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Engenharia Civil ·
Materiais de Construção Civil 1
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Química e Propriedades físico-químicas da água Prof. José de A. Freitas Jr. | TC 030 Materiais I MATERIAIS I - Química Aplicada (TC-030) Ministério da Educação Universidade Federal do Paraná Setor de Tecnologia Departamento de Construção Civil Versão 2023 Estrutura Atômica da Matéria, Ligações Químicas e Propriedades Físico-Químicas da Água Professores José de Almendra Freitas Jr. - freitasjose@terra.com.br Laila Valduga Artigas – artigas@ufpr.br Química e Propriedades físico-químicas da água Prof. José de A. Freitas Jr. | TC 030 Materiais I 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 Química e Propriedades físico-químicas da água Prof. José de A. Freitas Jr. | TC 030 Materiais I Substâncias e misturas Substâncias: Compostas apenas de um tipo de moléculas ou átomos. Substância simples constituída por um único tipo de constituinte. Exemplos: Metal ferro - Fe2 Gás oxigênio - O2. Substância composta constituída por mais de um tipo de constituinte. Exemplos: Água pura - H2O Sal comum - NaCl Química e Propriedades físico-químicas da água Prof. José de A. Freitas Jr. | TC 030 Materiais I Substâncias e misturas Misturas: Duas ou mais substâncias misturadas. Algumas podem ser identificadas visualmente. Exemplo: Granito - grãos de quartzo branco, mica preta e feldspato rosa e outros minérios. 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 que é uma mistura. Água salgada – Não se vê de forma alguma o sal (íons) dissolvido. É necessário evaporar a água para observar o sal. Química e Propriedades físico-químicas da água Prof. José de A. Freitas Jr. | TC 030 Materiais I 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 com o recipiente. Química e Propriedades físico-químicas da água Prof. José de A. Freitas Jr. | TC 030 Materiais I Gases e líquidos têm a capacidade de fluir, são chamados de fluídos. Sólidos – moléculas muito próximas, mantém posição por atração e coesão. Um líquido pode ser obtido a partir de um sólido, pela diminuição das forças de atração ou de coesão. Um gás é obtido pela supressão das forças atração ou de coesão. Estados da matéria: Química e Propriedades físico-químicas da água Prof. José de A. Freitas Jr. | TC 030 Materiais I Estados da matéria: Disposição das moléculas nos Sólidos Estado cristalino: Disposição das moléculas em formas geométricas e regulares. As propriedades físicas de um corpo cristalino são anisotrópicas, variam segundo a direção. Estado amorfo: Disposição irregular das moléculas. As propriedades físicas de um corpo amorfo são iguais em todas as direções. Química e Propriedades físico-químicas da água Prof. José de A. Freitas Jr. | TC 030 Materiais I Misturas homogêneas e heterogêneas: Mistura homogênea - apresenta apenas uma fase = SOLUÇÃO Exemplos: 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. MISTURA HOMOGÊNEA ou SOLUÇÃO 1 fase MISTURAS HETEROGÊNEAS 2 ou mais fases Química e Propriedades físico-químicas da água Prof. José de A. Freitas Jr. | TC 030 Materiais I Misturas homogêneas e heterogêneas: Distinção entre solução e substância pura, pela medida da temperatura nas mudanças de estado. Substância pura = água = ferve a temperatura constante. Pto. de ebulição de solução varia c/ concentração dos componentes: Exemplo: água salgada, quanto maior for a % de sal dissolvido, maior será o ponto de ebulição. Mistura de líquidos apresenta diferentes temperaturas de ebulição, uma p/ cada líquido. Pode-se separa-los pela destilação. Exemplo: Petróleo. Química e Propriedades físico-químicas da água Prof. José de A. Freitas Jr. | TC 030 Materiais I Soluções e misturas: MISTURA 2 fases MISTURA 3 fases MISTURA 4 fases SOLUÇÃO 1 fase Pode ser uma substância ou uma mistura homogênea Química e Propriedades físico-químicas da água Prof. José de A. Freitas Jr. | TC 030 Materiais I Dos átomos a matéria: Átomos Moléculas Substâncias Mistura Solução Matéria Gás Líquido Sólido Química e Propriedades físico-químicas da água Prof. José de A. Freitas Jr. | TC 030 Materiais I As transformações da matéria: Podem ser físicas ou químicas. Transformações físicas não alteram a identidade das substâncias. Exemplos: •Chumbo fundido (derretido) continua sendo chumbo. •Água gelada, gelo, continua sendo água, agora no estado sólido. •Um pedaço de alumínio pode ser retorcido e continua sendo alumínio. Química e Propriedades físico-químicas da água Prof. José de A. Freitas Jr. | TC 030 Materiais I Transformações químicas: Mais significativas do que as transformações físicas. Substâncias são destruídas e novas são formadas. Exemplo de transformação ou reação química: Ferro ao exposto à água: Ferro reage com o oxigênio e a água aparecendo a ferrugem. A ferrugem é uma substância nova = o óxido de ferro. Reagentes = substâncias iniciais. (ferro, oxigênio e água) Produtos = novas substâncias formadas. (óxido de ferro) As transformações da matéria: Química e Propriedades físico-químicas da água Prof. José de A. Freitas Jr. | TC 030 Materiais I Primeira lei de Lavoisier, em 1774 Lei da conservação da massa: A soma das massas dos produtos é igual a soma das massas dos reagentes. Não há destruição, nem criação de matéria, apenas transformação. Exemplo: Queima de papel - decompõe em gases e cinzas. Massa do papel = massa das cinzas + massas dos gases Leis das transformações químicas: Antoine Laurent Lavoisier França 1743-1794 Química e Propriedades físico-químicas da água Prof. José de A. Freitas Jr. | TC 030 Materiais I Leis das transformações químicas: Segunda lei: Lei das proporções definidas: Mais importante propriedade de um composto, sua composição 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. Química e Propriedades físico-químicas da água Prof. José de A. Freitas Jr. | TC 030 Materiais I 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 contra uma força de oposição. Exemplo: Ao levantarmos um objeto, realizamos trabalho sobre o objeto, porque o deslocamos contra a força de oposição da gravidade. Química e Propriedades físico-químicas da água Prof. José de A. Freitas Jr. | TC 030 Materiais I Energia mecânica: É a energia de um corpo 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 corpo, e não do seu movimento. Corpo ganha Ep quando é levantado contra a força da gravidade. A Ep depende da distância (d) movida pelo corpo e da força de oposição (F) ao seu movimento. Ep = F. d Energia pode ser transformada de uma forma para outra forma, não pode ser destruída e nem criada. Química e Propriedades físico-químicas da água Prof. José de A. Freitas Jr. | TC 030 Materiais I Calor e temperatura: Calor - energia transferida de um corpo mais quente p/ um mais frio. Temperatura - medida da energia cinética média das partículas de um corpo. Quando o calor é transferido p/ um corpo: a energia cinética média de suas partículas aumenta. (temperatura aumenta = movimentos mais rápidos das partículas) Algumas vezes a transferência de calor para um corpo não aumenta a sua temperatura, causa mudança de estado da matéria do corpo. 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 do que a do gelo, a 0ºC. Química e Propriedades físico-químicas da água Prof. José de A. Freitas Jr. | TC 030 Materiais I Átomo: Menor elemento das moléculas. Partículas submicroscópicas de que toda a matéria é composta. 