1 1 matéria e energia

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Química Geral
Química Geral
1.1 Matéria e Energia
Prof. Dr. Ana Carolina Tedeschi Gomes Abrantes
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Química Geral
A DisciplinaLivro Texto
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Química Geral
A DisciplinaO que estuda a química?
Química é a ciência que estuda a estrutura dassubstâncias, a composição e as propriedades dasdiferentes matérias, suas transformações e variaçõesde energia.
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Por que estudar química?Hein?
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Passei em Engenharia naUninter! Maravilha!Agora só projetos!
Mas... O quê é isso?Química?De novo?
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Por que estudar química? A química permitiu grandes avanços (1/3)
• Por exemplo, na área da engenharia da computação/eletrônica aquímica possibilitou :• criação de computadores cada vez menores e mais rápidos;• discos rígidos e memórias de maior capacidade;• telas de vídeo cada vez melhores.
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“A química tem um papel muito, muito importante na computação. É ela que nos possibilita atingir nosso objetivo de aumentar velocidade de processamento usando cada vez menos energia”.
Ghavam ShahidiDiretor da Silicon Technology, IBM Research
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Por que estudar química? A química permitiu grandes avanços (2/3)
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ENIAC (1946)- Primeiro computador digital eletrônico- 30 ton, 25m de compr., 5.5m de altura- Sem sistema operacional- Funcionava como uma calculadora
Primeiro PC (1981)- Personnal Computer, da IBM- 16 a 64Kb de RAM, 4.77 MHz- Disco flexível de 360 Kb
Computadores atuais- Altamente portáteis- 1 a 4 Gb de RAM, 1 a 2 GHz- Discos rígidos de 250 Gb
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Por que estudar química? A química permitiu grandes avanços (3/3) 
• E o engenheiro de produção neste contexto?
• Seu trabalho principal é garantir que todos os produtossejam fabricados com a máxima eficiência e qualidade, deacordo com protocolos planejados usando a tecnologiaapropriada.
• Assim, o engenheiro de produção tem que ter condiçõesmínimas para avaliar aspectos tecnológicos envolvidosnos processos de produção de modo a poder validá-los, oque inclui também aspectos químicos.
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Por que estudar química? Microprocessadores: o transistor (1/4)
• Principal responsável pela revolução da eletrônica na década de 1960.• Utilizados principalmente como amplificadores einterruptores de sinais elétricos.• O termo vem de transfer resistor(resistor/resistência de transferência), como era conhecido pelos seus inventores.
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Por que estudar química? Microprocessadores: o transistor (2/4)
Os transistores são a base dos microprocessadores.
• As CPUs de hoje são mais rápidas devido ao grande número de transistores.
• Um transistor pode simular dois estados: on/off (1/0).
• Muitos transistores podem gerar grandes sequências de 0s e 1s (010010101001010....).
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Por que estudar química? Microprocessadores: o transistor (3/4)
A linguagem interna do computador é binária.
• Dados são manipulados e guardados no computadorcomo sequências de 0s e 1s (010010101001010....).
• Assim, quanto mais transistores, mais dados podem sertratados pela máquina digital em sua CPU.
• primeiro microprocessador (Intel 4004): 2.300 transistores.
• Microprocessadores atuais:  100.000.000 transistores.
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Por que estudar química? Microprocessadores: o transistor (4/4)
• Estrutura.
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N P N+ -ICN P N+ -
+
IB  IC/100
Silício dopado com antimônio
Elétrons livres
“buracos” de elétrons
Silício dopado com boro
Conhecimentos envolvidos- Modelos atômicos- Ligações químicas- Semicondutores- Estruturas cristalinas
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Por que estudar química? Microprocessadores: miniaturização (1/4)
Conexão entre transistor e substrato de silício. 
• Problema: quanto menor, maior a resistência, bloqueando o fluxo de corrente.
• Solução: substituição dos metais dos “fios” da conexão.• 1980s: tungstênio.• 1990s: titânio.• Hoje: níquel.
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Nano-transistor
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Por que estudar química? Microprocessadores: miniaturização (2/4)
“Fiação” do microprocessador. 
