v v
Sumário
Sumário
Sobre
Sobre os os Autores Autores xiv xiv Prefácio xv
Prefácio xv Introdução
Introdução ao ao Estudante Estudante xxixxi
11
Introdução
Introdução
à
à
Química
Química
1
1
1.
1.11 POR DENTRO DE POR DENTRO DE
Alumínio
Alumínio 22
1.2
1.2
O Estudo da Química
O Estudo da Química 44
AA Perspectiva Perspectiva Macroscópica Macroscópica 55 A
A Perspectiva Perspectiva Microscópica Microscópica ou ou Particulada Particulada 66 Representação
Representação Simbólica Simbólica 99 1.3
1.3
A Ciência da Química: Observações e Modelos
A Ciência da Química: Observações e Modelos 10
10
AsAs Observações Observações na na Ciência Ciência 1111 Interpretando
Interpretando as as Observações Observações 1212 Modelos
Modelos na na Ciência Ciência 1313 1.4
1.4
Números e Medições na Química
Números e Medições na Química 14
14
Unidades 15Unidades 15 Números
Números e e Algarismos Algarismos Significativos Significativos 1818 1.5
1.5
Soluções de Problemas na Química e na Engenharia
Soluções de Problemas na Química e na Engenharia 21
21
UtilizandoUtilizando Proporções Proporções 2121 Proporções
Proporções em em Cálculos Cálculos Químicos Químicos 2323 Problemas
Problemas de de Química Química Conceitual Conceitual 2525 A
A Visualização Visualização na na Química Química 2626 1.6
1.6 POR DENTRO DE POR DENTRO DE
Seleção de Material e Quadros de
Seleção de Material e Quadros de
Bicicletas 28
Bicicletas 28
Enfoque
Enfoque na na Resolução Resolução de de Problemas Problemas 3030 Resumo 31
Resumo 31 Problemas
Problemas e e Exercícios Exercícios 3131
22
Átomos
Átomos
e
e
Moléculas
Moléculas
37
37
2.1
2.1 POR DENTRO DE POR DENTRO DE
Polímeros 38
Polímeros 38
2.2
2.2
Estrutura
Estrutura Atômica
Atômica e
e Massa
Massa 40
40
ConceitosConceitos Fundamentais Fundamentais do do Átomo Átomo 4040 Número
Número Atômico Atômico e e Número Número de de Massa Massa 4141 Isótopos 41
Isótopos 41 Símbolos
Símbolos Atômicos Atômicos 4343 Massas
Massas Atômicas Atômicas 4343 2.3
2.3
Íons 45
Íons 45
DescriçãoDescrição Matemática Matemática 4646 Íons
vi Química Geral Aplicada à Engenharia
2.4
Compostos e Ligações Químicas 48
Fórmulas Químicas 48Ligação Química 50
2.5
A Tabela Periódica 53
Períodos e Grupos 53Metais, Ametais e Metalóides 56
2.6
Química Inorgânica e Orgânica 57
Química Inorgânica – Grupos Representativos e Metais de Transição 58 Química Orgânica 59
Grupos Funcionais 63
2.7
Nomenclatura Química 63
Sistemas Binários 63Nomeando Compostos Covalentes 64 Nomeando Compostos Iônicos 66
2.8 POR DENTRO DE
Polietileno 68
Enfoque na Resolução de Problemas 71 Resumo 71Problemas e Exercícios 72
3
Moléculas, Mols e Equações Químicas 77
3.1 POR DENTRO DEExplosões 78
3.2
Fórmulas e Equações Químicas 79
Escrevendo Equações Químicas 80Balanceando Equações Químicas 81
Conexões Matemáticas 84
3.3
Soluções Aquosas e Equações Iônicas Líquidas 86
Soluções, Solventes e Solutos 87Equações Químicas para Reações Aquosas 90 Reações Ácido-Base 92
3.4
Interpretando Equações e Mol 96
Interpretando Equações Químicas 96Número de Avogadro e o Mol 96 Determinando a Massa Molar 97
3.5
Cálculos Utilizando Mols e Massas Molares 99
Análise Elementar: Determinando as Fórmulas Empíricas e Moleculares 102 Concentração em Quantidade de Matéria 105
Diluição 107
3.6 POR DENTRO DE
Células de Combustível 109
Enfoque na Resolução de Problemas 111Resumo 111
Problemas e Exercícios 112
4
Estequiometria 120
4.2
Fundamentos de Estequiometria 125
Obtendo Proporções a partir de uma Equação Química Balanceada 125 4.3
Reagentes Limitantes 130
4.4
Rendimentos Teóricos e Percentuais 137
4.5Estequiometria de Solução 139
4.6 POR DENTRO DE
Combustíveis Alternativos e Aditivos de
Combustível 142
Enfoque na Resolução de Problemas 143 Resumo 144
Problemas e Exercícios 145
5
Gases 153
5.1 POR DENTRO DE
Poluição do Ar 154