92 elementos naturais + elementos artificiais (criados pela física nuclear) Dois grandes grupos: metais e metalóides. O átomo é formado por: Núcleo - positivo. Elétrons - satélites negativos. Distribuídos camadas K, L, M, N, O, P, Q - em volta do núcleo, definindo níveis decrescentes de energia. Química e Propriedades físico-químicas da água Prof. José de A. Freitas Jr. | TC 030 Materiais I Átomo: O núcleo contém prótons. Todos os núcleos mais pesados que o hidrogênio possuem nêutrons. Prótons e nêutrons constituem a maior parte da massa do átomo. Prótons e nêutrons são partículas de mesma massa. Próton possui carga positiva e o nêutron é eletricamente neutro. O número de cargas elétricas positivas no núcleo tem seu correspondente número de cargas elétricas negativas, (elétrons). Elétron é mais leve, tem cerca de 1/1.836 da massa do próton. Química e Propriedades físico-químicas da água Prof. José de A. Freitas Jr. | TC 030 Materiais I Os átomos: O hidrogênio (H) é o mais simples dos elementos. Núcleo de 1 próton e 1 elétron. Segundo elemento é o hélio (He), 2 prótons e 2 elétrons. O número de cargas positivas no núcleo de um átomo é sempre igual ao número de elétrons circundantes = número atômico do elemento. Química e Propriedades físico-químicas da água Prof. José de A. Freitas Jr. | TC 030 Materiais I Átomo: 1913- Niels Bohr - (Prêmio Nobel de Física de 1922) Núcleo rodeado por elétrons em órbitas, semelhante aos planetas em redor do Sol. Niels Henrick David Bohr Dinamarca 1885 -1962 Theodore Lyman EUA, 1874 - 1954 Química e Propriedades físico-químicas da água Prof. José de A. Freitas Jr. | TC 030 Materiais I Átomo: Química e Propriedades físico-químicas da água Prof. José de A. Freitas Jr. | TC 030 Materiais I Átomo: O núcleo é composto por: prótons positivos e nêutrons. Estas últimos equilibram as forças de repulsão dos prótons. Constantes do núcleo: Número de prótons Z Determina o número atômico, 1 (hidrogênio) a 92 (urânio), Indica igualmente a carga e o número de elétrons. Número de massa A Indica a soma de partículas prótons + nêutrons = massa atômica. Cada elemento é tem um número atômico específico. Química e Propriedades físico-químicas da água Prof. José de A. Freitas Jr. | TC 030 Materiais I Átomo: Simbolizadas da seguinte maneira: Núcleo de urânio composto de 238 partículas 92 prótons e (238 - 92) = 146 nêutrons. Número de prótons Z Número de massa A Química e Propriedades físico-químicas da água Prof. José de A. Freitas Jr. | TC 030 Materiais I Química e Propriedades físico-químicas da água Prof. José de A. Freitas Jr. | TC 030 Materiais I As moléculas: Na maioria das 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 permanecem unidos por forças chamadas ligações químicas. Molécula = composto de partículas de dois ou mais átomos quimicamente ligados um ao outro. Química e Propriedades físico-químicas da água Prof. José de A. Freitas Jr. | TC 030 Materiais I As ligações atômicas: Átomos com a camada periférica completa são muito estáveis: gases raros ou inertes. Estabilidade permanente - átomo com 8 elétrons na última camada (2 no caso do hélio). Este tipo de elementos químicos raramente se liga a outros tipos de átomos. A maioria dos elementos químicos não é estável quando está sozinho, tendendo a formar compostos. Química e Propriedades físico-químicas da água Prof. José de A. Freitas Jr. | TC 030 Materiais I As ligações atômicas: A maioria das substâncias é composta por diversos elementos químicos diferentes, formando compostos estáveis. As propriedades químicas dos átomos são função da última camada de elétrons. O tipo de ligação química entre os elementos é determinado pelos elétrons do nível de valência, que definem a afinidade química dos elementos. Química e Propriedades físico-químicas da água Prof. José de A. Freitas Jr. | TC 030 Materiais I As ligações atômicas: 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 é igual ao número absorvido pelos metalóides, define o número de ligações ou valências. Mono, bi, tri, valentes = 1, 2, 3, ... valências. Química e Propriedades físico-químicas da água Prof. José de A. Freitas Jr. | TC 030 Materiais I As ligações entre átomos (atômicas): 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 última camada (metalóide para metalóide); ligação por covalência, estável e freqüente nos materiais plásticos. Química e Propriedades físico-químicas da água Prof. José de A. Freitas Jr. | TC 030 Materiais I A coesão (ou ligação) entre as moléculas: As moléculas atraem entre si pelas forças de coesão polares. Devido à distribuição desigual das cargas positivas e negativas na molécula. As forças de coesão determinam as propriedades físicas e químicas dos materiais. São influenciadas pela temperatura, pressão, campos elétricos ou magnéticos, esforços mecânicos, etc. O estado físico que os materiais se apresentam, é conseqüência das forças de atração entre os átomos e as moléculas que os constituem. Química e Propriedades físico-químicas da água Prof. José de A. Freitas Jr. | TC 030 Materiais I As ligações atômicas: Ligações primárias (fortes): • Ligação iônica • Ligação covalente • Ligação metálica Ligações secundárias – forças de van der Walls: • Moléculas polares • Dipolos induzidos • Pontes de hidrogênio Química e Propriedades físico-químicas da água Prof. José de A. Freitas Jr. | TC 030 Materiais I Ligação iônica: É a mais simples. Forças Coulombianas (recebendo e doando elétrons). A atração dá-se em todas as direções. Atração entre íons de carga elétrica contrária (íons positivos- cátions e íons negativos-ânions). Composto iônico - substância composta cujos componentes apresentam cargas elétricas. Materiais em geral com baixa condutibilidade elétrica e térmica assim como baixa ductilidade. Química e Propriedades físico-químicas da água Prof. José de A. Freitas Jr. | TC 030 Materiais I Ligação iônica: Exemplo: Na+ e o Cl- formam o NaCl, cloreto de sódio (sal de cozinha), sólido cristalino. Um íon Na+ é envolvido por vários íons Cl- e assim inversamente. Na Cl Química e Propriedades físico-químicas da água Prof. José de A. Freitas Jr. | TC 030 Materiais I Ligação covalente: Ocorre por uma aproximação muito intensa entre dois elementos químicos. Alguns elétrons da última camada de valência de um dos átomos circundam o núcleo do outro átomo e vice-versa. Os elementos não perdem nem ganham elétrons, mas sim os compartilham. Molécula de oxigênio O2 Química e Propriedades físico-químicas da água Prof. José de A. Freitas Jr. | TC 030 Materiais I Ligação covalente: Composto covalente: Substância composta cujos componentes não apresentam carga elétrica e interagem entre si direcionalmente. Molécula de metano CH4 A força de ligação covalente é evidenciada no diamante, o material mais duro que se conhece, constituído inteiramente por carbono. Química e Propriedades físico-químicas da água Prof. José de A. Freitas Jr. | TC 030 Materiais I Diamante: O carbono tem 4 elétrons na camada de valência, compartilhado-os com 4 átomos de carbono adjacentes, formando um reticulado tridimensional todo ligado por pares covalentes. Desta forma, cada átomo de carbono está ligado covalentemente a outros quatro átomos de carbono, originando uma estrutura rígida a três dimensões. Diamante Somente átomos de carbono Estrutura 3D Ligação covalente: Química e Propriedades físico-químicas da água Prof. José de A. Freitas Jr. | TC 030 Materiais I Grafite Ligação covalente: Somente átomos de carbono Estruturas 2D Grafite O grafite como o diamante são constituídos por estruturas cristalinas de átomos de carbono, apenas diferindo no formato de estrutura que se apresentam. No grafite os átomos de carbono ligam-se a outros três, formando camadas (daí a potencialidade deste material para deslizar). Química e Propriedades físico-químicas da água Prof. José de A. Freitas Jr. | TC 030 Materiais I Ligação metálica: Átomos com poucos elétrons de valência podem perde-los com facilidade. Os demais são firmemente ligados ao núcleo. Com a perda dos elétrons da última camada de valência, os átomos metálicos remanescentes tornam-se íons positivos. Com a saída dos elétrons da última camada, há um desbalanceamento elétrico, tendo o núcleo uma maior quantidade de cargas positivas do que a eletrosfera de negativas. Química e Propriedades físico-químicas da água Prof. José de A. Freitas Jr. | TC 030 Materiais I Íons positivos e elétrons “livres” (que fazem o papel de íons negativos) formam forças elétricas coulombianas de atração. A ligação metálica pode ser considerada como uma atração entre íons positivos e elétrons livres. Ligação metálica: Exemplo : cobre Química e Propriedades físico-químicas da água Prof. José de A. Freitas Jr. | TC 030 Materiais I Os elétrons livres dão aos metais sua elevada condutibilidade elétrica e térmica. “Nuvem” de elétrons absorve a energia luminosa, torna os metais opacos. Metal: É uma substância simples, cujos constituintes são os próprios componentes e interagem entre si não-direcionalmente. Composto metálico: Substância cujos componentes não apresentam carga elétrica e interagem entre si não-direcionalmente. Materiais em geral com alta ductilidade. Ligação metálica: Química e Propriedades físico-químicas da água Prof. José de A. Freitas Jr. | TC 030 Materiais I Forças de van der Waals: Ligação secundária fraca (entre moléculas), mas que também contribui para a atração interatômica. Moléculas assimétricas originam dipolos elétricos. O centro de carga positiva não coincide com o centro de carga negativa, originando o dipolo. São forças de atração que não envolvem cargas individuais ou transferência de elétrons. Existem entre todos os íons e