Grupo de Materiais de Construção Departamento de ... · Química dos materiais E Propriedades da...

Grupo de Materiais de ConstruçãoDepartamento de Construção CivilUniversidade Federal do Paraná

Direitos Reservados UFPR

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Prof. Marcelo Medeiros

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Departamento de Construção Civil

Universidade Federal do Paraná

Química dos materiaisE

Propriedades da águaMateriais I - (TC-030)


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DEFINIÇÕES

Química:

Ciência que estuda as substâncias, suas propriedades,suas composições e suas transformações.

Matéria:

É tudo que tem massa e ocupa espaço.

Constituída por partículas muito pequenas chamadas moléculas,cuja ordem de grandeza é de 1 Â (10-10 cm).

1 cm3 de água (H2O) contém 33 X 1021 moléculas


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Substâncias e misturas

Substâncias:

Compostas apenas de um tipo de moléculas ou átomos.

Substância simples constituída por um único tipo deátomo.Exemplos:

Metal ferro - Fe2

Gás oxigênio - O2.

Substância composta constituída por mais de um tipo deátomo.Exemplos:

Água pura - H2OSal comum - NaCl


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Substâncias e misturasMisturas:

Consiste em duas ou mais substâncias misturadas.

Algumas podem ser identificadas visualmente.

Exemplo:Granito - grãos de quartzo branco, mica preta e feldspato rosa e outrosminérios.

Outras misturas requerem outros métodos de verificação.

Exemplos:

Leite – a olho nu só se vê um líquido branco.Com microscópio observa-se partículas brancas e constata-se que éuma mistura.

Água salgada – Não se vê o sal (íons) dissolvido.É necessário evaporar a água para observar o sal.


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Estados da matéria:

A matéria pode existir em três estados:

• Sólido - Mantém volume e forma.

• Líquido - Mantém volume, adquire a forma do recipiente.

• Gás - Não mantém volume nem forma, varia c/ o recipiente.


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Gases e líquidos têm a capacidade de fluir, são chamadosde fluídos.

Sólidos – moléculas, muito próximas, mantém posição poratração e coesão.

Estado cristalino: Disposição geométrica regular dasmoléculas -

Corpo cristalizado é anisotrópico.



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Sólidos

Disposição irregular das moléculas - estado amorfo.

- Líquido pode ser obtido a partir de um sólido, peladiminuição das forças de atração ou de coesão.

- Gás é obtido pela supressão das forças de atração ou decoesão.


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Sólidos

Material Cristalino Material amorfo


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Misturas homogêneas e heterogêneas:

Mistura homogênea - apresenta apenas uma fase = SOLUÇÃOExemplos: água salgada, gasolina, ar, etc.

Apresenta-se em qualquer dos três estados: sólida, líquida ou gasosa.

Os componentes de uma solução podem ser separados por processos

físicos, sem o uso de reações químicas.


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Qual a diferença entre uma solução homogênea euma substância pura?


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Substância pura = água = ferve a temperatura constante.

Pto. de ebulição de solução varia c/ concentração doscomponentes:

Exemplo 1: (água salgada) - quanto maior a % de saldissolvido, maior será o ponto de ebulição.

(Mistura de líquidos) - apresenta diferentes temperaturas deebulição, uma p/ cada líquido. Pode-se separa-los peladestilação.Exemplo 2: Petróleo.


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Soluções e misturas:



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Dos átomos a matéria:


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As transformações da matéria:

Podem ser físicas ou químicas.

Transformações físicas não alteram a identidade dassubstâncias.

Exemplos:• Chumbo fundido (derretido) continua sendo chumbo.

• Água gelada, gelo, continua sendo água, agora no estadosólido.

• Um pedaço de ferro pode ser retorcido e continua sendoferro.


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As transformações da matéria:

Transformações químicas:

Substâncias são destruídas e novas são formadas.

Exemplo de transformação ou reação química:

Ferro exposto à água:

- Reage com o oxigênio e a água aparecendo a“ferrugem”.

“ferrugem” = substância nova (óxidos e hidróxidos deferro).

Reagentes = substâncias iniciais. (ferro, oxigênio e água)

Produtos = novas substâncias formadas. (óxidos e hidróxidosde ferro)


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Leis das transformações químicas:

Primeira lei - A.L. Lavoisier, em 1774

Lei da conservação da massa:

A soma das massas dos produtos é igual a soma dasmassas dos reagentes.

Não há destruição, nem criação de matéria, apenastransformação.

Exemplo:Queima de papel - decompõe em gases e cinzas.Massa do papel = massa das cinzas + massa dos gasesproduzidos na decomposição (queima).


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Leis das transformações químicas:

Segunda:

Lei das proporções definidas:Mais importante propriedade de um composto, suacomposição fixa em massa.