Propriedades dos Gases 1565.2
Pressão 157
Medindo a Pressão 159 Unidades de Pressão 159
5.3
História e Aplicação da Lei dos Gases 160
Unidades e a Lei do Gás Ideal 1645.4
Pressão Parcial 166
5.5
Estequiometria de Reações Envolvendo Gases 170
Condições Padrão de Temperatura e Pressão 1715.6
Teoria Cinético-Molecular e Ideal versus Gases Reais 173
Postulados do Modelo 173 Conexões Matemáticas 175
Gases Reais e Limitações da Teoria Cinética 177 Corrigindo a Equação de Gás Ideal 178
5.7 POR DENTRO DE
Sensores de Gás 181
Manômetro de Capacitância 181Calibrador Termoacoplado 182 Calibrador de Ionização 182 Espectrômetro de Massas 184
Enfoque na Resolução de Problemas 184 Resumo 185
Problemas e Exercícios 186
6
A Tabela Periódica e Estrutura Atômica 193
6.1 POR DENTRO DELuzes Incandescentes e Fluorescentes 194
6.2
O Espectro Eletromagnético 196
A Natureza Ondulatória da Luz 196 Conexões Matemáticas 198
A Natureza Particulada da Luz 200 6.3
Os Espectros Atômicos 205
O Átomo de Bohr 208
viii Química Geral Aplicada à Engenharia
6.4
O Modelo Atômico da Mecânica Quântica 210
Conexões Matemáticas 211Energia Potencial e Orbitais 212 Números Quânticos 212
Visualização de Orbitais 216
6.5
O Princípio da Exclusão de Pauli e Configurações
Eletrônicas 219
Energias de Orbitais e Configurações Eletrônicas 220 Regra de Hund e o Princípio de Aufbau 222
6.6
A Tabela Periódica e as Configurações Eletrônicas 224
6.7Tendências Periódicas nas Propriedades Atômicas 226
Tamanho Atômico 226 Energia de Ionização 228 Afinidade Eletrônica 231
6.8 POR DENTRO DE
Fontes Modernas de Luz: LED e Lasers 232
Enfoque na Resolução de Problemas 234Resumo 235
Problemas e Exercícios 236
7
Ligação Química e Estrutura Molecular 242
7.1 POR DENTRO DECompostos de Flúor Familiares 243
7.2
A Ligação Iônica 244
Formação de Cátions 245 Formação de Ânions 2467.3
A Ligação Covalente 250
Ligações Químicas e Energia 250 Ligações Químicas e Reações 252Ligações Químicas e a Estrutura de Moléculas 253
7.4
Eletronegatividade e Polaridade da Ligação 255
Eletronegatividade 256Polaridade da Ligação 257
7.5
Mantendo o Rastro da Ligação: Estruturas de Lewis 259
Ressonância 2657.6
Superposição de Orbitais e Ligação Química 267
7.7Orbitais Híbridos 270
7.8
Arranjos das Moléculas 272
7.9 POR DENTRO DE
Clorofluorocarbonetos 281
Enfoque na Resolução de Problemas 283Resumo 284
Problemas e Exercícios 284
8
Moléculas e Materiais 290
8.1 POR DENTRO DECarbono 291
8.3
Ligação nos Sólidos: Metais, Isolantes e Semicondutores 301
Modelos de Ligação Metálica 301Teoria de Banda e Condutividade 303 Semicondutores 305
8.4
Forças Intermoleculares 309
Forças entre Moléculas 309Forças de Dispersão 309 Forças Dipolo-Dipolo 311 Ligação de Hidrogênio 311
8.5
Fases Condensadas – Líquidos 315
Pressão de vapor 316 Ponto de Ebulição 317 Tensão Superficial 319 8.6Polímeros 320
Polímeros de Adição 321 Polímeros de Condensação 324 Copolímeros 326 Propriedades Físicas 326 Polímeros e Aditivos 3288.7 POR DENTRO DE
Invenção de Novos Materiais 329
Enfoque na Resolução de Problemas 331Resumo 331
Problemas e Exercícios 332
9
Energia e Química 337
9.1 POR DENTRO DE
O Uso de Energia e a Economia Mundial 338
9.2
Definindo Energia 341
Formas de Energia 341Calor e Trabalho 342 Unidades de Energia 343
9.3
Transformação de Energia e Conservação de Energia 344
Desperdício de Energia 3469.4
Capacidade Calorífica e Calorimetria 346
Capacidade Calorífica e Calor Específico 347Calorimetria 351 9.5
Entalpia 354
Definindo Entalpia 354
ΔH de Mudanças de Fases 355
Vaporização e Produção de Eletricidade 358 Calor de Reação 359
Ligações e Energia 359
Calores de Reação para Algumas Reações Específicas 360 9.6
Lei de Hess e Calores de Reação 361
Lei de Hess 361
Reações de Formação e Lei de Hess 364 9.7
Energia e Estequiometria 366
x Química Geral Aplicada à Engenharia