átomos de um sólido, mas podem estar obscurecidas pelas ligações fortes presentes. Johannes Diederik van der Waals, Holanda 1837-1923 Química e Propriedades físico-químicas da água Prof. José de A. Freitas Jr. | TC 030 Materiais I (a) nas moléculas assimétricas ocorre um desbalanceamento elétrico denominado polarização. (b) (b) Este desbalanceamento produz um dipolo elétrico com uma extremidade positiva e outra negativa. (c) Os dipolos resultantes originam forças de atração secundárias entre as moléculas. A extremidade positiva de um dipolo é atraída pela negativa de outro. Forças de van der Waals: Química e Propriedades físico-químicas da água Prof. José de A. Freitas Jr. | TC 030 Materiais I Pontes de hidrogênio: Caso particular de atração por moléculas polares, em que a carga positiva do núcleo do átomo de hidrogênio de uma molécula é atraída pelos elétrons de valência de átomos de moléculas adjacentes. Exemplo: água (molécula polar) Forças de van der Waals: Química e Propriedades físico-químicas da água Prof. José de A. Freitas Jr. | TC 030 Materiais I Forças de van der Waals: Pontes de hidrogênio C-S-H = 3CaO.2SiO2.3H2O Estruturas C-S-H formam lamelas muito próximas 5 a 25Å (1 Å= 10-10m) unidas através de pontes de hidrogênio (H2O). Pasta de cimento hidratado – Estruturas C-S-H Química e Propriedades físico-químicas da água Prof. José de A. Freitas Jr. | TC 030 Materiais I Os arranjos das estruturas moleculares, que formam a microestrutura da matéria são diferentes a cada fase ou estado. Sólidos = as moléculas estão muito próximas, mantém-se no lugar pelas forças de atração e coesão. Pode-se obter um líquido a partir de um sólido, pela diminuição das forças de atração ou de coesão. Um gás é obtido pela supressão da quase totalidade das forças de atração ou de coesão. Microestrutura da matéria - Arranjos atômicos: Química e Propriedades físico-químicas da água Prof. José de A. Freitas Jr. | TC 030 Materiais I Microestrutura da matéria - Arranjos atômicos: Nos sólidos a disposição geométrica regular das moléculas no conjunto da massa caracteriza o estado cristalino. Disposição irregular das moléculas caracteriza o estado amorfo. Um corpo cristalizado é anisotrópico, isto é, as suas propriedades variam segundo a direção em que são medidas. Os metais possuem estrutura cristalina. Química e Propriedades físico-químicas da água Prof. José de A. Freitas Jr. | TC 030 Materiais I Estrutura cristalina: Moléculas com regularidade estrutural. Ligações determinam a orientação no espaço e o número de vizinhos para cada átomo. Materiais importantes para a construção civil tem arranjos cristalinos. As superfícies planas dos cristais de pedras preciosas são manifestações dos arranjos cristalinos. Exemplos: Sal de cozinha forma cubos devido a estrutura cristalina do NaCl. MgO e Ferro (aço) tem estrutura cristalina cúbica. Ca(OH)2 forma prismas hexagonais. Química e Propriedades físico-químicas da água Prof. José de A. Freitas Jr. | TC 030 Materiais I Estrutura cristalina: Cristais de ferro na forma cristalina CCC Cristais de ferro na forma cristalina CFC Velocidade de resfriamento, porcentagens de carbono e outros fatores afetam a microestrutura do aço e sua ductilidade. Fe Fe Fe Fe Química e Propriedades físico-químicas da água Prof. José de A. Freitas Jr. | TC 030 Materiais I Estrutura cristalina: 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 Química e Propriedades físico-químicas da água Prof. José de A. Freitas Jr. | TC 030 Materiais I Micrografias de MEV mostrando as estruturas hexagonais dos cristais de Ca(OH) (ou estruturas C-H) Estrutura cristalina: Química e Propriedades físico-químicas da água Prof. José de A. Freitas Jr. | TC 030 Materiais I Estrutura cristalina: Micrografia eletrônica (MEV) de cimento Portland hidratado mostrando os cristais de etringita e monossulfato hidratado. (Mehta e Monteiro, 1994) Química e Propriedades físico-químicas da água Prof. José de A. Freitas Jr. | TC 030 Materiais I Estrutura cristalina: Todos os cristais têm reticulado cristalino, que obedece a uma das 14 formas geométricas possíveis (reticulados de Bravais). Cada grupo espacial tem uma capacidade maior ou menor de adaptar-se às solicitações externas a que seja submetido. A visualização e a identificação do reticulado cristalino é possível através de microscopia eletrônica. MEV – Microscópio Eletrônico de Varredura Química e Propriedades físico-químicas da água Prof. José de A. Freitas Jr. | TC 030 Materiais I Cal hidratada Estrutura cristalina: (Wikipedia) Química e Propriedades físico-químicas da água Prof. José de A. Freitas Jr. | TC 030 Materiais I 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). Estrutura cristalina: Química e Propriedades físico-químicas da água Prof. José de A. Freitas Jr. | TC 030 Materiais I Cristais de zinco oxidado são visíveis na superfície de um poste de aço galvanizado. Variações nas tonalidades de cinza são decorrentes das diferentes orientações dos cristais. Estrutura cristalina: Freitas Jr., J.) Química e Propriedades físico-químicas da água Prof. José de A. Freitas Jr. | TC 030 Materiais I MICROESTRUTURA DOS METAIS Análise Macrográfica Aparência da fratura Detalhe a baixo aumento Ruptura no raio de dobramento com ramificação transversal. A superfície da fratura é rugosa e não se observa deformação plástica. Análise metalográfica: Ruptura de viga metálica por fratura nas superfícies dos cristais. Química e Propriedades físico-químicas da água Prof. José de A. Freitas Jr. | TC 030 Materiais I MICROESTRUTURA DOS METAIS Detalhe a alto aumento Seção metalográfica Trinca com origem no raio interno de curvatura, Na imagem menor se observa microtrinca (0,05 mm) paralela à fratura iniciada em um pitting. A superfície da fratura e das trincas é intergranular frágil. Análise Micrográfica Análise metalográfica: Fissura iniciada em pitting de corrosão. Química e Propriedades físico-químicas da água Prof. José de A. Freitas Jr. | TC 030 Materiais I Sólidos amorfos - estrutura amorfa (ou vítrea): Não apresentam ordem estrutural em um estado normal. Alguns materiais mudam de estrutura cristalina para amorfa e vice-versa, de acordo com a temperatura. Usa-se este fenômeno no CD regravável. O arranjo cristalino é a forma de organização da matéria de mínima energia. Estado cristalino é o mais estável p/ qual todo processo de transformação tende. Substâncias comuns são sólidos amorfos: vidro, poliestireno e ... algodão-doce. Química e Propriedades físico-químicas da água Prof. José de A. Freitas Jr. | TC 030 Materiais I Nos materiais amorfos, na solidificação, reduz-se a capacidade de mobilidade das moléculas, antes que elas se arranjem em posições mais cristalinas. A não ser que o material tenha alta resistência à fusão (como cerâmicos) ou baixa energia de cristalização (como os polímeros), a preparação de um sólido amorfo deve ser extremamente rápida. Materiais amorfos podem existir em estados "borrachosos" e estados "vítreos". Sólidos amorfos - estrutura amorfa (ou vítrea): Química e Propriedades físico-químicas da água Prof. José de A. Freitas Jr. | TC 030 Materiais I Vidro comum Policarbonato Sólidos amorfos - estrutura amorfa (ou vítrea): Química e Propriedades físico-químicas da água Prof. José de A. Freitas Jr. | TC 030 Materiais I Basalto Sílica ativa ou microssílica (aditivo p/ obter Concreto de Alto Desempenho - CAD) Sólidos amorfos - estrutura amorfa (ou vítrea): Fotografia por Microscopia Eletrônica de Transmissão, mostrando partículas individuais de sílica de fumo. (Fidjestol e Lewis, 1998) Química e Propriedades físico-químicas da água Prof. José de A. Freitas Jr. | TC 030 Materiais I 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: Química e Propriedades físico-químicas da água Prof. José de A. Freitas Jr. | TC 030 Materiais I Grandeza física que define a variação térmica de uma substância ao receber determinada quantidade de calor. O c da água é muito alto, fazendo com que a água atue de forma importante no equilíbrio da temperatura dos sistemas, impedindo mudanças bruscas de temperatura. A unidade do c no SI é J/kg.K (Joule por quilograma Kelvin). Uma outra unidade mais usual para c é cal/g.