PROVA DISCURSIVA – CARGO: NAN12 QUESTÕES OBRIGATÓRIAS Questão 1
A determinação da composição de soluções líquidas é uma das atividades fundamentais de um pesquisador num laboratório de química. Um pesquisador encontra um recipiente contendo 100 g de uma solução contendo 25% em massa de água e o restante em etanol. Escreva as equações que o pesquisador deverá empregar para obter o número de moles de etanol e sua fração molar. Defina as massas atômicas dos elementos presentes por MC, MH e MO, para carbono, hidrogênio e oxigênio, respectivamente. Escreva as fórmulas químicas da água e do etanol e defina claramente qualquer outro parâmetro que for necessário.
Considerando que as massa atômicas dos elementos estão em g/mol e que as fórmulas da água e do etanol são representadas por H2O e C2H3OH, respectivamente. O número de moles de etanol e água serão dados por:
A fração molar de etanol será dada pela expressão:
Bibliografia
Faça um desenho esquemático de um diagrama pressão versus composição para um sistema de duas espécies químicas que não reagem entre si, formam soluções homogêneas na fase líquida e gasosa e possuem um ponto azeotropo com pressão abaixo da pressão de vapor em equilíbrio com cada espécie pura. Indique claramente as fases presentes em cada região do diagrama e o número de graus de liberdade calculados pela regra das fases de Gibbs.
O diagrama é obtido a temperatura constante. O eixo vertical no diagrama de fases é a pressão e o eixo horizonta é a fração molar das espécies. O azeotropo é a composição em que o líquido passa para o gás sem mudança de composição. Ele precisa ser um ponto de mínimo, ou máximo. A regra das fases de Gibbs é dada pela relação , em que L é o número de graus de liberdade, C é o número de espécies químicas e F é o número de fases. Como este diagrama foi obtido a temperatura constante, . Este diagrama representa o sistema clorofórmio – tetra-hidrofurano a 30ºC
Bibliografia
J.M. Smith, H.C. Van Ness e M.M. Abbott, Introdução à Termodinâmica da Engenharia Química, LTC, 2000. solução líquida, L=2 solução gasosa, L=2 mistura de gás + líquido, L=1 mistura de gás + líquido, L=1 azeotropo
QUESTÕES OPTATIVAS Questão 3
Explique os efeitos do aumento da pressão total (com temperatura constante) e do aumento da temperatura (com pressão constante) na reação de oxidação do hidrogênio gasoso pelo oxigênio gasoso para a formação de água (vapor). Escreva a reação química apropriada, a condição de equilíbrio em termos dos potenciais químicos das espécies presentes e a equação de equilíbrio final em termos das pressões parciais das espécies químicas. Considere que a fase gasosa se comporta como um gás ideal. Reação química:
Condição de equilíbrio em termos dos potenciais químicos
Equação de equilíbrio em termos das pressões parcais
é a variação da energia de Gibbs para a reação apresentada. É função somente da temperatura, T.
R é a constante dos gases
O efeito do aumento da pressão total com a temperatura constante será deslocar a reação para o lado que tiver menor número de moles segundo a estequiometria. Assim sendo, o aumento da pressão irá favorecer a formação da água. O efeito da pressão pode ser demonstrado substituíndo as pressões parciais pela fração molar vezes a pressão total.
O efeito do aumento da temperatura coma pressão constante será deslocar a reação para o lado dos reagentes pois esta é uma reação exotérmica. O efeito da temperatura pode ser demonstrado aplicando derivando a constante de equilíbrio da reação, K(T), em função da temperatura e demonstrando que esta derivada depende da entalpia da reação, , que é negativa porque é uma reação exotérmica.
Bibliografia
Sólidos podem ser divididos em dois grandes grupos: cristalinos e amorfos. Defina e diferencie claramente esses dois grupos e descreva as caracterísiticas geométricas dos sete sistemas cristalinos.
Nos sólidos cristalinos os átomos estão organizados de maneira sistemática, com simetrias e distâncias interatômicas que não sofrem mudanças muito grandes ao longo de todo o cristal. Este é um arranjo de longo alcance. Nos materiais amorfos, os átomos mantém as distâncias interatômicas similares às dos materiais cristalinos, mas a ordem de longo alcance deixa de existir e, portanto, não existem nenhuma simetria de longo alcance.
Os sete sistemas cristalinos são definidos com base em paralelogramas que apresentam as seguintes propriedades:
sístema cúbico: todos os lados são iguais entre si e os ângulos entre as diferentes faces do paralelogramo são iguais a 90º. É um cubo.
sistema tetragonal: os lados da base são iguais entre si, o lado perpendicular à base é distinto e os ângulos entre as diferentes faces do paralelogramo são iguais a 90º
sistema romboédrico: todos os lados são iguais entre si e os ângulos entre as diferentes faces do paralelograma são também iguais entre si mas diferentes de 90º. sistema hexagonal: os lados da base são iguais entre si e formam um ângulo de 120º, os demais ângulos são iguais a 90º. O lado perpendicular a base possui um comprimento diferente dos lados da base.
sistema ortorrômbico: os lados possuem diferentes comprimentos mas todos os ângulos são iguais a 90º.
sistema monoclínico: os lados possuem diferentes comprimentos e dois ângulos entre as faces são iguais a 90º e um ângulo é distinto de 90º.
sistema triclínico: todos os lados possuem diferentes comprimentos e todos os ângulos são distintos entre si e diferentes de 90º.
