 REFERÊNCIAS.........................................................................................................18 1 INTRODUÇÃO A atividade prática proposta oferece uma visão abrangente e integrada dos diversos fatores que influenciam o comportamento e as propriedades dos materiais em diferentes situações. Para este roteiro, foram sugeridas quatro atividades práticas, todas utilizando laboratórios virtuais. A primeira atividade se dedica à exploração da estrutura atômica e à análise dos diferentes estados da matéria: gases, líquidos e sólidos. Por meio de ferramentas práticas e simulações virtuais, foi possível investigar como a estrutura atômica impacta o comportamento dos materiais em cada um desses estados. Isso torna mais fácil a compreensão dos conceitos de massa, densidade e volume, além de abordar a relação existente entre eles. Na segunda atividade, foram realizados experimentos focados no estudo das reações químicas que ocorrem em soluções aquosas. Essa experiência possibilitou a observação e a análise das reações ácido-base e de neutralização, promovendo uma compreensão mais profunda dos conceitos de solubilidade, concentração e cinética das reações discutidas nos materiais da disciplina. A terceira atividade tem como foco a visualização das estruturas cristalinas, investigando a organização dos átomos em diferentes sistemas cristalinos, como cúbica simples (CS), cúbica de corpo centrado (CCC) e cúbica de face centrada (CFC). Através dessa investigação, observamos como cada uma dessas estruturas reage a diferentes estímulos. Por fim, a última atividade se concentra na classificação e análise das propriedades dos materiais metálicos. Utilizando simulações e analisando dados obtidos em ensaios de tração, foram exploradas as propriedades mecânicas dos metais, incluindo a tensão máxima, ductilidade e módulo de elasticidade. O relatório a seguir apresenta de maneira concisa todas as informações coletadas, assim como os resultados dos cálculos propostos e a resolução das questões apresentadas. 2 DESENVOLVIMENTO 2.1 AULA PRÁTICA 1 2.1.1 Introdução à prática. A atividade prática dedicada à Estrutura Atômica e aos Estados da Matéria tem como objetivo explorar e entender as propriedades fundamentais dos três estados físicos: gases, líquidos e sólidos. Durante o experimento, o foco específico foi a análise da densidade da água destilada, utilizando diversos instrumentos de medição, como a proveta e o béquer, que foram os principais equipamentos empregados. A densidade, uma propriedade intensiva da matéria, representa a relação entre massa e volume, sendo essencial para caracterizar as substâncias. Ao medir a massa e o volume da água destilada, conseguimos calcular sua densidade e compará-la com o valor teórico apresentado no início do experimento. Essa comparação proporcionou uma compreensão mais profunda sobre a organização molecular em diferentes estados da matéria: líquido, gasoso e sólido. O principal objetivo do experimento foi estabelecer uma conexão entre a massa e o volume dos líquidos, utilizando a plataforma disponibilizada para a simulação do experimento no Laboratório Virtual Algetec. 2.1.2 Procedimentos realizados. Primeiramente, foi realizada a identificação das vidrarias que seriam utilizadas no experimento: pipeta graduada, proveta, béquer de 50 ml e 250 ml. Para as medições, empregamos uma balança analítica e um pipetador de borracha. Para medir o volume de massa, começamos com 10 ml de água destilada, que foi retirado com a pipeta e colocado no béquer de 50 ml. Antes disso, pesamos o béquer vazio e, em seguida, pesamos o béquer contendo os 10 ml de água na balança analítica. A balança foi tarada para garantir que a massa do recipiente fosse descontada, permitindo que a medição da água fosse a mais precisa possível. Vale destacar que a temperatura do laboratório estava em 25 °C. Cálculos: Massa da Água na Proveta. Massa da proveta + 15 mL de água: Mproveta+água = 45g Massa da proveta vazia: Mproveta = 30g Mágua = 45g − 30g = d = m V 45g - 30g= 15g Massa da Água no Béquer Massa do béquer + 15 mL de água: Mbéquer+água = 35g Massa do béquer vazio: Mbéquer = 20g 35g - 20g =15g Densidade da água destilada d = m/V Proveta d = 15g = 1g/ml 15ml Béquer d = 15g = 1g/ml 15ml Após os cálculos a massa da água foi determinada com 15g em ambos os casos (proveta/béquer). A densidade da água destilada, a partir das massas e dos volumes medidos é de 1g/ml para ambos os casos. Os