• Problema: quanto menor, maior a resistência, bloqueando o fluxo de corrente.
• Solução: substituição dos metais da “fiação”.• Antes: alumínio.• Agora: cobre (resistência bem menor).
• Desafio transição alumínio  cobre.• Evitar corrosão (fina camada de titânio).• Colocação da “fiação” de cobre (maisdifícil que alumínio).• Reação com silício (interface de níquel).
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20 m
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Por que estudar química? Microprocessadores: miniaturização (3/4)
• Base do transistor (gate) – dielétrico de silício (SiO2).
• Espessura da ordem de átomos, permite corrente de fuga maior, aumentando consumo de energia.
• Desafio: encontrar substituto:• óxido de háfnio (HfO2)?• óxido de lantânio (La2O3)?• óxido de zircônio (ZrO2 )?
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Por que estudar química? Microprocessadores: miniaturização (4/4)
Desafios.
• Novos metais para conexão entre transistor e substrato de silício. 
• Novos metais para “fiação” do microprocessador.
• Novos óxidos para dielétrico da base (gate). 
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Conhecimentos envolvidos- Propriedades dos elementos (tabela periódica)- Estrutura cristalina- Corrosão- Semicondutores
Conhecimentos envolvidos- Propriedades dos elementos (tabela periódica)- Estrutura cristalina- Corrosão- Semicondutores
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Por que estudar química? Microprocessadores: evolução
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Por que estudar química? Discos rígidos
Ideia básica.
• Guardar “0s” e “1s” – bits - usando minúsculos imãs.
• Uma liga de cobalto, cromo e platina forma a superfíciemagnetizável do disco.
• A platina evita que os imãs (cristaisde cobalto) mudem a direção demagnetização com facilidade.
• As partículas magnéticas temdiâmetro de cerca de 10 nm(nanotecnologia).
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Por que estudar química? Discos rígidos – cabeça de leitura/gravação
• Discos confiáveis significam imãs que não alteram a sua magnetização facilmente.
• Quanto mais confiáveis, mais é exigido das cabeças de gravação para alterar a magnetização.• Inicialmente elas eram deuma liga ferro-níquel.• Posteriormente, adotou-se liga de ferro-cobalto para gerar campos magnéticosmais intensos.
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Por que estudar química? Disco rígidos – camadas
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Conhecimentos envolvidos- Propriedades dos elementos (tabela periódica)- Estrutura cristalina- Ligações químicas- Corrosão
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Por que estudar química? CD/DVD Burner (1/2)
• Discos ópticos não usam magnetização.• Laser é utilizado para leitura e gravação.• Gravação.• Laser altera pontualmente o estado de uma ligaespecial que muda de fase conforme energia incidente.• As fases tem aparência fosca e brilhante (0 e 1); emalta energia o laser derrete (queima) a superfície,tornando-a fosca.• Leitura.• Ocorre em nível de energia mais baixo do laser.• Baseado na reflexão do laser.
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Por que estudar química? CD/DVD Burner (2/2)
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Conhecimentos envolvidos- Mudança de estado - estrutura cristalina- Ligações químicas- Corrosão- Polímeros
Conhecimentos envolvidos- Mudança de estado - estrutura cristalina- Ligações químicas- Corrosão- Polímeros
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Por que estudar química? Telas de vídeo - CRT (1/2)
• As primeiras telas de vídeo eram tubos de raios catódicos (CRTs) de fósforoverde.
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Por que estudar química? Telas de vídeo - CRT (2/2)
• Para produzir cor era necessário ter as cores primárias: vermelho, verde e azul.
• Os químicos usaram várias fórmulas:• sulfito de zinco com cobre e alumínio para pixel verde;• sulfito de zinco com pratapara pixel azul;• európio, oxigênio e ítrio parapixel vermelho.
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Por que estudar química? Telas de vídeo - LCD
Liquid Crystal Display•Cientistas perceberam que algumas substâncias tinham um estado entre líquido e cristalino, ou seja, eram “cristais líquidos”.• Aplicando um campo elétrico adequado, descobriu-se que o cristal poderia ser alinhado para filtrar determinadas cores.• Desta forma, filtrando-se o verde, vermelho e azul foi possível criar os LCDs. 