Exemplo:

Cloreto de sódio- 39,44% da massa total é sódio e 60,66%é cloro.

Água- 11,19% de hidrogênio e 88,91% de oxigênio.


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Energia:

Termo bastante usado e de difícil definição.

Energia é a habilidade ou capacidade de produzir trabalho(transformação).

Formas: mecânica, elétrica, calor, nuclear, química e radiante.

Trabalho mecânico é realizado quando um objeto é movimentado contrauma força de oposição.

Exemplo:Ao levantarmos um objeto, realizamos trabalho sobre o objeto, porque odeslocamos contra a força de oposição da gravidade.



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Energia mecânica:

É a energia que um corpo possui devido a seu movimento ou posição.

Energia cinética: (Ek) - É a energia de movimento.Depende da massa do corpo (m) e de sua velocidade (v).

Ek = ½ mv2

Energia potencial: (Ep)Depende da posição do objeto, e não do seu movimento.Corpo ganha energia potencial quando é levantado contra a força dagravidade.

A energia potencial do corpo (Ep) depende da distância (d) movida pelocorpo e da força de oposição (F) ao seu movimento.

Ep = F. d

Energia pode ser transformada de uma forma para outra forma, não podeser destruída e nem criada.


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Calor e temperatura:

Calor - energia transferida de um corpo mais quente para um mais frio.

Temperatura - medida da energia cinética média das partículas de umcorpo.

Quando o calor é transferido p/ um corpo: a energia cinética média desuas partículas aumenta, estas movem-se mais rápido e a temperaturaaumenta.

Algumas vezes a transferência de calor para um corpo não aumenta asua temperatura.

Exemplo:Adição de calor ao gelo a 0ºC, não causa aumento de temperatura.O gelo forma água líquida a 0ºC. A energia na água líquida é maior doque a do gelo, a 0ºC.


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Átomo:

Menor elemento das moléculas.Partículas submicroscópicas de que toda a matéria écomposta.

92 elementos naturais + elementos artificiais (criados pelafísica nuclear)

O átomo é formado por:

Núcleo - positivo.Elétrons - satélites negativos.Distribuídos camadas K, L, M, N, O, P, Q - em volta donúcleo, definindo níveis decrescentes de energia.


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Átomo:

O núcleo contém prótons.Todos os núcleos mais pesados que o hidrogêniopossuem nêutrons.• Prótons e nêutrons = maior parte da massa do átomo.• Prótons e nêutrons = partículas de mesma massa.• Próton possui carga positiva e o nêutron é eletricamenteneutro.• Número de cargas elétricas positivas no núcleo =número de cargas elétricas negativas (elétrons).• Elétron é mais leve, tem cerca de 1/1.836 da massa dopróton.


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Átomo:

1913- Niels Bohr - (Prêmio Nobel de Física de 1922)Núcleo rodeado por elétrons em órbitas, semelhante aosplanetas em redor do Sol.


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Os átomos:

O número de cargas positivas no núcleo de um átomo ésempre igual ao número de elétrons circundantes =número atômico do elemento.



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Os átomos:

Hidrogênio (H) é o mais simples dos elementos.Núcleo de 1 próton e 1 elétron.


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Os átomos:

Segundo mais simples: hélio (He)2 prótons e 2 elétrons.


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Átomo:


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Átomo:

O núcleo = prótons positivos e nêutrons.Estes últimos equilibram as forças de repulsão dos prótons.

Constantes do núcleo:

Número de prótons ZDetermina o número atômico, 1 (hidrogênio) a 92 (urânio),Indica igualmente a carga e o número de elétrons.

Número de massa AIndica a soma de partículas prótons + nêutrons = massa atômica.

Cada elemento tem um número atômico específico.


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Átomo:

Simbolizadas da seguinte maneira:

Núcleo de urânio composto de 238 partículas92 prótons e (238 - 92) = 146 nêutrons.

Número de prótons Z

Número de massa A


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Elementos químicos:Não-metais

Hidrogênio (H), Carbono (C), Nitrogênio ou azoto (N), Oxigênio (O),

Flúor (F), Fósforo (P), Enxofre (S), Cloro (Cl), Selénio (Se), Bromo (Br),

Iodo (I) e Antimônio (At)



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Elementos químicos:

Gases nobres

Hélio (He), Néonio (Ne), Argônio (A), Criptônio (Kr), Xenônio (Xe) e

Radônio (Rn)


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Metais alcalinos - Grupo 1 (I A)

Lítio (Li), Sódio (Na), Potássio (K), Rubídio (Rb), Césio (Cs) e Frâncio (Fr)



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Metais alcalino-terrosos - Grupo 2 (II A)