Bibliografia
W. D. Callister, Jr., Materials Science and Engineering, 3rd edition, John Wiley & Sons, 1994.
Questão 5
Explique as características básicas de um gás de Van der Waals e como esse gás se diferencia de um gás ideal.
O gás de Van der Waals pode ser descrito pela equação de estado:
em que V é o volume molar, R é a constante dos gases, T é a temperatura e P é a pressão.
O parâmetro a considera interação eletrostática entre as moléculas gasosas, normalmente, interações entre dipolos elétricos. Portanto, as moléculas de um gás de Van der Waals sofrem interação, enquanto em gases ideais somente existe o choque elástico.
O parâmetro b considera que um gás real possui um volume físico diferente de zero. Esse parâmetro é um volume de exclusão ao redor de cada molécula gasosa. Gases ideais são pontuais.
Bibliografia
A calorimetria diferencial de varredura é um importante método analítico na caracterização de polímeros. Explique os conceitos fundamentais desse método e dê duas quantidades experimentais que podem ser obtidas quando se analisa um material polimérico.
A calorimetria diferencial de varredura se propõe medir a quantidade de calor liberada, ou absorvida, por um determinado material durante um ciclo térmico bem definido, normalmente com uma taxa de aquecimento, ou resfriamento, constante. Esta quantidade de calor está associada à capacidade calorífica do material analisado e a qualquer tipo de reação que venha ocorrer no material durante o ciclo térmico. Normalmente o calorímetro mede a diferença de calor entre a amostra e um padrão que está submetido ao mesmo ciclo térmico, para realçar pequenas variações e eliminar parcialmente o efeito da capacidade calorífica da amostra.
Temperatura e entalpia de fusão de um plástico. Permite identificar diferentes tipos de blendas poliméricas e as quantidades presentes de cada polímero nos casos mais simples. Permite também avaliar a degradação de um polímero, pois irá causar mudanças na temperatura de fusão. Permite determinar o grau de cristalização pela medida da entalpia liberada durante a fusão de uma amostra, desde que se conheça a entalpia de fusão de um polímero 100% cristalino.
Temperatura e entalpia de cristalização de um polímero inicialmente fundido, obtido durante o resfriamento.
Temperatura vítrea de polímeros que apresentam fase amorfa, ou são amorfos.
Estudo da oxidação de polímeros em condições isotérmicas Bibliografia
Questão 7
Explique o fenômeno de fluorescência de raios X: como pode ser produzido e como é empregado na análise qualitativa e quantitativa de materiais. A fluorescência de raios X resulta da retirada dos elétrons mais internos de um átomo por um feixe de elétrons, ou um feixe de raios X, com energia suficientemente elevada para causar a a saída do elétron mais interno. Com a saída de um elétron mais interno, por exemplo da camada K (1), os elétrons das camadas superiores irão relaxar para a camada mais interna e, quando este processo ocorre, irão causar a emissão de uma radiação com uma energia igual a diferença energética entre as duas camadas. Essa radiação é uma característica de cada tipo de átomo e, portanto, pode ser empregada para identificar o átomo que está emitindo a luz. Algumas vezes no lugar da radiação pode ser emitido um elétron com energia também característica da transição eletrônica envolvida. Esse elétron é denominado de elétron Auger.
Este processo é a base da análise qualitativa de materiais por fluorescência de raios X. A análise quantitativa mede todas as energias emitidas por uma amostra e argumenta que a intensidade de uma certa energia (comprimento de onda) depende da quantidade de átomos presentes no material analisado. No entanto, a análise quantitativa é complicada pelos efeitos da absorção do raios X emitido pelo próprio material analisado e a fluorescência secundária causada por raios X gerados de outros átomos.
Bibliografia
J.I. Goldstein, D.E. Newbury, P. Echlin, D.C. Joy, C. Fiori, E. Lifshin, Scanning Elecron Microscopy and X-Ray Microanalysis, Plenum Press, 1984.
Eletrólitos sólidos e líquidos são bastante importantes na determinação da concentração de determinadas espécies químicas. Em particular, zircônia estabilizada pela ítria (ZrO2-Y2O3) pode ser empregada na determinação da concentração de oxigênio em gases efluentes. Nesta aplicação, esse eletrólito faz parte de uma célula de concentração de oxigênio contendo concentrações distintas nos dois lados do eletrólito. Descreva e explique as equações eletroquímicas envolvidas nesta técnica e a equação de Nernst correspondente.
O sistema eletroquímico proposto pode ser representado por:
A presença do metal platina é somente para contato elétrico e não participa da reação eletroquímica.