°C Calor específico = c Capacidade térmica de um corpo = C Massa do corpo = m Propriedades físico-químicas da água: Calor específico: c C c = m Química e Propriedades físico-químicas da água Prof. José de A. Freitas Jr. | TC 030 Materiais I É possível determinar o c de uma substância a partir da quantidade de calor cedida a um corpo dessa substância, da variação térmica que ele sofre, e da massa desse corpo. O c da água é o número de calorias necessárias para elevar a temperatura de 1 grama de água de 14,5°C para (15,5°C) é o valor mais alto entre os solventes comuns. Quanto maior o c de uma substância, menores variações de temperatura ela experimenta. Água atua como importante fator de termorregulação. Propriedades físico-químicas da água: Calor específico: c Química e Propriedades físico-químicas da água Prof. José de A. Freitas Jr. | TC 030 Materiais I Capacidade térmica (CT) kJ / m2.K Zona 8 Zonas 1,2, 3, 4, 5, 6 e 7 Sem exigência ≥ 130 Capacidade térmica de paredes externas Capacidade térmica - Aplicações na engenharia: NBR 15.575-2013 Desempenho de edificações - Vedações verticais NBR 15.220 – Zonas bioclimáticas Exigências da Norma quanto a capacidade térmica das vedações para garantir o isolamento térmico adequado das edificações Química e Propriedades físico-químicas da água Prof. José de A. Freitas Jr. | TC 030 Materiais I Capacidade térmica - Aplicações na engenharia: Para determinar padrões mínimos de desempenho de isolamento térmico de vedações verticais, a NBR 15.575/2013 – Desempenho de edificações, exige limites de Transmitância e Capacidade térmica. Capacidade térmica Capacidade térmica (CT) kJ / m2.K Zona 8 Zonas 1,2, 3, 4, 5, 6 e 7 Sem exigência ≥ 130 Transmitância Térmica U W/m2.K Zonas 1 e 2 Zonas 3, 4, 5, 6, 7 e 8 U ≤ 2,5 α a ≤ 0,6 α a > 0,6 U ≤ 3,7 U ≤ 2,5 a α é absortância à radiação solar da superfície externa da parede. Paraná: Curitiba Z1, interior Z2, Litoral Z3 CT = (ei) . Ci . ρi Onde: e: espessura da camada c: calor específico do material da camada ρ: densidade de massa aparente do material da camada U = 1/ RT (W/m².K) R = e / λ (W/m².K) Onde: e: espessura da camada λ: condutividade térmica do material da camada Química e Propriedades físico-químicas da água Prof. José de A. Freitas Jr. | TC 030 Materiais I Blocos cerâmicos de 6 furos: Espessura 14 cm, revestimento em argamassa • U = 2,02 W/(m2.K) • Ct= 192 kJ/(m2.K) Blocos cerâmicos de 8 furos: Espessura 19 cm, revestimento em argamassa • U = 1,80 W/(m2.K) • Ct= 231 kJ/(m2.K) Ensaios de laboratório (IPT) de diferentes sistemas de vedações Tijolo maciço: Espessura 10 cm, revestimento em argamassa • U = 3,13 W/(m2.K) • Ct= 255 kJ/(m2.K) Tijolo maciço: Espessura 20 cm, revestimento em argamassa • U = 2,25 W/(m2.K) • Ct= 445 kJ/(m2.K) Capacidade térmica - Aplicações na engenharia: Capacidade térmica Química e Propriedades físico-químicas da água Prof. José de A. Freitas Jr. | TC 030 Materiais I IPT Blocos de concreto: Espessura 19 cm, revestimento em argamassa • U = 3,00 W/(m2.K) • Ct= 220 kJ/(m2.K) Blocos de concreto: Espessura 9 cm, revestimento em argamassa • U = 3,66 W/(m2.K) • Ct= 160 kJ/(m2.K) Parede de concreto maciço: Espessura 10 cm, • U = 4,40 W/(m2.K) • Ct= 240 kJ/(m2.K) Capacidade térmica Ensaios de laboratório (IPT) de diferentes sistemas de vedações Capacidade térmica - Aplicações na engenharia: Química e Propriedades físico-químicas da água Prof. José de A. Freitas Jr. | TC 030 Materiais I Calor específico - Aplicações na engenharia: Pós-resfriamento de grandes massas de concreto: A hidratação do cimento Portland é exotérmica. Grandes massas de concreto, como barragens geram enormes quantidades de calor. A concentração e lenta dispersão deste calor é lenta e complexa, levando a formação de gradientes de temperaturas. Química e Propriedades físico-químicas da água Prof. José de A. Freitas Jr. | TC 030 Materiais I Calor específico - Aplicações na engenharia: Período de bombeamento de água resfriada Pós-resfriamento de grandes massas de concreto: Calor de hidratação do cimento Portland Química e Propriedades físico-químicas da água Prof. José de A. Freitas Jr. | TC 030 Materiais I Calor específico - Aplicações na engenharia: Pós-resfriamento de 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.) Química e Propriedades físico-químicas da água Prof. José de A. Freitas Jr. | TC 030 Materiais I Calor específico - Aplicações na engenharia: Pós-resfriamento de grandes massas de concreto: Maciços de concreto com gradientes de temperaturas levam ao surgimento de tensões internas, que podem fissurar seriamente a estrutura. Para reduzir as temperaturas dentro do concreto, é comum a aplicação de processos de pré e pós-resfriamento. Pós-resfriamento - utiliza-se do alto calor específico da água, por meio de tubulações metálicas instaladas preliminarmente dentro das estruturas, bombeia-se água resfriada. A grande capacidade térmica da água retira o calor de dentro do concreto. Química e Propriedades físico-químicas da água Prof. José de A. Freitas Jr. | TC 030 Materiais I Calor específico - Aplicações na engenharia: Instalações para resfriamento e bombeamento da água Tubulação para circulação de água gelada Esquema de tubulações para circulação de água Pós-resfriamento de grandes massas de concreto: (José Marques Filho) (José Marques Filho) Química e Propriedades físico-químicas da água Prof. José de A. Freitas Jr. | TC 030 Materiais I Calor específico - Aplicações na engenharia: Pré-resfriamento – Para minimizar o aumento de temp. do concreto, usa-se resfriar os materiais dos quais ele é produzido, imediatamente antes da mistura. Refrigera-se a água a temperaturas abaixo de 5oC. Pode-se refrigerar os agregados e o concreto com nitrogênio líquido. As rochas tem menor c do que a água. Estas operações também geram um retardo nas reações de hidratação do cimento. Pré-resfriamento do concreto com nitrogênio líquido Química e Propriedades físico-químicas da água Prof. José de A. Freitas Jr. | TC 030 Materiais I Pré-resfriamento do concreto com nitrogênio líquido Arquivo: Filmes concreto / Concretagem / Resfriamento com nitrogenio Química e Propriedades físico-químicas da água Prof. José de A. Freitas Jr. | TC 030 Materiais I Calor específico - Aplicações na engenharia: Pré e Pós-resfriamento de grandes massas de concreto: Central de produção de concreto de Tucuruí Química e Propriedades físico-químicas da água Prof. José de A. Freitas Jr. | TC 030 Materiais I Calor específico - Aplicações na engenharia: Pré-resfriamento de grandes massas de concreto: Central de produção de concreto de Itaipú (F. Andriolo e T.M. Skwarczynski, 1988) Química e Propriedades físico-químicas da água Prof. José de A. Freitas Jr. | TC 030 Materiais I Pré-resfriamento do concreto com gelo Arquivo: Filmes concreto / Concretagem/ Burj dubai HPC ice Química e Propriedades físico-químicas da água Prof. José de A. Freitas Jr. | TC 030 Materiais I Calor específico - Aplicações na engenharia: Ar condicionado Um AC usa a evaporação de gás tipo freon para fornecer refrigeração. Nos sistemas tipo split o gás é comprimido no condensador e levado até o evaporador. Há um limite para a distância entre o condensador e o evaporador. Sistemas de AC com água gelada (chiller), usam a água pelo seu calor específico, que é esfriada na torre de resfriamento (4,4 a 7,2ºC), e canalizada para os sistemas de distribuição de ar. Não há limite de distância se a tubulação for bem isolada. Torre de refrigeração Química e Propriedades físico-químicas da água Prof. José de A. Freitas Jr. | TC 030 Materiais I Calor específico - Aplicações na engenharia: Central de energia nuclear: Centrais nucleares são usinas térmicas que retiram o calor da fissão de isótopos radioativos, em geral urânio 235. Na maioria das centrais o calor da reação é absorvido por meio da água, tirando partido das suas propriedades do calor específico e capacidade térmica. Angra I e II, usam água pressurizada (PWR). O combustível nuclear fica dentro de um vaso de pressão, através do qual água pressurizada (circuito primário) circula absorvendo o calor da fissão nuclear. A água é pressurizada para que o circuito possa funcionar a temperaturas bem superiores a 100oC sem que a água vaporize. Química e Propriedades físico-químicas da água Prof. José de A. Freitas Jr. | TC 030 Materiais I Calor específico - Aplicações na engenharia: Central de energia nuclear: A água aquecida do circuito primário transfere calor para o, o circuito secundário, que movimenta turbinas a vapor. Usa-se dois circuitos por motivos de segurança contra falhas e contaminações. A água é escolhida devido ao seu alto calor específico, sua massa (capacidade térmica) e facilidades de obtenção e manuseio. Em alguns reatores especiais, para de torna-los mais compactos, usa-se metais líquidos (sódio ou chumbo), que por possuírem massa bem maior, possuem maior capacidade