Berílio (Be), Magnésio (Mg), Cálcio (Ca), Estrôncio (Sr), Bário (Ba) e

Rádio (Ra)



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Elementos de transição

Titânio (Ti), Vanádio (V), Cromo (Cr), Manganês (Mn), Ferro (Fe),

Cobalto (Co), Níquel (Ni) e Cobre (Cu)

Zircônio (Zr), Nióbio (Nb), Molibdênio (Mo), Tecnécio (Tc), Rutênio (Ru),

Ródio (Rh), Paládio (Pd) e Prata (Ag)

Háfnio (Hf), Tantálio (Ta), Tungstênio (W), Rênio (Re), Ósmio (Os), Irídio

(Ir), Platina (Pt) e Ouro (Au)



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Elementos de transição



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Metais representativos

Alumínio (Al), Gálio (Ga), Indio (In), Estanho (Sn), Titânio (Ti),

Chumbo (Pb) e Bismuto (Bi)



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Metalóides

Boro (B), Silício (Si), Germânio (Ge), Arsênico (As), Antimônio (Sb),

Telúrio (Te) e Polônio (Po)


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As moléculas:

Em muitas substâncias, os átomos são agrupados em

agregados de dois átomos ou mais.

Tal agregado de átomos é chamado de molécula.

Em uma molécula, os átomos componentes permanecemunidos por forças chamadas ligações químicas.

Molécula = composto de partículas de 2 ou mais átomosquimicamente ligados um ao outro.

Gases, as moléculas estão afastadas.


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As ligações atômicas:

Átomos com a camada periférica completa: gases raros ou inertes

São muito estáveis.

Estabilidade permanente - 8 elétrons na últimacamada (2 no caso do hélio).

Alguns minerais (Ex.: ouro) são compostos por apenas um elemento.

Maioria das substâncias é composta por diversos elementosformando um composto químico estável.

As propriedades químicas dos átomos são função da última camadade elétrons.

O tipo de ligação química entre os elementos é determinado peloselétrons do nível de valência, que definem a afinidade química doselementos.



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Metais são elementos eletropositivos.Liberam facilmente os elétrons da camada periférica.

Metalóides são eletronegativos.Têm tendência a completar a sua última camada periférica.

O número de elétrons cedido pelos metais define o número de ligaçõesou valências.

Mono, bi, tri, valentes = 1, 2, 3, ... valências.

As ligações entre os átomos, podem ocorrer por:

Abandono de elétrons, de um átomo em benefício de outro.(metal para metalóide).

Utilização em comum de elétrons periféricos para completar a últimacamada (metalóide para metalóide); ligação por covalência, estávele freqüente nos materiais plásticos.


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A coesão entre as moléculas:

Átomos ligam entre si por valência ou covalência.

Moléculas atraem entre si pelas forças de coesão polares.

Devidas à distribuição desigual das cargas positivas e negativasna molécula.

As forças de coesão determinam as propriedades físicas e químicasdos materiais.

São influenciadas pela temperatura, pressão, campos elétricosou magnéticos, esforços mecânicos, etc.

O estado físico que os materiais se apresentam, é conseqüência dasforças de atração entre os átomos e as moléculas que o constituem.


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Ligações primárias (fortes):

• Ligação iônica;

• Ligação covalente;

• Ligação metálica.

Ligações secundárias – forças de van der Walls:

• Moléculas polares;

• Dipolos induzidos;

• Pontes de hidrogênio.


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Ligação iônica:

É a mais simples. Se explica pelo aparecimento de forçascoulombianas (recebendo e doando elétrons).


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Ligação iônica:

Se tirarmos um elétron de um átomo, ele deixa de ser neutro, pelo desequilíbrio entre seu número de prótons e de elétrons.

Composto iônico é uma substância composta cujoscomponentes ou grupo de componentes apresentamcargas elétricas.


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Ligação iônica:

Quando um átomo forte (com grande eletronegatividade) se liga a um átomo fraco (com baixa eletronegatividade), há transferência definitiva de elétron do mais fraco para o mais forte.

Fracos

Forte



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Ligação iônica:

Exemplo:Na+ e o Cl- se unem, formando o NaCl, cloreto de sódio ousal de cozinha, sólido.


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Al2O3 - metal com não-metal(óxido de alumínio)

PbI - metal com não-metal(iodeto de chumbo)

FeS - metal com não-metal(sulfeto de ferro)

Ligação iônica:

Outros Exemplos:


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Ligação covalente:

Aproximação intensa entre dois elementos químicos quevão se ligar (alguns elétrons da última camada devalência de um dos átomos circundam o núcleo do outroátomo e vice-versa).


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Os elementos não perdem nem ganham elétrons, massim os compartilham.