Densidade de Energia e Combustíveis 368 9.8 POR DENTRO DE
Baterias 369
Enfoque na Resolução de Problemas 372 Resumo 373
Problemas e Exercícios 374
10
Entropia e a Segunda Lei da Termodinâmica 381
10.1 POR DENTRO DEReciclagem de Plásticos 382
10.2
Espontaneidade 383
Sentido da Natureza 383 Processos Espontâneos 384 Entalpia e Espontaneidade 385 10.3Entropia 385
Probabilidade e Variação Espontânea 386 Definição de Entropia 388
Julgando as Variações de Entropia nos Processos 389 10.4
A Segunda Lei da Termodinâmica 390
A Segunda Lei 390
Implicações e Aplicações 391
10.5
A Terceira Lei da Termodinâmica 392
10.6Energia Livre de Gibbs 395
Energia Livre e Variação Espontânea 395 Energia Livre e Trabalho 398
10.7
Energia Livre e Reações Químicas 399
Implicações doΔG° para uma Reação 40010.8 POR DENTRO DE
O Sistema Econômico da Reciclagem 401
Enfoque na Resolução de Problemas 406Resumo 406
Problemas e Exercícios 407
11
Cinética Química 416
11.1 POR DENTRO DE
A Destruição do Ozônio 417
11.2
Velocidades das Reações Químicas 420
Conceito de Velocidade e Velocidades de Reação 420 Estequiometria e Velocidade 421Velocidade Média e Velocidade Instantânea 423
11.3
Leis de Velocidade e a Dependência da Concentração em
Relação às Velocidades 424
A Lei de Velocidade 424
Determinação da Lei de Velocidade 426 11.4
Leis de Velocidade Integrada 430
Conexões Matemáticas 430
Lei de Velocidade Integrada de Ordem Zero 431 Lei de Velocidade Integrada de Primeira Ordem 432
Lei de Velocidade Integrada de Segunda Ordem 434 Meia-Vida 438
11.5
Temperatura e Cinética 440
Efeitos da Temperatura e Moléculas que Reagem 440 Comportamento de Arrhenius 443
Fazendo Conexões Mentais 446 11.6
Mecanismos de Reação 448
Etapas Elementares e Mecanismos de Reação 449
Mecanismos e Velocidade: A Etapa Determinante de Velocidade 451 11.7
Catálise 452
Catálisadores Homogêneos e Heterogêneos 452 Perspectiva Molecular da Catálise 454
Catálise e Engenharia de Processos 454
11.8 POR DENTRO DE
O Ozônio Troposférico 455
Enfoque na Resolução de Problemas 457Resumo 458
Problemas e Exercícios 459
12
Equilíbrio Químico 470
12.1 POR DENTRO DE
Cianeto de Hidrogênio 471
12.2
Equilíbrio Químico 473
Reações Diretas e Inversas 473 Relações Matemáticas 47512.3
Constantes de Equilíbrio 476
A Expressão de Equilíbrio (Ação da Massa) 476 Equilíbrios de Fase Gasosa: K pe K c 478
Equilíbrios Homogêneos e Heterogêneos 479
Importância Numérica da Expressão de Equilíbrio 480 Manipulação Matemática de Constantes de Equilíbrio 482 Invertendo a Equação Química 482
Ajustando a Estequiometria da Reação Química 482 Constantes de Equilíbrio para uma Série de Reações 484 Unidades e a Constante de Equilíbrio 485
12.4
Concentrações no Equilíbrio 485
Concentrações no Equilíbrio a partir das Concentrações Iniciais 486 Técnicas Matemáticas para Cálculos de Equilíbrio 490
12.5
Princípio de LeChatelier 491
O Efeito no Equilíbrio de uma Variação na Concentração de Reagente ou Produto 491
O Efeito no Equilíbrio de uma Variação na Pressão Quando Estão Presentes Gases 493 O Efeito no Equilíbrio de uma Variação na Temperatura 495
Efeito de um Catalisador no Equilíbrio 496 12.6
Equilíbrios de Solubilidade 497
Constante do Produto de Solubilidade 497Definindo a Constante do Produto de Solubilidade 497 A Relação entre K ps e a Solubilidade Molar 499
Efeito do Íon Comum 500
xii Química Geral Aplicada à Engenharia
Confiabilidade no Uso de Concentrações em Quantidade de Matéria 502 12.7
Ácidos e Bases 502
A Teoria de Brøsnted-Lowry de Ácidos e Bases 503 O Papel da Água na Teoria de Brønsted-Lowry 503 Ácidos e Bases Fracos 505
12.8
Energia Livre e Equilíbrio Químico 508
Perspectiva Gráfica 508Energia Livre e Condições Não-Padrão 509
12.9 POR DENTRO DE
Boratos e Ácido Bórico 511
Enfoque na Resolução de Problemas 512Resumo 513
Problemas e Exercícios 513