resultados em questão estão de acordo com o valor esperado para a densidade da água destilada à temperatura do ambiente costada por 25C°. Tabela 1 Vidrarias Proveta 50ml Bequér Massa vidraria seca (g) 30 g 20g Massa de vidraria + 15ml de água. 45 g 35g Massa dos 15 ml de água (g) 15 g 15 g Temperatura (° c) 25°C 25°C 2.1.3 Análise de resultados e conclusão • Com base nos seus conhecimentos, qual a vantagem de tara a balança com béquer dentro? Justifique. A vantagem observada emtarar a balança com o béquer dentro é que a massa é subtraída e descontada do total, ou seja, a massa do recipiente não é somada à massa do líquido o que torna o resultado mais preciso evitando erros de medição do líquido. • Considerando as vidrarias selecionadas, quais seriam as mais indicadas em termos de medição de volumes? Reflita sobre sua resposta. As vidrarias mais indicadas para a prática são a proveta e a pipeta graduada, que permitem medições de volume mais precisas. Isso se deve às suas marcações graduadas, que possibilitam leituras exatas, ao contrário do béquer, que não fornece uma média confiável da quantidade de líquido em seu interior. O béquer, na verdade, é mais utilizado para misturas do que para medições precisas, como as que realizamos no experimento proposto. Em suma, a prática proposta oferece uma compreensão mais clara da relação entre massa e volume, fundamental para determinar os resultados da densidade de líquidos, especialmente a água destilada. O resultado obtido alinha-se com o valor teórico esperado para a água em temperatura ambiente. Ao utilizar os materiais adequados, é possível verificar a precisão dos métodos de medição, o que reforça a importância da densidade como uma propriedade essencial na caracterização dos materiais. Isso contribui para uma melhor compreensão das propriedades macroscópicas relacionadas à organização atômica e molecular nos diferentes estados da matéria. 2.2 AULA PRÁTICA 2 2.2.1 Introdução à prática Para essa atividade o objetivo é aplicar os conceitos de reações ácido-base por meio da simulação de uma reação de neutralização, utilizando o Laboratório Virtual Algetec. O processo de neutralização ocorre quando um ácido reage com uma base, resultando na formação de água e um sal. Para determinar a concentração de um ácido ou uma base em solução, utiliza-se o método de titulação. Neste experimento, a aspirina, que é o ácido acetilsalicílico, será empregada como o ácido, enquanto uma solução de hidróxido de sódio (NaOH) será utilizada como a base para a titulação. O foco principal da atividade é entender os procedimentos necessários para a titulação e calcular a quantidade de ácido presente em um comprimido de aspirina, utilizando os dados coletados ao longo do experimento. 2.2.2 Procedimentos realizados Primeiramente foi realizada a escolha do comprimido de Aspirina contendo 1000mg. Foi preparada a balança tarando o vidro e pesando o comprimido que logo a pós foi dissolvido com 20ml de água, foi adicionado também 20ml de álcool etílico 99,5%, foi adicionado também 3 gotas de solução alcoólica de fenolftaleína no Erlenmeyer preparando a solução para a titulação. Foi preparado a solução de Hidróxido de Sódio (NaOH) 0,1mol/L transferindo 50ml para a bureta. Durante a titulação apresentou -se mudança na cor da solução quando atingiu a cor rosa foi anotado o volume de NaOH gasto, o que foi feito mais vezes para obter mais resultados -Escolha comprimido: opção 2 ( massa aproximada: 2mg) Tabela 2- Dados da titulação Titulação Volue de NaoH gastos (ml) Concentração de NaoH (mol /L) Numero de Mols de NaOH 1° 18,5 0,1 0,00185 2° 18,7 0,7 0,00187 3° 18,6 0,1 0,00186 Cálculos: Números de mols de NaOH NNaOH = 0,1mol/L × 0,0185L = 0,00185mo N NaOh= M NaOh x V NaOh Para a primeira titulação: N NaOH= 0,1mol/lx 0,0185l = 0,00185mol Massa de ácido acetilsalicílico (ASS) na amostra M ASS= N ASS. 180 Para a primeira titulação: M ASS= 0,00185molx180g/mol= 0,333g 2.2.1Análise de resultados e conclusão A média do volume de NaOH gasto nas titulações foi de 18,6ml resultando em uma média de 0,00186mol de NaOH utilizando para neutralizar o ácido acetilsalicílico do comprimido. A massa mpedia de ácido acetilsalicílico foi calculada como sendo 0,335g. • Por que, no processo de titulometria, é importante a que a reação seja rápida? Para garantir que o ponto de equivalência seja atingido a reação precisa ser rápida, sem que ocorra decomposição dos reagentes ou produtos, pois se isso