Composto covalente:Substância composta cujos componentes nãoapresentam carga elétrica e interagem entre sidirecionalmente.


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A força de ligação covalente é evidenciada no diamante,constituído inteiramente por carbono.

Elevada dureza (10 na escala Mohs) e elevadatemperatura (3.300ºC) para sua dissociação atômica.

O átomo de carbono tem 4 elétrons na camada de

valência, que são compartilhados com 4 átomos

adjacentes, forma reticulado tridimensional todo ligado porpares covalentes.


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Molécula de oxigênio O2 Molécula de metano CH4



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O2 - não-metal com não metal(oxigênio molecular)

CO2 - não-metal com não-metal (dióxido de carbono)

H2O - não-metal com não-metal(água)

CH4 - não-metal com não-metal(metano)

Ligação Covalente:

Exemplos:


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Ligação metálica:

Átomos com poucos elétrons de valência podem perde-los com facilidade.

Os demais são firmemente ligados ao núcleo.

Fracos

Forte


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Cu – 29 elétronsFe


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Com a perda dos elétrons da última camada de valência,os átomos metálicos remanescentes tornam-se íonspositivos.

Com a saída dos elétrons da última camada, há umdesbalanceamento elétrico, tendo o núcleo uma maiorquantidade de cargas positivas do que a eletrosfera decargas negativas.


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Estruturas formadas por íons positivos e elétrons “livres”que fazem o papel de íons negativos aparecendo forçaselétricas coulombianas de atração.

A ligação metálica pode ser considerada como umaatração entre íons positivos e elétrons livres.

Exemplo : cobre


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Os elétrons livres dão aos metais sua elevadacondutibilidade elétrica e térmica.

“Nuvem” de elétrons absorve a energia luminosa, torna osmetais opacos.



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Metal:É uma substância simples, cujos constituintes são ospróprios componentes e interagem entre si não-direcionalmente.

Composto metálico:Substância composta, cujos componentes nãoapresentam carga elétrica e interagem entre si não-direcionalmente.


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Forças de van der Waals:

É uma ligação secundária fraca, mas que também contribuipara a atração interatômica.

Em geral se originam de dipolos elétricos, sãoconseqüência da assimetria da molécula.

+ - + -


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O centro de carga positiva não coincide com o centro decarga negativa, originando o dipolo.

São forças de atração que não envolvem cargasindividuais ou transferência de elétrons.

Existem entre todos os íons e átomos de um sólido, maspodem estar obscurecidas pelas ligações fortes presentes.


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(a) nas moléculas assimétricas ocorre um desbalanceamento elétricodenominado polarização.

(b) Este desbalanceamento produz um dipolo elétrico com umaextremidade positiva e outra negativa.

(c) Os dipolos resultantes originam forças de atração secundáriasentre as moléculas. A extremidade positiva de um dipolo é atraídapela negativa de outro.


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Pontes de hidrogênio:

É um caso particular de atração por moléculas polares, emque a carga positiva do núcleo do átomo de hidrogênio deuma molécula é atraída pelos elétrons de valência deátomos de moléculas adjacentes.

Exemplo: água


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Microestrutura da matéria - Arranjos atômicos:

Os arranjos das estruturas moleculares, que formam amicroestrutura da matéria são diferentes a cada fase ouestado.

Sólidos = as moléculas estão muito próximas, mantêm-seno lugar pelas forças de atração e coesão.

Pode-se obter um líquido a partir de um sólido, peladiminuição das forças de atração ou de coesão.

Um gás é obtido pela supressão da quase totalidade dasforças de atração ou de coesão.



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Material

Cristalino

Não-cristalino ou amorfo


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Cristalinos:Arranjo dos átomos se repete ou que é periódico aolongo de grandes distâncias.

Ex: metais; materiais cerâmicos

Não cristalino ou Amorfo:Disposição irregular das moléculas, sem forma simétrica.

Ex: Vidro; materiais cerâmicos; cinza de casca de arroz;sílica ativa; escória de alto forno


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Estrutura cristalina:

Muitos materiais de interesse à construção civil tem arranjosatômicos com repetições nas três direções.

Exemplos:- As superfícies externas planas dos cristais de pedras preciosase quartzo são manifestações dos arranjos cristalinos internos.

- Sal de cozinha forma cubos devido a estrutura cristalina doNaCl.- MgO tem estrutura cristalina cúbica.- Ca(OH)2 forma prismas hexagonais.


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Sal de cozinha, esferas verdes são os átomos de

cloro (Cl-) e as esferas cinzas os átomos de sódio (Na+)

Cristais de produtos de cimento Portland hidratado



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Micrografias de MEV mostrando as estruturas hexagonais dos cristais de Ca(OH)2222 (ou estruturas C-H)



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Micrografia eletrônica (MEV) de cimento Portland hidratado

mostrando os cristais de etringita e monossulfato hidratado.

