cap 12 aula 11

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Capítulo 12Capítulo 12
QUÍMICAQUÍMICA
A Ciência Central A Ciência Central 
9ª Edição9ª Edição
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Materiais modernosMateriais modernos
• 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 
Cristais líquidosCristais líquidos
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• Existe uma fase intermediária onde os líquidos mostram uma 
quantidade limitada de 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 líquido cristalino.
Tipos de fases líquidas cristalinas
• As moléculas de cristal líquido normalmente são longas na forma 
de tubos.
• Três tipos de fase cristalina líquida dependendo da ordenação:
– cristais líquidos nemáticos (os menos ordenados): ordenados
Cristais líquidosCristais líquidos
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– cristais líquidos nemáticos (os menos ordenados): ordenados
apenas ao longo do extenso eixo da molécula;
– cristais líquidos esméticos: ordenados ao longo do extenso eixo
da molécula e em uma outra dimensão;
– cristais líquidos colestéricos (os mais ordenados).
Cristais líquidosCristais líquidos
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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.
Cristais líquidosCristais líquidos
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– 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.
Tipos de fases líquidas cristalinas
Cristais líquidosCristais líquidos
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Tipos de fases líquidas cristalinas
• Cristais líquidos colestéricos: baseados na estrutura do colesterol.
– Moléculas alinhadas ao longo de seu extenso eixo.
– Além disso, as moléculas são arranjadas em camadas.
– Há um entrelaçamento entre as camadas.
Cristais líquidosCristais líquidos
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– Há um entrelaçamento entre as camadas.
– As moléculas são longas, achatadas, têm forma de tubo com
uma cauda flexível.
– A cauda flexível provoca o entrelaçamento entre as camadas.
Tipos de fases líquidas cristalinas
Cristais líquidosCristais líquidos
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Os componentes básicos principais de um Liquid
Crystal Display são:
TelaTela LCDLCD
1. Polarizador vertical;
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1. Polarizador vertical;
2. Eletrodo de ITO;
3. Cristal liquido nemático;
4. Eletrodo comum de ITO;
5. Polarizador horizontal;
6. Refletor ou iluminação LED.
• Os polímeros são moléculas gigantescas, constituídas de muitas e 
muitas moléculas menores.
• As unidades constituintes dos polímeros são denominados 
monômeros.
PolímerosPolímeros
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monômeros.
• Exemplos: plásticos, DNA, proteínas, borracha, etc.
• Os compostos de carbono têm uma habilidade incomum de 
formarem polímeros.
PolímerosPolímeros
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Polimerização por adição
• Exemplo: o etileno H2C=CH2, pode polimerizar-se através da 
abertura da ligação pi C-C para formar ligações σ C-C com 
moléculas de etileno adjacentes. O resultado é o polietileno.
• Isto é chamado de polimerização por adição porque as moléculas 
PolímerosPolímeros
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• Isto é chamado de polimerização por adição porque as moléculas 
de etileno são adicionadas umas às outras.
Polimerização por condensação
• Polimerização por condensação: as moléculas ligam-se por meio da 
eliminação de uma molécula pequena (por exemplo, a água):
H O H O
PolímerosPolímeros
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• Exemplo de polimerização por condensação: a formação do náilon.
• As propriedades físicas dos polímeros podem ser esboçadas através 
do entendimento da estrutura dos polímeros.
N H H O C+ N C H O H+
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 
PolímerosPolímeros
• 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.
Estruturas e propriedades físicas dos polímeros
• Cadeias de polímeros tendem a ser flexíveis e facilmente 
entrelaçadas ou cruzadas.
• Grau de cristalinidade é a quantidade de ordenação em um 
polímero.
PolímerosPolímeros
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polímero.
• O esticamento ou o prensamento de um polímero pode aumentar 
sua cristalinidade.
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 sacolas plásticos);
PolímerosPolímeros
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molecular média de 104 u (utilizado em sacolas plásticos);
– polietileno de alta densidade (HDPE) tem uma massa molecular 
média de 106 u (utilizado em garrafas plásticas para leite).
Estruturas e propriedades físicas dos polímeros
PolímerosPolímeros
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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.
PolímerosPolímeros
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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.
PolímerosPolímeros
Polímeros de ligação cruzada
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Polímeros de ligação cruzada
PolímerosPolímeros
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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:
BiomateriasBiomaterias
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• Os biomateriais devem ser biocompatíveis:
• O sistema imunológico do corpo não deve atacar o biomaterial.
BiomateriasBiomaterias
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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. (em 20 anos de uso 750 milões de ciclos) 
BiomateriasBiomaterias
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80 vezes por minuto. (em 20 anos de uso 750 milões de ciclos) 
• Exigências químicas: 
• Os biomateriais devem ser de grau médico.
