CARGO: NAN12 QUESTÕES OBRIGATÓRIAS Questão 1 A

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 H 2O e C2H3OH,
respectivamente. O número de moles de etanol e água serão dados por:
A fração molar de etanol será dada pela expressão:
Bibliografia
R. Chang, Físico-Química, volume 1, 3a Edição, McGraw-Hill, 2009.
Questão 2
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 – tetrahidrofurano 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
mistura de gás
+ líquido, L=1
mistura de gás +
líquido, L=1
azeotropo
solução gasosa, L=2
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
R. Chang, Físico-Química, volume 1, 3a Edição, McGraw-Hill, 2009.
Questão 4
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
R. Chang, Físico-Química, volume 1, 3a Edição, McGraw-Hill, 2009.
Questão 6
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
S V Canevarolo Jr, Técnicas de Caracterização de Polímeros, Artliber, 2004.
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.
Questão 8
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
R. Chang, Físico-Química, volume 1, 3a Edição, McGraw-Hill, 2009.
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
G. Cao, Nanostructures & Nanomaterials, Imperial College Press, 2004.
Questão 10
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.
Questão 12
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.