(Mehta e Monteiro, 1994)




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Todos os cristais têm reticulado cristalino, que obedece a uma das14 formas geométricas possíveis. (reticulados de Bravais)

Cada grupo espacial tem uma capacidade maior ou menor deadaptar-se às solicitações externas a que seja submetido.

A visualização e a identificação do reticulado cristalino é possívelatravés de microscopia eletrônica.

MEV – Microscópio Eletrônico de Varredura



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Ca(OH)2222 (Wikipedia)


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AÇO(Wikipedia)


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Os metais são compostos por aglomerados de cristais, formando uma estrutura granular perfeitamente visível.

Metalografias mostrando os grãos de cristais de um aço manganês (esquerda) e liga zinco-níquel (direita).



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O arranjo cristalino é a forma de organização da matériade mínima energia.

Estado cristalino é o mais estável p/ qual todo processo detransformação tende.



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Polimorfismo:

Alguns metais ou não-metais podem ter mais do que umaestrutura cristalina.

Exemplo:Carbono

• Grafita – condições ambientes• Diamante – em condições extremamente elevadas depressão e temperatura


Grafita Diamante



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Polimorfismo:

Exemplo:Carbono

• Grafita – condições ambientes• Diamante – em condições extremamente elevadas depressão e temperatura


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Sólidos amorfos (ou vítrea):

Não apresentam ordem estrutural em um estado normal.

Alguns materiais podem mudar de estrutura cristalina paraamorfa e vice-versa.


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Pode ser obtido pelo resfriamento rápido, não dandotempo para a ordenação dos cristais e formação daestrutura simétrica.

Ex: Cimento – Argila + Calcário + calor = cimento(amorfo e reativo)



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Nos materiais amorfos, na solidificação, reduz-se a

capacidade de mobilidade das moléculas, antes que elas

se arranjem em posições mais cristalinas.



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Vidro comumPolicarbonato

Materiais amorfos podem existir em estados "borrachosos" e estados "vítreos".



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Basalto

Sílica ativa ou microssílica (adição p/ obter Concreto de Alto Desempenho - CAD)




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Propriedades físico-químicas da água:

Água – Conceitos gerais:

É o estado líquido do composto hidrogênio e oxigênio: H2O.

1804, Gay-Lussac e A. Von Humboldt:


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• Quase toda a água do planeta está concentrada nos oceanos.

• Menos de 3% está em terra e a maior parte desta está sob a forma de gelo e neve ou abaixo da superfície (água subterrânea).


Água – Dados gerais:

• Cerca de 1% está diretamente disponível ao homem e aos outros organismos, sob a forma de lagos e rios, ou como umidade presente no solo, na atmosfera e como componente dos mais diversos organismos.


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SOLVENTE UNIVERSAL



• Componente principal da matéria viva.

• Constitui de 50% a 90% da massa dos organismos vivos.


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Resumindo:

A água é muito importante para as propriedades químicas e físicas dos materiais

Nem sempre para o bem!!!

Responsável por manifestações patológicas no concreto


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Nada disso ocorreria sem água

Foto: M. Medeiros (2006) - SP


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Foto: M. Medeiros (2003) - RJ


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Foto: M. Medeiros (2010) - SP



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Calor específico:

Define a variação térmica de uma dada massa de uma substância aoreceber determinada quantidade de calor.

Unidade:

SI J/kg.K (Joule por Kilograma Kelvin).

cal/g.°C (Caloria por Grama Grau Celsius).


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Calor específico:

O calor específico da água é muito alto, fazendo com que a águaatue de forma importante no equilíbrio da temperatura dos sistemas,impedindo mudanças bruscas de temperatura.

Calor específico = cCapacidade térmica de um corpo = CMassa do corpo = m m

Cc=


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Calor específico:

É possível determinar a partir da quantidade de calor cedida a umcorpo, da variação térmica resultante e da massa desse corpo.

Quanto maior o calor específico de uma substância, menores variações de temperatura ela experimenta.

Tm

Qc

∆=

Calor específico = c Quantidade de energia = QVariação de temperatura = ∆TMassa do corpo = m


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Calor específico:

O calor específico da água é o número de calorias necessáriaspara elevar 1 grama de água de 14,5°C para 15,5°C.

É o valor mais alto entre os solventes comuns.

H2O – 1,0 cal/g oCÁlcool – 0,58 cal/g oC

Água atua como importante fator de termorregulação.



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Calor específico - Aplicações na engenharia:Grandes massas de concreto:

A hidratação do cimento Portland é exotérmica.