• Os polímeros são biomateriais muito importantes.
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 nucleotides.
• Esses polímeros são poliaminoácidos.
BiomateriasBiomaterias
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• Esses polímeros são poliaminoácidos.
Exemplos de aplicações dos biomateriais
• Substituição e reparos de coração:
• Um coração que pára completamente deve ser substituído por 
um órgão de um doador.
• Cerca de 60.000 pessoas nos Estados Unidos sofrem de parada 
BiomateriasBiomaterias
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• 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.
• Cerca de 45 % dessas substituições de válvulas ocorrem com 
uma válvula mecânica.
Exemplos de aplicações dos biomateriais
• A válvula de substituição deveser 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 
BiomateriasBiomaterias
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• 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.
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.
BiomateriasBiomaterias
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• O Dacron™ é utilizado para artérias de diâmetro grande.
• O politetrafluoroetileno, -[-(CF2CF2)n-]- é utilizado para 
implantes vasculares menores.
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 
BiomateriasBiomaterias
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• 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.
BiomateriasBiomaterias
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• As cerâmicas são
– inorgânicas, não-metálicas, sólidas, cristalinas ou amorfas (por
exemplo, o vidro) rígidas, quebradiças, estáveis a altas
temperaturas, menos densas do que os metais, mais elásticas do 
CerâmicasCerâmicas
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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 ligadas
ionicamente.
• Exemplos típicos: alumina (Al2O3), carbeto de silício (SiC), 
zircônia (ZrO2) e berila (BeO).
CerâmicasCerâmicas
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Processamento de cerâmicas
• Defeitos pequenos desenvolvidos durante o processamento torna 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 
CerâmicasCerâmicas
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(cerca de 10 m em diâmetro) sob pressão para forçar a ligação das 
partículas.
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.
CerâmicasCerâmicas
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Exemplo: fibras de SiC adicionadas ao vidro de aluminosilicato.
• A fibra deve ter um comprimento ≥ 100 vezes que o seu diâmetro.
Aplicações das cerâmicas
• Usada na indústria de instrumentos cortantes.
• Usada na indústria eletrônica (circuitos semicondutores integrados
normalmente fabricados de alumina).
• Materiais de piezoelétrica (geração de um potencial elétrico após
CerâmicasCerâmicas
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• Materiais de piezoelétrica (geração de um potencial elétrico após
estresse mecânico) usados em relógios e geradores ultrasônicos.
• Usada na fabricação de revestimentos nos ônibus espaciais.
Aplicações das cerâmicas
• LTCC – Low temperature co-fired ceramic
Cerâmica utilizada como substrato para elaboração de 
circuitos de grande complexidade com muitas camadas e 
CerâmicasCerâmicas
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circuitos de grande complexidade com muitas camadas e 
limitada espessura.
• Os supercondutores não mostram resistência ao fluxo de uma 
corrente elétrica.
• O comportamento de supercondutor inicia-se apenas abaixo da 
temperatura de transição da supercondução, T .
SupercondutividadeSupercondutividade
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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.
CerâmicasCerâmicas
Óxidos cerâmicos supercondutores
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CerâmicasCerâmicas
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CerâmicasCerâmicas
25 cabos com seção 
de 16 mm2.
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Fita supercondutora
• Os filmes finos geralmente têm uma espessura entre 0,1 µm e 300 
µm.
• Filmes finos úteis devem
– ser quimicamente estáveis,
Filmes finosFilmes finos
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– ser quimicamente estáveis,
– aderir bem à superfície,
– ser uniformes,
– ser puros,
– ter baixa densidade de imperfeições.
Usos de filmes finos
• Microeletrônica (condutores, resistores e condensadores).
• Revestimentos óticos (para reduzir a reflexão de uma lente).
• Revestimentos de proteção para metais.
Filmes finosFilmes finos
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• Aumento de resistência de ferramentas.
• Redução de arranhões em vidros.
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.
Filmes finosFilmes finos
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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.
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 
Filmes finosFilmes finos
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– 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.
Filmes finosFilmes finos
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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 
Filmes finosFilmes finos
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– 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)
Atividade valendo 2 pontos na P3. (Aos alunos que entregarem a 
atividade a prova passa a valer 8 pontos). As respostas devem ser 
manuscritas e NÃO podem ser simplesmente cópia.
Defina os termos a seguir para materiais semicondutores de 
forma sucinta (no máximo 4 linhas para cada definição):
• Semicondutor;
SemicondutoresSemicondutores
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• Semicondutor;
• Semicondutor elementar;
• Composto semicondutor;
• Dopagem de semicondutores;
• Semicondutor tipo-p;
• Semicondutor tipo-n;
• Quais as características essenciais dos materiais que compõem o transistor;
• Qual o conceito fundamental de operação de um LED e os materiais envolvidos.