13
Eletroquímica 522
13.1 POR DENTRO DE
Corrosão 523
13.2
Reações de Oxirredução e Células Galvânicas 524
Reações de Oxirredução e Semi-reações 524Construindo uma Célula Galvânica 525 Terminologia para Células Galvânicas 526
Perspectiva Atômica nas Células Galvânicas 527 Corrosão Galvânica e Corrosão Uniforme 528 13.3
Potenciais da Célula 530
Medindo o Potencial da Célula 530 Potenciais Padrão de Redução 533 Condições Não-Padrão 536
13.4
Potenciais da Célula e Equilíbrio 538
Potenciais da Célula e Energia Livre 538Constantes de Equilíbrio 539 13.5
Baterias 541
Células Primárias 541 Células Secundárias 543 Limitações das Baterias 546 13.6
Eletrólise 546
Eletrólise e Polaridade 547
Eletrólise Passiva no Refino de Alumínio 547 Eletrólise Ativa e Galvanoplastia 549
13.7
Eletrólise e Estequiometria 550
Corrente e Carga 550Cálculos com a Utilização de Massas de Substâncias na Eletrólise 553 13.8 POR DENTRO DE
Prevenção à Corrosão 555
Revestimentos 555 Proteção Catódica 557
A Prevenção à Corrosão no Espaço 557
Enfoque na Resolução de Problemas 558 Resumo 559
Apêndices
A Tabela Internacional de Peso Atômico 569 B Constantes Físicas 571
C Configurações Eletrônicas dos Átomos no Estado Fundamental 572
D Calores Específicos e Capacidades Caloríficas de Algumas Substâncias Comuns 573 E Dados Termodinâmicos Selecionados a 298,15 K 574
F Constantes de Ionização de Ácidos Fracos a 25 °C 580 G Constantes de Ionização de Bases Fracas a 25 °C 582
H Constantes do Produto de Solubilidade de Alguns Compostos Inorgânicos a 25 °C 583
I Potenciais Padrão de Redução em Soluções Aquosas a 25 °C 586 J Respostas dos Exercícios de “Verifique seu Entendimento” 590
K Respostas para os Exercícios Ímpares dos Finais de Capítulos 593 Glossário 618
Índice Remissivo 634
Algumas Constantes Úteis 651 Algumas Relações Importantes 651
Tabela Internacional de Massas Atômicas 652 Tabela Periódica dos Elementos 653
Prefácio
A Origem deste Livro
Como químicos, vemos conexões entre a química e praticamente tudo. Dessa forma, a idéia de que estudantes de engenharia devem aprender química parece evidente para a maioria dos químicos. Mas a química é apenas uma das muitas ciências com as quais um engenhei-ro deve estar familiarizado, e o currículo de graduação deve achar espaço para muitos tó-picos. Conseqüentemente, os currículos de engenharia na maioria das universidades estão sendo reduzidos: atualmente, as aulas de química geral tradicional, que eram praticadas em um ano, ocupam um único semestre. Em muitos casos, essas instituições estão ofere-cendo uma disciplina desenvolvida especificamente para estudantes de engenharia. Quan-do as escolas – incluinQuan-do a nossa – começaram a oferecer essa disciplina, não havia livros no mercado com esse enfoque, e o conteúdo do material didático existente para os dois semestres tinha que ser sempre modificado para encaixar. Apesar de isso ser possível, está longe de ser o ideal. Era imprescindível um livro específico para essa disciplina. Escreve-mos este livro para preencher essa lacuna.
Nosso objetivo é ampliar o papel da química para muitas áreas da engenharia e tec-nologia por meio de uma interação entre a química e a engenharia em uma variedade de tecnologias modernas. Para muitos estudantes de engenharia, a química é basicamente um pré-requisito para disciplinas que envolvem propriedades dos materiais. Essas disciplinas normalmente adotam uma abordagem fenomenológica dos materiais, em vez de enfatizar a perspectiva molecular da química. O objetivo deste livro é proporcionar conhecimento e valorização dos princípios químicos de estrutura e ligação que suportam a ciência dos ma-teriais. Isso não significa que este livro se destine apenas à ciência dos materiais; a intenção deste trabalho é preparar os estudantes para pesquisas futuras na área.