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Grandes massas de concreto:

Grandes massas de concreto, como barragens geram enormesquantidades de calor.

A concentração e dispersão deste calor é lenta e complexa, levando aformação de gradientes de temperaturas.

Calor específico - Aplicações na engenharia:


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Calor específico - Aplicações na engenharia:Grandes massas de concreto:

Modelo termo-químico-mecânico da

fase construtiva de barragem de usina

hidrelétrica.

(E. M. R. Fairbairn, F. L. B. Ribeiro, R. D. Tolêdo-F.)


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O que ocorre quando o concreto aquece?



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E quando esfria?



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E se o concreto aquecer e depois esfriar?

Surgimento de tensões internas!!!




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Qual a conseqüência disso?

A estrutura pode fissurar seriamente!!!



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O que fazer?



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Pré-resfriamento

Pós-resfriamento



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Pós-resfriamento

Utiliza-se do alto calor específico da água, por meio de tubulaçõesmetálicas instaladas preliminarmente dentro das estruturas, bombeia-seágua resfriada.

A grande capacidade térmica da água retira o calor de dentro doconcreto.




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Instalações para resfriamento e

bombeamento da água

Tubulação para circulação de água gelada

Esquema de tubulações para

circulação de água

(José Marques Filho)





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Pré-resfriamento – Com a finalidade de minimizar o aumento detemperatura do concreto, utiliza-se resfriar os materiais dos quais eleé produzido, imediatamente antes da mistura.

Refrigera-se a água a temperaturas abaixo de 5oC.





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Pré-resfriamento

Pode-se também refrigerar os agregados e o concreto com nitrogêniolíquido. As rochas tem menor calor específico do que a água.

Estas operações também geram um retardo nas reações dehidratação do cimento.

Pré-resfriamento do concreto com

nitrogênio líquido



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Pré e Pós-resfriamento de grandes massas de concreto:

Central de produção de concreto de Tucuruí



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Pré-resfriamento de grandes massas de concreto:

Central de produção de concreto de Itaipú



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Solventes são substâncias capazes de dissolver coisas -estado físico da dissolução.

Dissolução de água e sal de cozinha:

- a água é o solvente porque dispersa no seu seio o sal

A água tem poder de dissolução muito grande.

Poder de dissolução:


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Propriedade importante:

• Muitas reações químicas, como a hidratação do cimentoPortland, ocorrem em solução.

• A água é importante meio de transporte de substâncias dentro efora dos materiais sólidos.


H2O = SOLVENTE UNIVERSAL


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A água solubiliza agentes agressivos ao concreto como ácidos,sulfatos e outros.

Com estes agentes dissolvidos, ela penetra nos poros doconcreto.

Degradação do concreto

O que acontece?





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Meio de transporte:

Transporta substâncias dentro ou fora dos materiais sólidos,levando agentes agressivos para dentro dos materiais sólidos earrastando os resíduos para fora.


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Ca(OH)2 + Na2SO4 10H2O CaSO4.2H2O + 2NaOH + 8H2O

Ataque de sulfatos:

Poder de dissolução - Aplicações na engenharia:

Agentes agressivos reagem com o hidróxido de cálcio da pasta de

cimento endurecida, gerando uma reação expansiva.

Ataque por sulfato de sódio:

Gesso


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Sulfato de cálcio:

4CaO.Al2O3.19H2O + 3(CaSO4.2H2O) + 16 H2O 3CaO.Al2O3.3CaSO4.31H2O + Ca(OH)2

Aluminato Gesso etringita

Ataque de sulfatos:

Agentes agressivos reagem com o hidróxido de cálcio da pasta de

cimento endurecida, gerando uma reação expansiva.



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Deterioração do concreto por ataque de sulfatos:


Estrutura de concreto atacada por sulfatos

(Joana S. Coutinho)(Joana S. Coutinho)


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Deterioração do concreto – dissolução por água pura:


Barragem do Voçoroca:Barragem de gravidade com altura 21 m por 152 m de comprimento, encontrando-

se com aproximadamente 40 anos de idade na época.

(José Marques Filho - COPEL)

Acúmulo de material percolado nas juntas de concretagem


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Barragem do Voçoroca:


Detalhe da porosidade e junta de concretagem



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Aparecimento do agregado do concreto


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Prédio da FAU-USP

Marcelo Medeiros


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Lixiviação de estruturas de concreto:

Água da chuva penetra dentro do concreto por seus poros.

No interior a água solubiliza o hidróxido de cálcio Ca(OH)2, quecorresponde a 30 % da pasta de cimento hidratada.

O Ca(OH)2 vem p/ superfície carregado pela água.

Em contato com o ar, o Ca(OH)2 reage com o gás carbônico CO2.