térmica. Química e Propriedades físico-químicas da água Prof. José de A. Freitas Jr. | TC 030 Materiais I Calor específico - Aplicações na engenharia: CNEN Central de energia nuclear: Química e Propriedades físico-químicas da água Prof. José de A. Freitas Jr. | TC 030 Materiais I Propriedades físico-químicas da água: pH: A escala de pH varia de 1 a 14 e indica a concentração de íons H+ presentes na água. O valor do pH indica se a água tem caráter ácido, neutro ou básico (ou alcalino). pH < 7: caráter ácido pH > 7: caráter básico pH = 7: caráter neutro Química e Propriedades físico-químicas da água Prof. José de A. Freitas Jr. | TC 030 Materiais I Interação química da água com o vidro e o porcelanato: Por possuírem alta concentração de sílica os vidros e porcelanatos são muito resistentes a soluções ácidas e levemente básicas (pH < 9). Uma solução alcalina com pH > 9 ataca a estrutura de sílica fazendo com que sua superfície perca o brilho e adquira uma certa coloração como manchas de óleo e, este fenômeno é conhecido como irisação. Poder de dissolução - Aplicações na engenharia: Química e Propriedades físico-químicas da água Prof. José de A. Freitas Jr. | TC 030 Materiais I Interação química da água com o vidro e o porcelanato: Poder de dissolução - Aplicações na engenharia: O ataque frequente, ou muito prolongado pode manchar a superfície. Nos estágios iniciais a limpeza com pano úmido com produtos ácidos pode resolver o problema. Porcelanato atacado Vidro irisado Química e Propriedades físico-químicas da água Prof. José de A. Freitas Jr. | TC 030 Materiais I Poder de dissolução: Solventes são substâncias capazes de dissolver coisas. Dissolução de água e sal de cozinha, a água é o solvente porque dispersa no seu interior o sal. A água tem poder de dissolução muito grande. A água é designada solvente universal - dissolve a maioria das substâncias. Propriedade importante, pois muitas reações químicas, como a hidratação do cimento Portland, ocorrem em solução. A água é importante meio de transporte de substâncias dentro e fora dos materiais sólidos. Propriedades físico-químicas da água: Química e Propriedades físico-químicas da água Prof. José de A. Freitas Jr. | TC 030 Materiais I Deterioração do concreto por ataque de sulfatos: A água solubiliza agentes agressivos ao concreto como ácidos, sulfatos e outros. Com estes agentes dissolvidos, penetra nos poros do concreto. Agentes agressivos reagem com o hidróxido de cálcio da pasta de cimento endurecida, gerando uma reação expansiva. Poder de dissolução - Aplicações na engenharia: Reação com sulfato de cálcio: 4CaO.Al2O3.19H2O+3(CaSO4.2H2O)+16 H2O 3CaO.Al2O3.3CaSO4.32H2O+Ca(OH)2 aluminato gesso etringita Reação com sulfato de sódio: Ca(OH)2 + Na2SO4.10H2O → CaSO4.H2O + 2NaOH + 8H2O gesso Química e Propriedades físico-químicas da água Prof. José de A. Freitas Jr. | TC 030 Materiais I Deterioração do concreto por ataque de sulfatos: Poder de dissolução - Aplicações na engenharia: Estrutura de concreto atacada por sulfatos (Joana S. Coutinho) (Joana S. Coutinho) Química e Propriedades físico-químicas da água Prof. José de A. Freitas Jr. | TC 030 Materiais I Deterioração do concreto – dissolução por água pura: Poder de dissolução - Aplicações na engenharia: Barragem do Vossoroca: 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. Incrustações ao longo das juntas frias, a jusante da barragem 33 m3 de material. Química e Propriedades físico-químicas da água Prof. José de A. Freitas Jr. | TC 030 Materiais I Deterioração do concreto – dissolução por água pura: Poder de dissolução - Aplicações na engenharia: Barragem do Vossoroca - Patologias apresentadas na barragem : (José Marques Filho - COPEL) Paramento de montante superficialmente decomposto, com os agregados perfeitamente visíveis em diversas regiões, juntas frias perfeitamente delineadas e indicando permeabilidade pela região. Detalhe de porosidade e junta de concretagem. Química e Propriedades físico-químicas da água Prof. José de A. Freitas Jr. | TC 030 Materiais I Deterioração do concreto – dissolução por água pura: Poder de dissolução - Aplicações na engenharia: Barragem do Vossoroca - Ensaios de verificação : Extraídos testemunhos verticais, (diâmetro 5 cm) que apresentaram grande decomposição do concreto nas regiões das juntas frias de concretagem, mais na região de jusante. As amostras esfarelavam nas regiões das juntas. O concreto apresentava até 18 % de perda de massa. A barragem encontrava-se saturada de água. Química e Propriedades físico-químicas da água Prof. José de A. Freitas Jr. | TC 030 Materiais I Deterioração do concreto – dissolução por água pura: Poder de dissolução - Aplicações na engenharia: Barragem do Vossoroca - Ensaios de verificação : (José A. Freitas Jr.) (José A. Freitas Jr.) Química e Propriedades físico-químicas da água Prof. José de A. Freitas Jr. | TC 030 Materiais I Deterioração do concreto – dissolução por água pura: Poder de dissolução - Aplicações na engenharia: Barragem do Vossoroca: Reparos executados : Esvaziado o reservatório, deixado 5m de água, p/ facilitar a impermeabilização do bordo de montante. Furos a cada 4m e injetado pasta de cimento com sílica-ativa (minimiza a permeabilidade e retração). Alguns furos foi mais de 30m3 de calda. Retorno com perfurações a cada 2m. Regiões mais afetadas com furos a cada metro. Bordo de montante impermeabilizado após limpeza. Impermeabilização acima da linha da água c/ argamassa de cimento+sílica-ativa, embaixo d’água c/ argamassa epóxi. Química e Propriedades físico-químicas da água Prof. José de A. Freitas Jr. | TC 030 Materiais I Deterioração do concreto – dissolução por água pura: Poder de dissolução - Aplicações na engenharia: Barragem do Vossoroca: Reparos executados : (José A. Freitas Jr.) Química e Propriedades físico-químicas da água Prof. José de A. Freitas Jr. | TC 030 Materiais I Meio de transporte: Transporta substâncias dentro ou fora dos materiais sólidos, levando agentes agressivos para dentro dos materiais sólidos e arrastando os resíduos para fora. Aplicações na engenharia Carbonatação da superfície 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, que corresponde a 30 % da pasta de cimento hidratada. Quando a umidade no ar se reduz, 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. Reação de carbonatação - concreto com a superfície esbranquiçada. Propriedades físico-químicas da água: Química e Propriedades físico-químicas da água Prof. José de A. Freitas Jr. | TC 030 Materiais I Propriedades físico-químicas da água: Aplicações na engenharia - Meio de transporte Carbonatação da superfície de estruturas de concreto: Ca(OH)2 + CO2 CaCO3 + H2O (a água atua como catalisador) Ca(OH)2 = hidróxido de cálcio (cal hidratada) CO2 = dióxido de carbono (gás carbônico) CaCO3 = carbonato de cálcio A reação de carbonatação reduz o pH do concreto. Ca(OH)2 pH = 13,5 CaCO3 9,5 Armadura dentro de concreto com pH > 11,5 normalmente não sofrem corrosão. Exceção em contaminação por cloro Cl. Quando o pH do concreto armado cai p/ baixo de 11,5 pode iniciar o processo de corrosão do aço. Química e Propriedades físico-químicas da água Prof. José de A. Freitas Jr. | TC 030 Materiais I Propriedades físico-químicas da água: Carbonatação da superfície de estruturas de concreto: CaCO3 Determinação da frente carbonatada, através da fenolftaleina, que reage quimicamente com o Ca(OH)2, marcando a área com pH>11 com a cor vermelho-carmim. A camada na cor branca está carbonatada (CaCO3). Ca(OH)2 Frente carbonatada Fenolftaleina Aplicações na engenharia - Meio de transporte Química e Propriedades físico-químicas da água Prof. José de A. Freitas Jr. | TC 030 Materiais I Propriedades físico-químicas da água: Carbonatação da superfície de estruturas de concreto: Estádio do Morumbi - Corrosão das armaduras Aplicações na engenharia - Meio de transporte Química e Propriedades físico-químicas da água Prof. José de A. Freitas Jr. | TC 030 Materiais I Propriedades físico-químicas da água: Eflorescências: Manchas esbranquiçadas que surgem na superfícies dos revestimentos. Ocorre quando a pressão de vapor do substrato emboço/reboco, hidratado for maior que a do vapor de água na atmosfera. A secagem do substrato dá-se pela eliminação de água sob forma de vapor, que arrasta materiais alcalinos (da cal ou cimento) solúveis do interior p/ superfície pintada, causando a mancha. Edifício da FAU - USP (Granato-BASF) Aplicações na engenharia - Meio de transporte Química e Propriedades físico-químicas da água Prof. José de A. Freitas