O livro fornece também conhecimento suficiente sobre ciência da química para um profissional tecnicamente habilitado. A engenharia, afinal de contas, é a aplicação criativa e prática de uma vastíssima gama de princípios científicos, de forma que seus praticantes devem ter uma grande base em ciências naturais.
Conteúdo e Organização
O conteúdo completo de química geral tradicional não pode ser pensado significativamen-te em um semestre, logo, significativamen-temos que decidir qual consignificativamen-teúdo incluir. Exissignificativamen-tem basicamensignificativamen-te dois modelos utilizados para condensar o programa de química geral. O primeiro é tomar a abordagem de um livro introdutório e reduzir o aprofundamento da cobertura e o núme-ro de exemplos, mas manter apnúme-roximadamente tudo dos tópicos tradicionais. O segundo é tomar as decisões mais difíceis e fundamentais sobre quais tópicos da química são apro-priados e relevantes para os leitores, nesse caso, futuros engenheiros. Escolhemos a última abordagem e construímos um livro de 13 capítulos com base nos fundamentos para satisfa-zer o que pensamos ser os objetivos da disciplina:
xvi Química Geral Aplicada à Engenharia
• Fornecer uma introdução concisa, mas total à ciência da química.
• Fornecer aos estudantes informações consistentes sobre os princípios de estrutura e de ligação, as quais servirão de base para estudos posteriores da ciência dos materiais.
• Mostrar a conexão entre o comportamento molecular e as propriedades físicas observáveis. • Mostrar as conexões entre a química e as outras matérias estudadas pelos alunos de
en-genharia, especialmente matemática e física.
Considerados em sua totalidade, os 13 capítulos deste livro representam mais material do que poderia ser encaixado em uma disciplina padrão de um semestre. Assim, os departa-mentos ou os professores individualmente necessitarão fazer algumas escolhas adicionais ao conteúdo que seja mais adequado para os seus estudantes. Julgamos que muitos profes-sores não incluirão todo o material sobre equilíbrio do Capítulo 12, por exemplo. Em con-trapartida, incluímos mais tópicos no Capítulo 8, sobre fases condensadas, do que muitos professores esperariam incluir em suas disciplinas.
Cobertura dos Tópicos
A cobertura dos tópicos neste livro reflete o fato de que os químicos constantemente uti-lizam conceitos múltiplos para entender o campo deles; em geral utiuti-lizam mais de um modelo simultaneamente. Assim, o estudo da química que apresentamos aqui pode ser visto de múltiplas perspectivas: macroscópica, microscópica e simbólica. As duas últimas
perspectivas são enfatizadas nos Capítulos 2 e 3 sobre átomos, moléculas e reações. Nos Capítulos 4 e 5, estabelecemos mais de uma conexão entre o microscópico e o macroscópi-co no nosso tratamento de estequiometria e gases. Retornamos à perspectiva microscópica para cobrir mais detalhes de estrutura atômica e de ligação química dos Capítulos 6 ao 8. Os aspectos de energia da química, incluindo as importantes conseqüências macroscópicas, são considerados nos Capítulos 9 e 10, e cinética e equilíbrio são tratados nos Capítulos 11 e 12, respectivamente. Finalmente, concluímos com o tratamento da eletroquímica e da corrosão, uma aplicação química importante para as disciplinas de engenharia.
Cobertura de Conteúdo Específico
Sabemos que existem tópicos específicos na química que são vitais para os futuros enge-nheiros. Escolhemos tratá-los da seguinte forma:
Química Orgânica: A química orgânica é importante em muitas áreas da engenharia,
par-ticularmente naquelas relacionadas às propriedades dos polímeros. Em vez de utilizarmos um único capítulo de orgânica, integramos nossa cobertura de química orgânica por todo o livro, enfocando em polímeros. Introduzimos os polímeros orgânicos na Seção 2.1 e usamos os polímeros e seus monômeros em muitos exemplos nesse capítulo. O Capítulo 2 também contém uma rica discussão de estruturas orgânicas lineares e grupos funcionais, e termina com uma seção sobre síntese, estrutura e propriedades do polietileno. O Capítu-lo 4 começa e termina com discussões sobre combustíveis, um tópico ao qual retornamos no Capítulo 9. O Capítulo 8 contém mais sobre carbono e polímeros, e a reciclagem de polímeros fornece o contexto para a consideração da segunda lei da termodinâmica, no Capítulo 10.