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Eflorescências:

Pinturas: Tinta aplicada sobre o reboco úmido ou com infiltrações e/ou vazamentos.

Eflorescências através de tinta

acrílica.

Aplicações na engenharia - Meio de transporte

Manchas esbranquiçadasque surgem na superfíciedevido ao carreamento demateriais, dissolvidos dosubstrato emboço/reboco, etrazidos pela água para asuperfície.


125




Eflorescências:

Eflorescências através de tijolos

cerâmicos



126




Eflorescências:


Pelas juntas de alvenarias de blocos de concreto



22


127




Tensão superficial:

A superfície livre dos líquidos em equilíbrio se comporta comouma membrana tensa (esticada).

Entre as moléculas que constitui a matéria (sólidos e líquidos)existem forças de interação de origem elétrica.

Tensão superficial surge graças à essas forças.

Essas forças adquirem valores altos quando a distância entreas moléculas é cerca de 10-6 cm (líquidos e principalmentenos sólidos).


128




No interior do líquido:

Cada uma é cercada e atraída por outras moléculas.

Se as forças que atuam nesta molécula forem somadasvetorialmente, obteremos uma força resultante média nula.


Molécula na superfície

Molécula no interior

Gás

Líquido


129




Na superfície do líquido:

Existe uma força resultante dirigida para o interior do líquido.

As moléculas da superfície são mantidas ligadas ao restante damassa, pelas forças de interação elétrica.


Molécula na superfície

Molécula no interior

Gás

Líquido


130





Água tem grande tensãosuperficial.


131





Moléculas com cargas aderem fortemente às moléculas de água, o quepermite a estabilidade coloidal das pastas de aglomerantes como a cal,gesso e cimento Portland.


132



Propriedades físico-químicas da água:Aplicações na engenharia - Tensão superficial:

Efeito de aditivos Plastificantes (outra forma de tensoativo)

Aditivos Plastificantes:

+

- +

++-

-

-

--

- -

-

+

++

+

+++

+

++

- -

-

--

--

-

-+

+

++

+

++

+-

- --+

-

-++

++

++

+

+++

+

+

+-

-

-

- -

- - -

+-

-

- --

-

-

- -

-

--

-

--

-

-+

+

+

-

-

Sem aditivo Com aditivo

Formado por moléculas hidrófilas



23


133




Finalidade:

Aumentar a plasticidade por diminuir o atrito entre os grãos de cimento e agregados.

Aditivos Plastificantes:


134




Aplicações na engenharia - Tensão superficial:

Os aditivos incorporadores de ar (IAR) são compostos tensoativosiônicos que reduzem a tensão superficial da água.

Moléculas do aditivo

(Mehta/Monteiro)

Aditivos Incorporadores de ar:


135




Mecanismo: Hidrofugam as partículas de cimento

Incorporam ar a massa de concreto em pequenas bolhas (0,1 a 0,8 mmde diâmetro).

Moléculas do aditivo

(Mehta/Monteiro)



136




Efeitos colaterais:

Podem retardar a pega do cimento:

> Fluidez> Incorporam ar< Capilaridade


Derivados de óleos vegetais


137




Aplicações na engenharia - Tensão superficial:

Finalidade:

Aumentar a resistência do concreto ao gelo-degelo, as bolhas com ar funcionando como “espaço de escape” para os cristais de gelo, quando da solidificação da água absorvida pelo concreto.

(Mehta/Monteiro)(Mehta/Monteiro)



138



Incorporação de ar, pequenas bolhas funcionam como

“válvula de escape” p/ crescimento de volume do gelo.

Mehta & Monteiro, 2008

Gelo

Pasta de

cimento

Vazio

Tensoativos ou Incorporadores de ar - IAR



24


139




Efeitos do gelo-degelo sobre o concreto:

Obras hidráulicas




140



Revisando:

Sólidos = moléculas muito próximas, mantêm-se no lugarpelas forças de atração e coesão.

Líquidos = Moléculas um pouco mais próximas, forças deatração e coesão um pouco menores.

Gás = Quase não tem força de atração e coesão entre asmoléculas.


Capilaridade:


141




Capilaridade:

Líquidos podem fluir, suas partículas se movem independentemente,

mas não tanto como as de um gás.

Forças de coesão, agem entre as partículas do líquido.

Entre partículas do líquido e do material em que estão encostados

existe uma força de adesão.


142




Capilaridade:

O efeito das forças de adesão e coesão = capilaridade (conseqüência

da tensão superficial).

Capilaridade: é a propriedade dos fluidos de subir ou descer em tubos

muito finos.

A capilaridade atua no sentido de puxar o líquido para cima, a altura

alcançada depende da tensão superficial e do raio do tubo capilar.