Jr. | TC 030 Materiais I Eflorescências: Pinturas: Tinta aplicada sobre o reboco úmido ou com infiltrações e/ou vazamentos. Eflorescências através de tinta acrílica. Manchas esbranquiçadas que surgem na superfície devido ao carreamento de materiais, dissolvidos do substrato emboço/reboco, e trazidos pela água para a superfície. Propriedades físico-químicas da água: Aplicações na engenharia - Meio de transporte Química e Propriedades físico-químicas da água Prof. José de A. Freitas Jr. | TC 030 Materiais I Eflorescências: Eflorescências através de tijolos cerâmicos Propriedades físico-químicas da água: Aplicações na engenharia - Meio de transporte Pelas juntas de alvenarias de blocos de concreto. Química e Propriedades físico-químicas da água Prof. José de A. Freitas Jr. | TC 030 Materiais I Eflorescências: Aplicações na engenharia - Meio de transporte Propriedades físico-químicas da água: Química e Propriedades físico-químicas da água Prof. José de A. Freitas Jr. | TC 030 Materiais I Eflorescências: Esquemas de sistemas para revestimento de paredes Aplicações na engenharia - Meio de transporte Propriedades físico-químicas da água: Química e Propriedades físico-químicas da água Prof. José de A. Freitas Jr. | TC 030 Materiais I Tensão superficial: A superfície livre dos líquidos em equilíbrio se comporta como uma 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 presença destas forças atrativas em são explicadas pelo modelo cinético-molecular. Forças que adquirem valores consideráveis quando a distância entre as moléculas é cerca de 10-6cm, (líquidos e principalmente nos sólidos). Propriedades físico-químicas da água: Química e Propriedades físico-químicas da água Prof. José de A. Freitas Jr. | TC 030 Materiais I Tensão superficial: Moléculas no interior do líquido: Cada uma é cercada e atraída por outras moléculas. Se as forças que atuam nesta molécula forem somadas vetorialmente, obteremos uma força resultante média nula. Moléculas na superfície do líquido: Existe uma força resultante dirigida para o interior do líquido. As moléculas da superfície são mantidas ligadas ao restante da massa, pelas forças de interação elétrica. Propriedades físico-químicas da água: Química e Propriedades físico-químicas da água Prof. José de A. Freitas Jr. | TC 030 Materiais I Tensão superficial: Propriedades físico-químicas da água: A tensão superficial apresenta algumas características: • Tem o mesmo valor em todas as direções. • Não depende da espessura e extensão da membrana. • Varia c/ temperatura e com a natureza da superfície de contato. • Diminui conforme aumenta a temperatura. Química e Propriedades físico-químicas da água Prof. José de A. Freitas Jr. | TC 030 Materiais I Tensão superficial: Água tem grande tensão superficial. Moléculas com cargas aderem fortemente às moléculas de água, o que permite a estabilidade coloidal das pastas de aglomerantes como a cal, gesso e cimento Portland. Propriedades físico-químicas da água: ΔP = γ ( 1 1 + R1 R2 ) A tensão superficial está relacionada com a diferença de pressão entre os dois lados de uma interface pela equação de Laplace, em que R1 e R2 são os raios de curvatura da interface. Química e Propriedades físico-químicas da água Prof. José de A. Freitas Jr. | TC 030 Materiais I Aplicações na engenharia - Tensão superficial: Aditivos p/ concreto que modificam a tensão superficial da água: Finalidade: Aumentar a plasticidade por diminuir o atrito, afastando por repulsão elétrica os grãos de cimento. Efeito de aditivos superplastificantes (outra forma de tensoativo) Propriedades físico-químicas da água: Química e Propriedades físico-químicas da água Prof. José de A. Freitas Jr. | TC 030 Materiais I (Mehta e Monteiro, 2006) www.concretedecor.net Concreto Auto-adensável Molécula com grupo polar aniônico na cadeia de hidrocarbonetos. Antes Depois Grão de Cimento Envolvido Pelo aditivo Aplicações na engenharia - Tensão superficial: ADITIVOS TENSOATIVOS: SUPERPLASTIFICANTES – SP Química e Propriedades físico-químicas da água Prof. José de A. Freitas Jr. | TC 030 Materiais I ADITIVOS TENSOATIVOS:SUPERPLASTIFICANTES – SP Ação superplastificante – Gleniun 51 – MBT/BASF Gleniun 51 Grão de cimento hidratando Aplicações na engenharia - Tensão superficial: Química e Propriedades físico-químicas da água Prof. José de A. Freitas Jr. | TC 030 Materiais I SUPERPLASTIFICANTES – SP Arquivo: Filmes concreto / Aditivos / Superplastificante em pó Química e Propriedades físico-químicas da água Prof. José de A. Freitas Jr. | TC 030 Materiais I Concreto sem SP Concreto com SP 100 g de SP ou 1% do peso do cimento SUPERPLASTIFICANTES – SP Arquivo: Filmes concreto / Slump tes aditivo e sem / Slump Test - Sem aditivo Arquivo: Filmes concreto / Slump tes aditivo e sem / Slump Test - Aditivo Plastificante Química e Propriedades físico-químicas da água Prof. José de A. Freitas Jr. | TC 030 Materiais I ADITIVOS TENSOATIVOS: SUPERPLASTIFICANTES – SP Aplicações na engenharia - Tensão superficial: ADVA 170 GRACE Burj Dubai 80 MPa Possibilita a produção de concretos de alta resistência (CAD/CAR) Química e Propriedades físico-químicas da água Prof. José de A. Freitas Jr. | TC 030 Materiais I Capilaridade: Líquidos podem fluir, suas partículas se movem independentemente, não tanto como as de um gás. Forças de coesão agem entre as partículas do líquido. Entre estas e o material em que estão encostados existe uma de força de adesão. 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. Propriedades físico-químicas da água: Química e Propriedades físico-químicas da água Prof. José de A. Freitas Jr. | TC 030 Materiais I Capilaridade: Forças coesivas mais fortes que as adesivas, as bordas da superfície curvam-se para dentro Água subindo em tubo capilar Mercúrio Água Propriedades físico-químicas da água: Forças adesivas líquido/vidro mais fortes que as forças coesivas dentro do líquido Química e Propriedades físico-químicas da água Prof. José de A. Freitas Jr. | TC 030 Materiais I Aplicações na engenharia - Capilaridade: A umidade do solo sobe pela parede por falta de impermeabilização da viga de baldrame. As eflorescências na parte inferior da parede causam a decomposição da pintura e do emboço. Propriedades físico-químicas da água: Química e Propriedades físico-químicas da água Prof. José de A. Freitas Jr. | TC 030 Materiais I Aplicações na engenharia - Capilaridade: Patologia de difícil solução corretiva Preventivamente deve-se aplicar uma tira de papelão alcatroado sobre o baldrame. (José A. Freitas Jr.) Propriedades físico-químicas da água: Química e Propriedades físico-químicas da água Prof. José de A. Freitas Jr. | TC 030 Materiais I Aplicações na engenharia - Capilaridade: Uma tira de papelão alcatroado (feltro asfáltico) sobre o baldrame, antes do erguimento das elevações, veda a interface parede x fundações, impedindo que a umidade suba por capilaridade e o surgimento de patologias. Propriedades físico-químicas da água: Química e Propriedades físico-químicas da água Prof. José de A. Freitas Jr. | TC 030 Materiais I Impermeabilização de baldrames com argamassa impermeável Arquivo: Filmes concreto / Impermeabilização / vedacit[1] Química e Propriedades físico-químicas da água Prof. José de A. Freitas Jr. | TC 030 Materiais I Impermeabilização de baldrames com emulsão asfáltica Arquivo: Filmes concreto / Impermeabilização / VEDASIKA IGOL 2 baldrame Química e Propriedades físico-químicas da água Prof. José de A. Freitas Jr. | TC 030 Materiais I Retração em concreto Quando um concreto endurece e seca, a água presente nos poros sai para a atmosfera. Esta saída origina pressões capilares, formando mísulas (tensão superficial) que “puxam” as paredes no sentido que estas se aproximem. O concreto perde volume ou sofre retração, fenômeno que pode originar fissuras. Procedimentos de cura p/ minimizar retração: Manter o concreto saturado com água, nos primeiros dias, p/ água não sair enquanto não alcança boa resistência mecânica. Propriedades físico-químicas da água: Química e Propriedades físico-químicas da água Prof. José de A. Freitas Jr. | TC 030 Materiais I Propriedades físico-químicas da água: Retração em concreto Química e Propriedades físico-químicas da água Prof. José de A. Freitas Jr. | TC 030 Materiais I Fissuras por retração Propriedades físico-químicas da água: Retração em concreto Química e Propriedades físico-químicas da água Prof. José de A. Freitas Jr. | TC 030 Materiais I Sacos de aniagem encharcados Propriedades físico-químicas da água: Retração em concreto- Procedimentos