Química Ácido-Base: As reações ácido-base representam outra importante área da química
com aplicações na engenharia, e de novo integramos nossa cobertura em áreas apropriadas do livro. Inicialmente, definimos ácidos e bases na conjunção com a introdução a soluções no Capítulo 3. A estequiometria simples de soluções é apresentada no Capítulo 4.
Final-mente, um tratamento mais detalhado da química ácido-base é apresentado no contexto de equilíbrios, no Capítulo 12.
Matemática: As habilidades matemáticas dos estudantes de engenharia geralmente são
mais fortes que as de outros alunos, e a maioria dos estudantes, atendendo a uma disciplina do tipo para o qual este livro está direcionado, estará simultaneamente matriculada em uma disciplina introdutória de cálculo. Em razão disso, incluímos referências ao papel do cálculo na seção “Conexões Matemáticas”. Esses ensaios expandem e revisam os concei-tos matemáticos à medida que dizem respeito ao tópico específico estudado, e aparecem sempre que as ligações entre o tópico em mãos e a matemática parecem especialmente significativas. Estes quadros têm a intenção de ser suplementares, de tal forma que aqueles estudantes cursando uma disciplina de pré-cálculo não sejam prejudicados. Não se preten-de com a inclusão preten-de cálculo dificultar o material apresentado, mas apresentar as conexões naturais entre as várias matérias estudadas.
Conexões entre Química e Engenharia
Uma vez que este livro é direcionado a disciplinas desenvolvidas para estudantes de enge-nharia, esforçamo-nos para apresentar a química nos contextos que realmente interessam a eles. Os vínculos entre química e engenharia são centrais na estrutura do livro. Cada capítulo começa e termina com uma seção denominada “POR DENTRO DE ”, que
intro-duz um modelo ou tema que mostra a interação entre química e engenharia. Essa seção representa apenas o começo das conexões, e o tema introduzido nela aparece regularmente por todo o capítulo.
Optamos por circular nas nossas aplicações de engenharia sempre que possível, assim, por todo o livro, discutimos as inovações-chave recentes em vários campos. Por exemplo, o Capítulo 1 contém uma breve abordagem dos OLED (diodos orgânicos emissores de luz), um novo avanço que pode eventualmente substituir as telas de cristal líquido em disposi-tivos como câmeras digitais e monitores de tela plana para computadores. Os OLED são visitados novamente mais tarde no Capítulo 6. No Capítulo 2, discutimos o novo polímero
UHMWPE (polietileno de ultra alta massa molecular), que é mais forte e mais leve que o Kevlar TM e o está substituindo no enchimento de coletes à prova de bala. No Capítulo 3,
incluímos uma seção de “Por dentro de” inteira sobre células de combustível e suas possí- veis aplicações futuras em carros e notebooks .
Abordagem para a Resolução de Problemas
A resolução de problemas é uma parte-chave nas disciplinas de química do ensino supe-rior e é especialmente importante como uma habilidade transferida amplamente para os estudantes de engenharia. Em razão disso, este livro inclui problemas resolvidos do início ao fim. Todos os nossos Problemas-Modelo incluem uma seção de “Estratégia” logo após o enunciado do problema, na qual enfatizamos os conceitos e as relações que devem ser considerados para trabalhar no problema. Após a solução, geralmente incluímos a seção denominada “Analise sua Resposta”, que ajuda os estudantes a aprenderem a estimar se a resposta obtida é razoável. Finalmente, cada exemplo termina com um problema ou uma Prefácio xvii
xviii Química Geral Aplicada à Engenharia
pergunta da seção “Verifique seu Entendimento” para ajudar o estudante a generalizar ou estender o que ele aprendeu no Problema-Modelo.
Acreditamos que a experiência em química geral ajudará os estudantes de engenharia a desenvolver melhores habilidades na resolução de problemas. Além disso, percebemos que essas habilidades podem ser transferidas para outras matérias no currículo de engenharia mesmo quando o conteúdo de química não está envolvido. Adequadamente, incluímos uma característica única ao final de cada capítulo, a seção “Enfoque na Resolução de Proble-mas”. Nessa seção, as perguntas apresentadas não exigem uma resposta numérica, mas pe-de-se ao estudante que identifique a estratégia ou o raciocínio a ser utilizado no problema. Em geral, as perguntas propostas exigem que os estudantes identifiquem informações que ainda faltam para a resolução do problema. Na maioria dos casos, não é possível chegar a uma resposta numérica final utilizando as informações fornecidas; assim, os estudantes são forçados a desenvolver uma solução, em vez de apenas identificar e executar um algoritmo. Os exercícios apresentados no final de cada capítulo incluem problemas adicionais dessa natureza, o que significa que a seção “Enfoque na Resolução de Problemas” pode ser to-talmente incorporada à disciplina. Esse recurso didático é resultado de um projeto de ava-liação de resolução de problemas nas aulas de química, financiado pela Fundação Nacional da Ciência (National Science Foundation – NSF).