As reações eletroquímicas são idênticas a esquerda e a direita, a única mudança são as pressões parciais de oxigênio. O oxigênio gasoso diatômico se dissocia e forma dois ions de oxigênio, totalizando quatro unidades de carga elétrica transportada pelo eletrólito.
.
A reação total será correspondente ao transporte do oxigênio na forma iônica do eletrodo com maior potencial para o eletrodo com menor potencial de oxigênio. Se a pressão do oxigênio for menor no eletrodo β:
E a equação de Nernst correspondente será:
O 4 nesta reação corresponde a movimentação de 4 cargas negativas (elétrons). A equação fornece a diferença de potencial elétrico causado pela diferença de pressões parciais de oxigênio. A F é a constante de Faraday e corresponde ao transporte de um mol de carga elétrica.
Bibliografia
Questão 9
Defina materiais nanométricos e apresente e explique duas propriedades importantes que eles possuem quando comparados com suas formas maciças.
Materiais nanométricos são materiais que possuem pelo menos uma dimensão na faixa de 1 até 100 (ou 200) nm. Pode-se obter partículas nanométricas em que todas as dimensões estão na faixa definida acima, fios nanométricos em que duas dimensões estão na faixa definida acima e filmes nanométricos em que somente uma dimensão está na faixa definida acima.
São também materiais nanoestruturados os materiais compósitos envolvendo normalmente uma carga nanométrica e a matriz maciça.
A primeira propriedade dos materiais nanométricos é a razão área para superfície ser extremamente elevada. Se considerarmos uma esfera com raio R, a razão da área para o volume será dada por:
Esta relação mostra que quanto menor o raio da esfera maior será a área por unidade de volume. As áreas extremamente elevadas dos materiais nanométricos favorecem as reações química superficiais.
Além do fator área, os átomos superficiais estão com ligações atômicas incompletas e, portanto, em condições mais ativadas para participar de processos físico-químicos, ou bioquímicos.
Bibliografia
Conceitue copolímeros e blenda de polímeros mostrando claramente a diferença entre esses dois tipos de sistemas poliméricos.
Copolimeros são polímeros sintetizados com dois ou mais monômeros distintos que estão ligados na cadeia polimérica. Por exemplo, um copolímero periódico com unidades A e B criará a cadeia A-B-A-B-A-B-A-B-A-B; enquanto um copolímero em bloco poderá ter a seguinte cadeia B-B-B-B-B-A-A-A-A-A.
Blenda de polímeros é efetivamente uma solução de dois ou mais polímeros distintos que não estão unidos por ligação atômica, mas como uma mistura no nível molecular, uma solução. Pode-se construir um diagrama de fases da blenda de dois polímeros. As blendas de polímeros podem ser miscíveis ou imiscíveis. Dois polímeros com blendas imiscíveis irão apresentar duas temperaturas vítreas, associadas aos dois polímeros que formam a blenda.
Bibliografia
W. D. Callister, Jr., Materials Science and Engineering, 3rd edition, John Wiley & Sons, 1994.
Questão 11
Defina polímeros termofixos e termoplásticos e explique comportamento que apresentam em função da temperatura. Dê uma breve explicação para a diferença entre esses polímeros relacionada com ligações atômicas.
Polímeros termoplásticos amolecem quando aquecidos. Eles são constituídos de cadeias longas que se atraem por ligações fracas de Van der Waals, ligações que têm sua origem em dipolos elétricos. Com o aquecimento, a agitação térmica é suficiente para enfraquecer essas ligações e os polímeros amolecem. Essas ligações fracas também são conhecidas como ligações secundárias
Polímeros termofixos criam ligações primárias covalentes entre as cadeias poliméricas através de reações químicas causadas por um produto químico apropriado, dessa maneira os polímeros termofixos normalmente são constituídos de redes tridimensionais de ligações covalentes. Polímeros termofixos não amolecem quando aquecidos, mas perdem o hidrogênio e se decompõem.
Bibliografia
W. D. Callister, Jr., Materials Science and Engineering, 3rd edition, John Wiley & Sons, 1994.
Faça um desenho esquemático de um diagrama temperatura versus pressão para um sistema binátio A-B que forma um único eutético. A espécie química A funde numa temperatura maior que a espécie química B. As duas espécies são imiscíveis na fase sólida. Especifique claramente as fases presentes em cada região do diagrama. Escolha uma temperatura intermediária entre a temperatura de fusão de A puro e B puro e faça um desenho esquemático da variação da atividade química de A em função da fração molar de A nesta temperatura empregando como referência A puro, sólido. Indique as fases presentes em cada região característica.
A linha tracejada horizontal indica a temperatura escolhida para apresentar a atividade química de A. A linha tracejada vertical indica a posição do liquidus. Na região onde as fases líquido e A puro coexistem, a atividade química de A é igual a 1 para a referência A puro, sólido. A fração molar de A varia de A (B puro) até 1 (A puro), marcadas no diagrama pelas letras que indicam a espécie química.
Bibliografia
W. D. Callister, Jr., Materials Science and Engineering, 3rd edition, John Wiley & Sons, 1994.