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Por que estudar química? Telas de vídeo - LCD flexível
Futuro• Diodos emissores de luzorgânicos (OLEDs) permitirãomenor consumo, maior brilho,resposta mais rápida e melhorângulo de visão.• As telas serão bem mais finas, epoderão ser flexíveis!• Chave do LCD flexível: polímeroscondutores.
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Por que estudar química? Telas de vídeo - LCD flexível - OLED
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Conhecimentos envolvidos- Sólidos e líquidos: cristais- Polímeros
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Por que estudar química? Baterias
Bateria é um dos itens que mais recebe atenção dos fabricantes de notebooks.
• Desempenho é de pouca utilidade se a máquina não funcionar por períodos razoáveis.
• Na medida em que os processadores ficam mais potentes, eles consomem mais energia.• Uma bateria suficientemente boa para um processador pode ser insuficiente para outro mais moderno.
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Conhecimentos envolvidos- Eletroquímica
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Por que estudar química? Amplificadores ópticos (1/2)
• Na comunicação óptica via fibra de vidro (fibra óptica) há perda deintensidade do sinal luminoso.
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fibra ópticaTransmissor Receptor
Amplitudedo sinal
pulso de luz
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Por que estudar química? Amplificadores ópticos (2/2)
• Amplificadores ópticos de fibra dopada com érbio (EDFAs) são utilizados para recuperar sinais ópticos.
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Conhecimentos envolvidos- Propriedade dos elementos (tabela periódica)- Modelos atômicos
EDFA
energia do laser
Er3+
estado normal
estado de excitação
elétron
Ene
rgia
n=3
n=2
n=1
estado metaestável
Er3+
emissão estimulada de energia
energia do sinal atenuado
Er3+
decaimento rápido
Er3+
sinal atenuado
sinal amplificado
EDFA
fibra dopada com Erbiumacoplador direcional
luz da “bomba” laser
A energia da luz provinda do laser, propagando-se pela fibra dopada, interage com os íons Er3+, levando-os para uma condição de maior energia (n=3), instável. 
Os íons Er3+ tem uma vida curta nesse nível de energia excitado, decaindo rapidamente para um nível menos energético (n=2). A energia é liberada em forma de vibração (lattice).
No nível 2 os íons Er3+ permanecem em equilíbrio metaestável por um período relativamente longo. O decaimento desse estado para o estado normal de equilíbrio pode ocorrer espontaneamente, ou ser estimulado; nesse caso, energia luminosa com maior intensidade é liberada (fótons). O próprio sinal atenuado acaba estimulando o decaimento para o estado normal, e a energia mais intensa liberada acaba por reforçar o sinal óptico enfraquecido, aplificando-o. 
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Matéria e energiaMatéria
• Aquilo de que os corpos físicos são compostos; a substânciaconstituinte.• Aquilo que ocupa o espaço; o conteúdo em contraposição àforma.• Denominação comum aos objetos naturais que sãoutilizados ou transformados pelo trabalho do homem, tendoem vista um fim.• Substância material de um tipo específico ou voltada parauma finalidade específica.
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Matéria e energiaMatéria segundo dicionário Michaelis
• Alguma coisa que tem massa e existe como sólido, quandotem volume e forma definidos; como líquido, quando temvolume definido, mas não forma definida, uma vez queassume a forma de qualquer contêiner em que é colocada; eem estado gasoso, quando não tem nem volume nem formadefinidos, podendo expandir-se de modo a ocupar todo oespaço de um contêiner.
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Matéria e energiaComo surgiu a matéria?
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Matéria e energiaTeoria do Big Bang (1/2)
• O surgimento da matéria se deu confirme a teoria do BigBang, a grande explosão que ocorreu há 13,7 bilhões deanos.
• No início só existiam quatro energias.• A força nuclear forte.• A força nuclear fraca.• A força eletromagnética.• A força gravitacional.
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Matéria e energiaTeoria do Big Bang (2/2)
• Por um fenômeno aleatório, a força gravitacional sedesprendeu das outras três, que não mais se estabilizaram,ocasionando uma expansão rápida na forma de explosão.