Características do Texto
Empregamos uma série de recursos, alguns dos quais já citados anteriormente, que per-mitirão que os estudantes identifiquem a utilidade da química e entendam as conexões com a engenharia.
• “POR DENTRO DE ”: Cada capítulo é construído em torno da seção “Por dentro
de”, na qual são apresentados temas que abrem e fecham cada capítulo e que mostram as conexões entre engenharia e química. Além de a seção abrir e fechar cada capítulo, os temas apresentados por ela são entrelaçados por todo o capítulo, freqüentemente fornecendo o contexto para pontos de discussão ou problemas-modelo. Este sím-bolo especial da seção “Por dentro de” é utilizado para identificar os locais onde as idéias apresentadas na seção de abertura do capítulo são revisitadas no livro.
• “ENFOQUE NA RESOLUÇÃO DE PROBLEMAS”: Professores de
enge-nharia afirmam unanimemente que os calouros precisam praticar resolução de proble-mas. Entretanto, é importante fazer aqui uma distinção entre problemas e exercícios. Os exercícios fornecem uma oportunidade de praticar uma habilidade limitada, en-quanto os problemas exigem etapas múltiplas e raciocínio fora do contexto da informa-ção fornecida. A seinforma-ção “Enfoque na Resoluinforma-ção de Problemas” oferece aos estudantes a oportunidade de desenvolver e praticar verdadeiras habilidades na resolução de proble-mas. Essa seção, que aparece no final de cada um dos capítulos, inclui uma mistura de questões qualitativas e quantitativas que enfocam o processo de busca por uma solução para um problema, não a solução em si. Em razão disso, incluímos também problemas similares adicionais no material de final de capítulo.
• “Conexões Matemáticas”: Em nossa experiência, uma peculiaridade que distingue
os estudantes de engenharia dos outros estudantes de química geral é o alto nível de intimidade com a matemática. Normalmente, a maioria dos estudantes que tem aulas do tipo para o qual este livro foi escrito também terá aula de cálculo. Portanto, parece
A
tualmente, as aplicações da nanociência estão surgindo principalmente na tecnologia de computadores. Mas, no futuro, engenheiros devem projetar e montar bombas de ar ou outras minúsculas máquinas utilizando engrenagens e outras peças fabricadas em escala atômica. As decisões desses profissionais serão guiadas pelo conhecimento dos tamanhos e das propriedades dos átomos de diferentes elementos. Tais aparelhos poderão ser construídos átomo por átomo: cada átomo seria especificado com base em critérios de design relevante e manobrado para a posição com a utilização de minúsculas ferramen-tas. Essas nanomáquinas serão montadas não por parafusos ou rebites, mas pelas forças de atração entre os diferentes átomos – por meio de ligações químicas. Evidentemente, esses engenheiros do futuro terão que compreender os átomos e as forças que os ligam, isto é, terão que compreender a química.Pelo menos por enquanto, essa engenharia relacionada aos átomos permanece ain-da como uma possibiliain-dade a ser concretizaain-da no futuro. E quanto aos engenheiros de hoje? Quanto de suas decisões depende do conhecimento da química? E, de sua própria perspectiva como um estudante de engenharia, quais são os reais motivos para você estu-dar química?
O Conselho de Atribuição para Engenharia e Tecnologia (Accreditation Board for En-gineering and Technology – Abet) é uma organização profissional que supervisiona o en-sino de engenharia. De acordo com a definição da Abet: “Engenharia é a profissão cujo conhecimento das ciências matemáticas e naturais obtido por meio de estudos, experiên-cias e prática é aplicado com bom senso para o desenvolvimento de maneiras de utilizar, economicamente, os materiais e as forças da natureza em benefício da humanidade”. Logo, como ciência, a química é claramente incluída no campo de conhecimento à disposição de um engenheiro. Ainda assim, os estudantes de engenharia nem sempre reconhecem o pa-pel da química na profissão que escolheram. Um dos principais objetivos deste livro é ins-pirar uma avaliação do papel da química em muitas áreas da engenharia e tecnologia, e na interação entre a química e a engenharia, em uma variedade de tecnologias modernas.