143




Capilaridade:

Forças coesivas mais fortes que as adesivas.

Água subindo em tubo capilar

Forças adesivas líquido/vidro mais fortes que as forças coesivas dentro do líquido

Mercúrio

Água


144




Capilaridade:

γ

ν

rh2

=

Lei de Jurin

Onde:h = alturaV = tensão superficial do líquidor = raios do capilarγ = massa específica da água



25


145



Propriedades físico-químicas da água:Aplicações na engenharia - Capilaridade:

A umidade do solo sobe pela parede por falta de impermeabilizaçãoda viga de baldrame.

As eflorescências na parte inferior da parede causam adecomposição da pintura e do emboço.


146




Aplicações na engenharia - Capilaridade:

Difícil solução.

Preventivamente deve-se aplicar uma tira de papelão alcatroado sobre o baldrame.

(José A. Freitas Jr.)


147



Propriedades físico-químicas da água:Aplicações na engenharia - Capilaridade:

Uma tira de papelão alcatroado (feltro asfáltico) sobre o baldrame,antes do erguimento das elevações, veda a interface parede xfundações, impedindo que a umidade suba por capilaridade e osurgimento de manifestações patológicas.


148




Quando um concreto endurece e seca, a água presente nos poros saipara a atmosfera.

Esta saída origina pressões capilares, originando tensão superficialque “puxa” as paredes dos poros no sentido que estas se aproximem.

Retração em concreto


149




O concreto perde volume ou sofre retração, fenômeno quepode originar fissuras.

Procedimentos de cura p/ minimizar retração:

Manter o concreto saturado com água, nos primeirosdias, p/ água não sair enquanto não alcança certaresistência mecânica.

O que fazer?



150







26


151




Fissuras por retração



152




Sacos de aniagem encharcados


Procedimentos de Cura:


153




Aplicação de filme de (0,1mm) polietileno




154




Aplicação de agente de cura sobre concreto fresco.




155





156




Pressão de vapor:

“Umidade do ar”: Qualquer medida da quantidade devapor de água contida numa dada porção de atmosfera.

Pressão de vapor: É uma medida da tendência deevaporação de um líquido.

Depende das condições de temperatura

Líquido entra em ebulição quando sua pressão de vaporiguala-se à pressão atmosférica.



27


157




Pressão de vapor:

A pressão de vapor pode atuar de forma importante noâmbito das edificações.

Argamassas de cimento e concreto são materiais quecontém muita água


158




Bolhas em pinturas sobre alvenarias ou concreto:

A pressão de vapor surge dentro de argamassas ou concreto,decorrente da variação da temperatura ou da pressão atmosférica.

Pequenas quantidades de água contidas no interior destes materiais setransformam em vapor.

Aplicações na engenharia – Pressão de vapor:

Bolhas em pinturas


159




Bolhas em pinturas sobre alvenarias ou concreto:


Bolhas em pinturas


160




Lascamento de concreto devido ao calor:

Incêndios levam a bruscas elevações da temperatura.

A água nos poros do concreto forma vapor, que cria tensões internaselevadas dentro das argamassas e do concreto.

A pressão de vapor dentro destes materiais leva ao “spalling” oulascamento.


Sequência de incêndio em túnel. (Juçara Tanesi e Andréia Nince – TECHNE set./2002)


161






Eurotúnel após incêndio Lascamento (C. N. C.osta, A. D. Figueiredo e V. P. Silva; de ULM, 2000)


162






Eurotúnel após incêndio



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163






Viaduto em SP, 1998

(Granato- BASF)


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Viaduto em SP, 1998

(Granato- BASF)


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Universidade Federal do ParanáPropriedades físico-químicas da água:



Dano em lajes e vigas por queima de madeira em obra parada.

Reconstituição completa do concreto e armaduras.

Lixiviação do Ca(OH)2

Desintegração do concreto pelo fogo

(José A. Freitas Jr.) (José A. Freitas Jr.)


166



Referências bibliográficas:

www.wikipedia.org

www.cienciaquimica.hpg.ig.com.br/quimicainorganica/formulasquimicas.htm

CNEN – Comissão Nacional de Energia Nuclear

MATERIAIS, A. Rermy, M. Gray e R. Gonthier, São Paulo – SP, Ed. Hemus, 1993.

Apostila AÇOS do Prof. Paulo R. do Lago Helene – USP- SP.

MATERIAIS DE CONSTRUÇÃO CIVIL e Princípios de Ciência e Engenharia de Materiais, Capítulo 6 – Estrutura Atômica e Molecular dos

Materiais, Oswaldo Cascudo, IBRACON, 2007.

Grupo de Materiais de Construção Departamento de ... · Química dos materiais E Propriedades da...

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