ocorresse poderia alterar a precisão dos resultados. • Explique por que foi necessário acrescentar álcool etilico 99,5% ao Erlenmeyer? O mesmo auxilia na dissolução completa do comprido de aspirina no solvente, para que assim todo o ácido acetilsalicílico esteja disponível para efetuar a reação de neutralização. • Por que, no processo de titulometria, é importante que a solução contida na bureta seja adicionada lentamente ao Erlenmeyer? O titulante deve ser adicionado ao recipiente lentamente, permitindo que a equivalência seja identificada com precisão. Isso ajuda a evitar a adição excessiva do titulante, resultando em dados mais concisos e exatos. Dessa forma, foi possível colocar em prática e entender todos os procedimentos envolvidos na titulação ácido-base, permitindo calcular a quantidade de ácido acetilsalicílico presente em um comprimido de Aspirina com uma boa precisão. A simulação destacou a importância de controlar rigorosamente a adição do titulante para alcançar resultados mais precisos, o que foi confirmado pelos cálculos realizados, reforçando a eficácia do método de titulação na determinação da concentração das substâncias em solução. 2.3 AULA PRÁTICA 3 2.3.1 Introdução à prática As estruturas cristalinas desempenham um papel fundamental na compreensão das propriedades físicas e químicas dos sólidos. Elas representam a disposição dos átomos em um arranjo tridimensional regular e repetitivo. Dentre as várias classificações de estruturas cristalinas, as cúbicas são particularmente relevantes, pois sua simplicidade e a presença em muitos materiais, especialmente nos metais, as tornam bastante significativas. Neste experimento, vamos investigar três tipos principais de estruturas cúbicas: a Cúbica Simples (CS), a Cúbica de Corpo Centrado (CCC) e a Cúbica de Face Centrada (CFC). Utilizando o software CrystalWalk, conseguimos criar representações visuais dessas estruturas e analisar como os átomos se organizam nas células unitárias. Essa análise é essencial para entender como a estrutura afeta as propriedades dos materiais. Estrutura cristalina cúbica de face centrada (CFC) Estrutura cristalina cubica simples (CS) Estrutura Cristalina de Corpo Centrado (CCC) 2.3.1 Análise de dados e conclusão Através do uso do software CrystalWalk, foi possível observar e analisar as diferentes disposições atômicas nas estruturas cristalinas: cúbica simples (CS), cúbica de corpo centrado (CCC) e cúbica de face centrada (CFC). Cada uma dessas configurações apresenta características únicas que influenciam as propriedades físicas e mecânicas dos materiais que as compõem: • Estrutura Cúbica Simples (CS): Nesta estrutura, os átomos estão localizados apenas nos vértices do cubo, resultando em uma baixa densidade atômica. Como cada átomo nos vértices é compartilhado entre oito células unitárias, a fração de volume ocupado pelos átomos é relativamente pequena. Essa configuração é menos comum entre os metais devido à sua baixa densidade de empacotamento. • Estrutura Cúbica de Corpo Centrado (CCC): Aqui, além dos átomos localizados nos vértices, há um átomo central que não é compartilhado com outras células unitárias. Isso resulta em uma densidade atômica maior em comparação com a CS. A presença do átomo central melhora a coesão entre os átomos, proporcionando propriedades mecânicas mais robustas, como maior resistência e dureza, características observadas em metais como o lítio. • Estrutura Cúbica de Face Centrada (CFC): Esta estrutura é mais complexa, pois possui átomos nos vértices e no centro de cada face do cubo. Essa disposição permite a maior densidade de empacotamento entre as três estruturasanalisadas. A distribuição uniforme dos átomos em todas as direções confere a essa estrutura excelente propriedades mecânicas e uma alta densidade, como evidenciado em metais como o níquel. Essa configuração torna a estrutura CFC a mais eficiente em termos de ocupação do espaço, resultando em materiais com alta ductilidade e resistência à deformação. Em resumo, a prática ofereceu uma visualização clara e didática das estruturas cristalinas cúbicas, destacando as diferenças entre as configurações CS, CCC e CFC. A construção das células unitárias no software CrystalWalk permitiu observar como a disposição atômica impacta a densidade atômica e, consequentemente, as propriedades dos materiais. Por exemplo, a estrutura CFC demonstrou a maior densidade atômica devido à presença de átomos em cada face do cubo, enquanto a estrutura CS revelou a menor densidade, com átomos localizados apenas nos vértices. Essa atividade contribuiu para um entendimento mais profundo da relação entre a estrutura atômica dos materiais e suas propriedades físicas, um conhecimento essencial no campo da Ciência dos Materiais. 