O estudo da química envolve um vasto número de conceitos e habilidades. A filoso-fia deste livro é apresentar algumas idéias básicas e aplicá-las aos aspectos da engenharia,
1
Introdução à Química
2 Química Geral Aplicada à Engenharia
em que a química é importante. Cada capítulo começará com um exemplo da química relacionada à engenharia. Alguns desses exemplos, como a queima de combustíveis, en- volverão aplicações bem claras de princípios químicos e reações. Em outros casos, o papel
da química pode não ser tão aparente. No Capítulo 6, estudaremos como a evolução do conhecimento das propriedades químicas estimulou o projeto de diferentes fontes de luz, da simples lâmpada incandescente até os lasers modernos e os diodos orgânicos de emissão de luz (organic light emitting diodes – Oled). Outros temas envolverão o projeto e a seleção de materiais para diversos usos e a importância da química em questões de engenharia ambiental. Todas as seções de abertura de capítulo apresentam títulos que começam com “Por dentro de”. As questões apontadas nessas seções guiarão nossa exploração dos funda-mentos relevantes de química apresentados em cada capítulo. Nosso primeiro caso con-templa a produção e história do alumínio como material estrutural.
Objetivos do Capítulo
Após dominar o assunto deste capítulo, você deverá ser capaz de
descrever como a química e a engenharia auxiliaram na transformação do alumínio de
um metal precioso a um material estrutural barato.
explicar a utilidade das perspectivas macroscópica, microscópica e simbólica na
com-preensão dos sistemas químicos.
desenhar figuras para ilustrar fenômenos químicos simples (como as diferenças entre
sólidos, líquidos e gases) em escala molecular.
explicar, com suas próprias palavras, a diferença entre o raciocínio indutivo e dedutivo. utilizar proporções adequadas para a conversão de medidas de uma unidade para outra. expressar os resultados de cálculos utilizando o número correto de algarismos
significativos.
POR DENTRO DE
1.1
Alumínio
Quando está com sede, você tem várias opções para saciá-la, como água, sucos, refrigeran-tes etc. E quando opta por um refrigerante de lata, dificilmente você fará seguinte pergun-ta: “De onde veio a lata que contém este refrigerante, e por que ela é feita de alumínio?”. A lata de alumínio se tornou tão comum que é fácil tomá-la por verdade. O que faz do alumínio um material fascinante para esse tipo de aplicação e como ele se tornou parte tão comum de nossa vida?
Você provavelmente pode identificar algumas propriedades do alumínio que tornam seu uso em uma lata de refrigerante adequado. Comparado à maioria dos outros metais, o alumínio é leve, mas bem forte. Desse modo, uma lata de alumínio típica é bem mais leve que uma lata comparável de estanho ou aço. Isso significa que a lata não adiciona muito peso se comparado ao do refrigerante em si; conseqüentemente, as latas são mais fáceis de ser manuseadas e mais baratas para ser transportadas. Uma lata de refrigerante fei-ta de chumbo seria cerfei-tamente menos conveniente. O fato de o alumínio não sofrer facil-mente reações químicas que poderiam degradá-lo à medida que as latas são transportadas e armazenadas é também importante. Porém, apesar de todas essas características da lata de
Introdução à Química 3 alumínio serem positivas, elas não teriam muita utilidade prática se o alumínio não fosse prontamente disponível e razoavelmente barato.
A grande disponibilidade do alumínio é resultado de uma colaboração impressionante entre a ciência básica da química e as ciências aplicadas da engenharia. No século XIX, o alumínio era um metal raro e precioso. Na Europa, Napoleão era o imperador de uma parte considerável do continente e ele impressionava seus convidados com o uso de ex-travagantes talheres de alumínio. Nos Estados Unidos, os arquitetos queriam um material que causasse impacto para ser utilizado no cume do Washington Monument, um tributo ao “pai de nosso país”, e então escolheram o alumínio. Pesando 100 onças (cerca de 2,8 kg), o cume do monumento era a maior peça única de alumínio puro jamais projetada na-quela época. Contudo, hoje chapas de alumínio pesando mais que 45 kg são encontradas com regularidade em muitas lojas de metal. Por que o alumínio era tão caro naquela época e o que mudou para que ele se tornasse tão acessível agora?
Uma discussão inicial dessa questão pode ser imaginada em termos da Figura 1.1, que expressa bem amplamente as interações da sociedade humana com a Terra. A sociedade, representada pelo globo, tem necessidades de bens e materiais. Atualmente, e para o futuro
Ecosera A matéria fui da economia humana para a ecosera como lixo. Sociedade humana A matéria fui da ecosera para a economia humana como matéria-prima.
Figura 1.1 As interações da sociedade humana com a Terra podem ser pensadas amplamente em termos da conversão da matéria a partir da matéria-prima em lixo. Muito da engenharia consiste em esforços para otimizar os processos utilizados nessas conversões. Como ciência da matéria, a química é um importante elemento do conhecimento explorado na engenharia desses processos.