de Cura: Química e Propriedades físico-químicas da água Prof. José de A. Freitas Jr. | TC 030 Materiais I Aplicação de filme de (0,1mm) polietileno Propriedades físico-químicas da água: Retração em concreto- Procedimentos de Cura: Química e Propriedades físico-químicas da água Prof. José de A. Freitas Jr. | TC 030 Materiais I Aplicação de agente de cura sobre concreto fresco. Retração em concreto- Procedimentos de Cura: Propriedades físico-químicas da água: Química e Propriedades físico-químicas da água Prof. José de A. Freitas Jr. | TC 030 Materiais I Propriedades físico-químicas da água: EFEITOS DA CURA NA RESISTÊNCIA DO CONCRETO (adaptação de Mehta/ Monteiro, 1993) Química e Propriedades físico-químicas da água Prof. José de A. Freitas Jr. | TC 030 Materiais I Piso de concreto com cura por aplicação de filme de polietileno sobre a superfície molhada Arquivo: Filmes concreto / Cura / Water Curing Química e Propriedades físico-químicas da água Prof. José de A. Freitas Jr. | TC 030 Materiais I Piso de concreto com aplicação cura “química” Arquivo: Filmes concreto / Cura / Chemical Curing Química e Propriedades físico-químicas da água Prof. José de A. Freitas Jr. | TC 030 Materiais I Pressão de vapor: “Umidade do ar” é a medida da quantidade de vapor de água contida numa dada porção de atmosfera. Pressão de vapor é a pressão exercida por um vapor quando este está em equilíbrio com o líquido que lhe deu origem. (depende da temperatura) Líquido, evapora até atingir a pressão de vapor para a temperatura, ficando em estado de equilíbrio. Entra em ebulição quando sua pressão de vapor iguala-se à pressão atmosférica. A pressão de vapor pode atuar de forma importante no âmbito das edificações. Argamassas de cimento e concreto são materiais que contém muita água. Propriedades físico-químicas da água: Química e Propriedades físico-químicas da água Prof. José de A. Freitas Jr. | TC 030 Materiais I Pressão de vapor - até 1,5 MPa (J. Pinto e E. Takagi – MCBAUCHEMIE) Propriedades físico-químicas da água: Química e Propriedades físico-químicas da água Prof. José de A. Freitas Jr. | TC 030 Materiais I 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 se transformam em vapor. Aplicações na engenharia – Pressão de vapor: Bolhas em pinturas Propriedades físico-químicas da água: Química e Propriedades físico-químicas da água Prof. José de A. Freitas Jr. | TC 030 Materiais I Bolhas em pinturas sobre alvenarias ou concreto: Aplicações na engenharia – Pressão de vapor: Bolhas em pinturas Propriedades físico-químicas da água: Química e Propriedades físico-químicas da água Prof. José de A. Freitas Jr. | TC 030 Materiais I Lascamento de concreto devido ao calor: Incêndios levam a bruscas elevações da temperatura. A água nos poros do concreto forma do vapor, que cria tensões internas elevadas dentro das argamassas e do concreto. A pressão de vapor dentro destes materiais leva ao “spalling” ou lascamento. Aplicações na engenharia – Pressão de vapor: Seqüência de incêndio em túnel. (Juçara Tanesi e Andréia Nince – TECHNE set./2002) Propriedades físico-químicas da água: Química e Propriedades físico-químicas da água Prof. José de A. Freitas Jr. | TC 030 Materiais I Lascamento de concreto devido ao calor: Aplicações na engenharia – Pressão de vapor: Eurotúnel após incêndio Lascamento (C. N. C.osta, A. D. Figueiredo e V. P. Silva; de ULM, 2000) Propriedades físico-químicas da água: Química e Propriedades físico-químicas da água Prof. José de A. Freitas Jr. | TC 030 Materiais I Lascamento de concreto devido ao calor: Aplicações na engenharia – Pressão de vapor: Eurotúnel após incêndio Propriedades físico-químicas da água: Química e Propriedades físico-químicas da água Prof. José de A. Freitas Jr. | TC 030 Materiais I (Granato- BASF) Propriedades físico-químicas da água: Aplicações na engenharia – Pressão de vapor: Lascamento de concreto devido ao calor: Viaduto em SP, 1998 Química e Propriedades físico-químicas da água Prof. José de A. Freitas Jr. | TC 030 Materiais I Lascamento de concreto devido ao calor: Viaduto em SP, 1998 Aplicações na engenharia – Pressão de vapor: (Granato- BASF) Propriedades físico-químicas da água: Química e Propriedades físico-químicas da água Prof. José de A. Freitas Jr. | TC 030 Materiais I Ação do fogo em grandes estruturas Arquivo: Filmes concreto / Durabilidade / Incêndio em estruturas Química e Propriedades físico-químicas da água Prof. José de A. Freitas Jr. | TC 030 Materiais I Em quanto a bomba de concreto não vem.... Arquivo: Filmes concreto / Filmes engraçados / cementing_in_africa Química e Propriedades físico-químicas da água Prof. José de A. Freitas Jr. | TC 030 Materiais I (TC-030) Materiais I – Propriedades físico-químicas da água 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.
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Química e Propriedades físico-químicas da água Prof. José de A. Freitas Jr. | TC 030 Materiais I MATERIAIS I - Química Aplicada (TC-030) Ministério da Educação Universidade Federal do Paraná Setor de Tecnologia Departamento de Construção Civil Versão 2023 Estrutura Atômica da Matéria, Ligações Químicas e Propriedades Físico-Químicas da Água Professores José de Almendra Freitas Jr. - freitasjose@terra.com.br Laila Valduga Artigas – artigas@ufpr.br Química e Propriedades físico-químicas da água Prof. José de A. Freitas Jr. | TC 030 Materiais I 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 Química e Propriedades físico-químicas da água Prof. José de A. Freitas Jr. | TC 030 Materiais I Substâncias e misturas Substâncias: Compostas apenas de um tipo de moléculas ou átomos. Substância simples constituída por um único tipo de constituinte. Exemplos: Metal ferro - Fe2 Gás oxigênio - O2. Substância composta constituída por mais de um tipo de constituinte. Exemplos: Água pura - H2O Sal comum - NaCl Química e Propriedades físico-químicas da água Prof. José de A. Freitas Jr. | TC 030 Materiais I Substâncias e misturas Misturas: Duas ou mais substâncias misturadas. Algumas podem ser identificadas visualmente. Exemplo: Granito - grãos de quartzo branco, mica preta e feldspato rosa e outros minérios. 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 que é uma mistura. Água salgada – Não se vê de forma alguma o sal (íons) dissolvido. É necessário evaporar a água para observar o sal. Química e Propriedades físico-químicas da água Prof. José de A. Freitas Jr. | TC 030 Materiais I 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 com o recipiente. Química e Propriedades físico-químicas da água Prof. José de A. Freitas Jr. | TC 030 Materiais I Gases e líquidos têm a capacidade de fluir, são chamados de fluídos. Sólidos – moléculas muito próximas, mantém posição por atração e coesão. Um líquido pode ser obtido a partir de um sólido, pela diminuição das forças de atração ou de coesão. Um gás é obtido pela supressão das forças atração ou de coesão. Estados da matéria: Química e Propriedades físico-químicas da água Prof. José de A. Freitas Jr. | TC 030 Materiais I Estados da matéria: Disposição das moléculas nos Sólidos Estado cristalino: Disposição das moléculas em formas geométricas e regulares. As propriedades físicas de um corpo cristalino são anisotrópicas, variam segundo a direção. Estado amorfo: Disposição irregular das moléculas. As propriedades físicas de um corpo amorfo são iguais em todas as direções. Química e Propriedades físico-químicas da água Prof. José de A. Freitas Jr. | TC 030 Materiais I Misturas homogêneas e heterogêneas: Mistura homogênea - apresenta apenas uma fase = SOLUÇÃO Exemplos: 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. MISTURA HOMOGÊNEA ou SOLUÇÃO 1 fase MISTURAS HETEROGÊNEAS 2 ou mais fases Química e Propriedades físico-químicas da água Prof. José de A. Freitas Jr. | TC 030 Materiais I Misturas homogêneas e heterogêneas: Distinção entre solução e substância pura, pela medida da temperatura nas mudanças de estado. Substância pura = água = ferve a temperatura constante. Pto. de ebulição de solução varia c/ concentração dos componentes: Exemplo: água salgada, quanto maior for a % de sal dissolvido, maior será o ponto de ebulição. Mistura de líquidos apresenta diferentes temperaturas de ebulição, uma p/ cada líquido. Pode-se separa-los pela destilação. Exemplo: Petróleo. Química e Propriedades físico-químicas da água Prof. José de A. Freitas Jr. | TC 030 Materiais I Soluções e misturas: MISTURA 2 fases MISTURA 3 fases MISTURA 4 fases SOLUÇÃO 1 fase Pode ser uma substância ou uma mistura