2.4 AULA PRÁTICA 4 2.4.1 Introdução à prática A atividade prática de hoje concentrou-se na análise das propriedades mecânicas de um material metálico, por meio da construção e interpretação de um diagrama tensão/deformação. O ensaio de tração é uma técnica essencial para avaliar a resistência e a ductilidade dos materiais, fornecendo informações cruciais sobre como eles se comportam quando submetidos a cargas. Durante o ensaio, um espécime do material metálico foi estirado até a fratura, e as medições de força e elongação foram cuidadosamente registradas. O gráfico resultante, que relaciona a tensão (força por unidade de área) à deformação (mudança relativa de comprimento), revela não apenas a resistência máxima do material, mas também sua capacidade de deformar antes de romper. Esse diagrama é dividido em várias regiões, incluindo a zona elástica, onde o material retorna à sua forma original após a remoção da carga, e a zona plástica, onde ocorrem deformações permanentes. O uso do software MDSolids foi fundamental para visualizar e analisar detalhadamente os dados experimentais. Por meio dele, foi possível criar gráficos precisos e interpretar as características mecânicas do material estudado de maneira mais clara. O software permite não apenas a visualização dos resultados, mas também a simulação de diferentes cenários de carga, o que contribui para uma melhor compreensão de como o material se comporta sob diversas condições. 2.4.2 Procedimentos realizados Para a atividade em questão foi utilizado o software MDSolids, foi inserido ao mesmo os dados de força e deformação, para tração: Força (N): 0, 200, 400, 600, 800, 1000, 1200, 1400, 1600, 1800, 2000, 2200, 2400, 2600, 2600, 2800, 3000, 3500, 4000, 4500, 5000, 5300, 5000, 4800, 4500. Deformação (mm): 0,0000, 0,0125, 0,0250, 0,0375, 0,0503, 0,0631, 0,0759, 0,0887, 0,1015, 0,1143, 0,1271, 0,1671, 0,2071, 0,2571, 0,3071, 0,4371, 0,5171, 0,6071, 0,7595, 0,9571, 1,1571, 1,4571, 1,8571, 2,2571, 2,6571. Ajustado a tabela para 25 linhas, de acordo com o número de dados fornecidos. Unidades das grandezas: Força (force) em Newton (N). Comprimento (length) em milímetros (mm). Pressão (stress) em mega Pascal (MPa). Deformação (strain) em milímetro por milímetro (mm/mm). Comprimento efetivo do corpo de prova (gage length) de 300 mm e a área de 7,07 mm². Após inserir todos os dados, "Plot" para gerar o diagrama tensão/deformação do material. 2.4.3 Análise de dados, resultados e conclusão com base nos dados experimentais obtidos, foi possível construir o diagrama tensão/deformação utilizando o software MDSolids. Essa análise permitiu um entendimento mais profundo das propriedades mecânicas do material metálico em questão. Os principais aspectos examinados foram: • Ductilidade ou Fragilidade do Material: A análise do diagrama revelou que o material apresentou um alongamento considerável antes da ruptura, indicando que se trata de um material dúctil. Materiais dúcteis, como o aço, têm a capacidade de se deformar significativamente sob carga antes de falhar, o que é claramente observado pela extensão da curva de deformação no gráfico. Essa propriedade é crucial em aplicações que exigem deformação sem fratura, como em estruturas sujeitas a impactos. • Valores de Tensão Máxima e Tensão de Ruptura: • Tensão Máxima: O valor máximo de tensão registrado foi de 5300 MPa, representando o limite superior que o material suportou sem falhar. • Cálculo do Módulo de Elasticidade: O módulo de elasticidade foi determinado a partir da inclinação da parte linear da curva tensão/deformação, calculada em 150 MPa. Essa inclinação reflete a região elástica do material, onde ele se comporta de maneira linear e reversível sob carga. Esse aspecto é fundamental para projetos de engenharia, onde se busca previsibilidade no comportamento dos materiais. Os resultados obtidos indicam que o material analisado possui boa ductilidade, evidenciada por sua capacidade de se deformar significativamente antes da ruptura. Os altos valores de tensão máxima e de ruptura sugerem que o material é bastante resistente à tração, tornando-o adequado para aplicações que exigem alta resistência a forças