• O primeiro átomo foi o hidrogênio, que é o de menor massa.Quando o gás hidrogênio se une a outro, seus núcleos sefundem e formam o Hélio.
• H1 + H1 = He2.
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Matéria e energiaPropriedades da Matéria (1/3)
• Características que, quando em conjunto, definem a espéciede matéria.
• Podem ser determinadas sem alteração essencial dasubstância.
• Ficam evidentes quando a substância sofre uma interaçãocom outra forma de matéria.
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Matéria e energiaPropriedades da Matéria (2/3)
• Inerentes.• Massa. Medida de quantidade.• Extensão. Espaço que ocupa.• Inércia, impenetrabilidade, divisibilidade, compressibilidade, elasticidade, porosidade, etc.
• Funcionais.• Identificadas pela sua função: ácidos, bases, sais, etc.
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Matéria e energiaPropriedades da Matéria (3/3)
• Específicas.
• Individuais de cada tipo particular de matéria.• Organolépticas. Impressionam os sentidos (cor, sabor,odor) e fase de agregação da matéria.• Químicas. Tipos de transformação das matérias, comooxidação e combustão.• Físicas. Fusão, solidificação, ebulição, condensação,densidade, coeficiente de solubilidade, dureza,tenacidade e brilho.
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Matéria e energia
• Segundo Michaelis.
• Capacidade que um corpo, um sistema de corpos ou umasubstância têm de realizar trabalho, entendendo-se portrabalho a deslocação do ponto de aplicação de umaforça. Símbolo: E.• Modo como se exerce uma força; ação, eficácia,eficiência.
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Matéria e energiaFormas de energia (1/3)
• Energia cinética.• Associada ao movimento. Depende da massa e davelocidade do corpo.• Energia potencial.• Encontra-se armazenada em um sistema e pode ser usadaa qualquer momento.• Gravitacional, relacionada a altura de um corpo emrelação a um determinado nível de referência.• Potencial elástica, relacionada a uma mola ou a umcorpo elástico.• Energia mecânica total: energias cinética + potencial.
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Matéria e energiaFormas de energia (2/3)
• Energia térmica.• Manifestação de energia na forma de calor devido aomovimento dos átomos que constituem as moléculas.• Energia química.• Baseada na força de atração e repulsão nas ligaçõesquímicas, sendo liberada (calor, luz, etc.) quando estas serompem devido a uma interferência externa.• Energia elétrica.• Produzida a partir do potencial elétrico de dois pontos deum condutor, envolvendo cargas elétricas.
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Matéria e energiaFormas de energia (3/3)
• Energia nuclear.• Liberada em processos de transformação de núcleosatômicos. Alguns isótopos de certos elementosapresentam a capacidade de se transformar em outrosisótopos ou elementos através de reações nucleares,emitindo energia durante esse processo.
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Matéria e energiaFontes de energia
• Primárias.• Estão na natureza, como o sol, a água (dos rios e dosmares), os ventos, a madeira, o gás natural, o carvãomineral, o petróleo.• Renováveis• Não renováveis
• Secundárias.• Surgem depois que as primárias são transformadas, comoa gasolina, o diesel ou a energia elétrica.
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Química Geral
Matéria e energiaFontes de energia primária renováveis
• Estão disponíveis na natureza constantemente ou seregeneram em um curto espaço de tempo. Sua captaçãocausa baixo impacto a natureza.• Energia hidráulica, obtida pela força da água dos rios.• Energia solar, obtida pela energia do sol.•Energia eólica, obtida pela força dos ventos.• Energia geotérmica, obtida pelo calor do interior da terra.• Biomassa, obtida de matérias orgânicas.• Energia gravitacional, obtida pela força das ondas dosoceanos.
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Química Geral
Matéria e energiaFontes de energia primária não renováveis
• Regeneram-se muito lentamente, esgotando-se.• Combustíveis fósseis, como petróleo, carvão mineral,xisto e gás natural.• Energia nuclear, obtida a partir de elementos como ourânio e tório.
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