externas. O módulo de elasticidade calculado fornece uma visão sobre a rigidez do material, um parâmetro vital para entender como ele se comportará sob diferentes tipos de carga e em várias condições operacionais. A atividade prática demonstrou a importância da análise do diagrama tensão/deformação para a caracterização de materiais metálicos. Com o uso do software MDSolids, foi possível construir um diagrama detalhado e interpretar as principais propriedades mecânicas do material de forma eficaz. A análise revelou que o material é dúctil, com alta resistência e uma capacidade significativa de deformação antes da falha, características essenciais em muitas aplicações industriais. O módulo de elasticidade forneceu informações importantes sobre a rigidez do material, sendo fundamental para aplicações que exigem um comportamento previsível sob carga. Esses dados são cruciais para a seleção e o uso adequado de materiais em diversas aplicações de engenharia, desde estruturas civis até componentes de máquinas e equipamentos. O entendimento profundo das propriedades mecânicas não apenas otimiza o desempenho dos produtos, mas também garante segurança e durabilidade em seu uso. A prática reforça a conexão entre teoria e aplicação, preparando os alunos para os desafios futuros na engenharia e nas ciências dos materiais. 3 CONCLUSÃO A realização das atividades propostas no roteiro de aula prática de Química e Ciência dos Materiais proporcionou uma compreensão aprofundada dos conceitos fundamentais relacionados aos materiais e suas propriedades. Cada uma das atividades contribuiu para a formação de um conhecimento sólido e interligado sobre diversos aspectos dessa área de estudo. A análise dos estados da matéria e da estrutura atômica foi particularmente reveladora, permitindo observar como a organização dos átomos afeta as propriedades físicas dos materiais. A prática deixou claro o papel crucial da estrutura atômica na determinação das características dos gases, líquidos e sólidos, reforçando a relação essencial entre massa, volume e densidade. Por exemplo, a densidade, uma propriedade intensiva, é fundamental para prever como diferentes materiais se comportarão sob diversas condições, algo vital em aplicações industriais e de engenharia. O estudo das reações químicas em soluções aquosas revelou a complexidade das reações ácido-base e de neutralização. Fatores como concentração,temperatura e a natureza dos reagentes foram analisados, evidenciando como essas variáveis influenciam a velocidade das reações e a eficiência dos processos de titulação. A análise dos resultados experimentais proporcionou uma compreensão prática dos conceitos de solubilidade e cinética das reações, que são essenciais na aplicação da química em ambientes laboratoriais e industriais. A construção e análise das estruturas cristalinas com o software CrystalWalk permitiram uma visualização clara e intuitiva das diferentes disposições atômicas nas estruturas cúbicas simples, de corpo centrado e de face centrada. Essa atividade não apenas facilitou a compreensão teórica, mas também promoveu um entendimento prático sobre como essas configurações atômicas influenciam as propriedades mecânicas dos materiais. Além disso, a análise dos dados de ensaios de tração de materiais metálicos possibilitou avaliar suas propriedades mecânicas, como ductilidade, tensão máxima e módulo de elasticidade. Esses resultados são cruciais para classificar os metais e entender seu comportamento sob diferentes condições de carga, impactando diretamente suas aplicações em engenharia, construção civil e outras áreas. Em suma, o roteiro de aula prática ofereceu uma visão abrangente e prática das propriedades dos materiais e das reações químicas, destacando a importância da integração entre teoria e prática na compreensão da ciência dos materiais. O conhecimento adquirido nas atividades não só prepara os alunos para aplicar esses conceitos em contextos acadêmicos, mas também os capacita a enfrentar desafios profissionais, contribuindo para o desenvolvimento de soluções inovadoras e eficazes na área da química e ciência dos materiais. Essa base sólida será fundamental para futuras investigações e para a aplicação de princípios científicos em situações do mundo real. REFERÊNCIAS ALGETEC: Laborat>rios Virtuais Algetec. Disponível em: https://www.algetec.com. Br/br/laboratoriosvirtuais. CRYSTALWALK. CrystalWalk. Disponível em: https://crystalwalk.herokuapp.com/.