homogênea Química e Propriedades físico-químicas da água Prof. José de A. Freitas Jr. | TC 030 Materiais I Dos átomos a matéria: Átomos Moléculas Substâncias Mistura Solução Matéria Gás Líquido Sólido Química e Propriedades físico-químicas da água Prof. José de A. Freitas Jr. | TC 030 Materiais I As transformações da matéria: Podem ser físicas ou químicas. Transformações físicas não alteram a identidade das substâncias. Exemplos: •Chumbo fundido (derretido) continua sendo chumbo. •Água gelada, gelo, continua sendo água, agora no estado sólido. •Um pedaço de alumínio pode ser retorcido e continua sendo alumínio. Química e Propriedades físico-químicas da água Prof. José de A. Freitas Jr. | TC 030 Materiais I Transformações químicas: Mais significativas do que as transformações físicas. Substâncias são destruídas e novas são formadas. Exemplo de transformação ou reação química: Ferro ao exposto à água: Ferro reage com o oxigênio e a água aparecendo a ferrugem. A ferrugem é uma substância nova = o óxido de ferro. Reagentes = substâncias iniciais. (ferro, oxigênio e água) Produtos = novas substâncias formadas. (óxido de ferro) As transformações da matéria: Química e Propriedades físico-químicas da água Prof. José de A. Freitas Jr. | TC 030 Materiais I Primeira lei de Lavoisier, em 1774 Lei da conservação da massa: A soma das massas dos produtos é igual a soma das massas dos reagentes. Não há destruição, nem criação de matéria, apenas transformação. Exemplo: Queima de papel - decompõe em gases e cinzas. Massa do papel = massa das cinzas + massas dos gases Leis das transformações químicas: Antoine Laurent Lavoisier França 1743-1794 Química e Propriedades físico-químicas da água Prof. José de A. Freitas Jr. | TC 030 Materiais I Leis das transformações químicas: Segunda lei: Lei das proporções definidas: Mais importante propriedade de um composto, sua composição 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. Química e Propriedades físico-químicas da água Prof. José de A. Freitas Jr. | TC 030 Materiais I 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 contra uma força de oposição. Exemplo: Ao levantarmos um objeto, realizamos trabalho sobre o objeto, porque o deslocamos contra a força de oposição da gravidade. Química e Propriedades físico-químicas da água Prof. José de A. Freitas Jr. | TC 030 Materiais I Energia mecânica: É a energia de um corpo 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 corpo, e não do seu movimento. Corpo ganha Ep quando é levantado contra a força da gravidade. A Ep depende da distância (d) movida pelo corpo e da força de oposição (F) ao seu movimento. Ep = F. d Energia pode ser transformada de uma forma para outra forma, não pode ser destruída e nem criada. Química e Propriedades físico-químicas da água Prof. José de A. Freitas Jr. | TC 030 Materiais I Calor e temperatura: Calor - energia transferida de um corpo mais quente p/ um mais frio. Temperatura - medida da energia cinética média das partículas de um corpo. Quando o calor é transferido p/ um corpo: a energia cinética média de suas partículas aumenta. (temperatura aumenta = movimentos mais rápidos das partículas) Algumas vezes a transferência de calor para um corpo não aumenta a sua temperatura, causa mudança de estado da matéria do corpo. 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 do que a do gelo, a 0ºC. Química e Propriedades físico-químicas da água Prof. José de A. Freitas Jr. | TC 030 Materiais I Átomo: Menor elemento das moléculas. Partículas submicroscópicas de que toda a matéria é composta. 92 elementos naturais + elementos artificiais (criados pela física nuclear) Dois grandes grupos: metais e metalóides. O átomo é formado por: Núcleo - positivo. Elétrons - satélites negativos. Distribuídos camadas K, L, M, N, O, P, Q - em volta do núcleo, definindo níveis decrescentes de energia. Química e Propriedades físico-químicas da água Prof. José de A. Freitas Jr. | TC 030 Materiais I Átomo: O núcleo contém prótons. Todos os núcleos mais pesados que o hidrogênio possuem nêutrons. Prótons e nêutrons constituem a maior parte da massa do átomo. Prótons e nêutrons são partículas de mesma massa. Próton possui carga positiva e o nêutron é eletricamente neutro. O número de cargas elétricas positivas no núcleo tem seu correspondente número de cargas elétricas negativas, (elétrons). Elétron é mais leve, tem cerca de 1/1.836 da massa do próton. Química e Propriedades físico-químicas da água Prof. José de A. Freitas Jr. | TC 030 Materiais I Os átomos: O hidrogênio (H) é o mais simples dos elementos. Núcleo de 1 próton e 1 elétron. Segundo elemento é o hélio (He), 2 prótons e 2 elétrons. O número de cargas positivas no núcleo de um átomo é sempre igual ao número de elétrons circundantes = número atômico do elemento. Química e Propriedades físico-químicas da água Prof. José de A. Freitas Jr. | TC 030 Materiais I Átomo: 1913- Niels Bohr - (Prêmio Nobel de Física de 1922) Núcleo rodeado por elétrons em órbitas, semelhante aos planetas em redor do Sol. Niels Henrick David Bohr Dinamarca 1885 -1962 Theodore Lyman EUA, 1874 - 1954 Química e Propriedades físico-químicas da água Prof. José de A. Freitas Jr. | TC 030 Materiais I Átomo: Química e Propriedades físico-químicas da água Prof. José de A. Freitas Jr. | TC 030 Materiais I Átomo: O núcleo é composto por: prótons positivos e nêutrons. Estas últimos equilibram as forças de repulsão dos prótons. Constantes do núcleo: Número de prótons Z Determina o número atômico, 1 (hidrogênio) a 92 (urânio), Indica igualmente a carga e o número de elétrons. Número de massa A Indica a soma de partículas prótons + nêutrons = massa atômica. Cada elemento é tem um número atômico específico. Química e Propriedades físico-químicas da água Prof. José de A. Freitas Jr. | TC 030 Materiais I Átomo: Simbolizadas da seguinte maneira: Núcleo de urânio composto de 238 partículas 92 prótons e (238 - 92) = 146 nêutrons. Número de prótons Z Número de massa A Química e Propriedades físico-químicas da água Prof. José de A. Freitas Jr. | TC 030 Materiais I Química e Propriedades físico-químicas da água Prof. José de A. Freitas Jr. | TC 030 Materiais I As moléculas: Na maioria das 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 permanecem unidos por forças chamadas ligações químicas. Molécula = composto de partículas de dois ou mais átomos quimicamente ligados um ao outro. Química e Propriedades físico-químicas da água Prof. José de A. Freitas Jr. | TC 030 Materiais I As ligações atômicas: Átomos com a camada periférica completa são muito estáveis: gases raros ou inertes. Estabilidade permanente - átomo com 8 elétrons na última camada (2 no caso do hélio). Este tipo de elementos químicos raramente se liga a outros tipos de átomos. A maioria dos elementos químicos não é estável quando está sozinho, tendendo a formar compostos. Química e Propriedades físico-químicas da água Prof. José de A. Freitas Jr. | TC 030 Materiais I As ligações atômicas: A maioria das substâncias é composta por diversos elementos químicos diferentes, formando compostos estáveis. As propriedades químicas dos átomos são função da última camada de elétrons. O tipo de ligação química entre os elementos é determinado pelos elétrons do nível de valência, que definem a afinidade química dos elementos. Química e Propriedades físico-químicas da água Prof. José de A. Freitas Jr. | TC 030 Materiais I As ligações atômicas: 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 é igual ao número absorvido pelos metalóides, define o número de ligações ou valências. Mono, bi, tri, valentes = 1, 2, 3, ... valências. Química e Propriedades físico-químicas da água Prof. José de A. Freitas Jr. | TC 030 Materiais I As ligações entre átomos (atômicas): 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 última camada (metalóide para metalóide); ligação por covalência, estável e freqüente nos materiais plásticos. Química e Propriedades físico-químicas da água Prof. José de A. Freitas Jr. | TC 030 Materiais I A coesão (ou ligação) entre as moléculas: As moléculas atraem entre si pelas forças de coesão polares. Devido à distribuição desigual das cargas positivas e negativas na molécula. As forças de coesão determinam as propriedades físicas e químicas dos materiais. São influenciadas pela temperatura, pressão, campos elétricos ou magnéticos, esforços mecânicos, etc. O estado físico que os materiais se apresentam, é conseqüência das forças de atração entre os átomos e as moléculas que os constituem. Química e Propriedades físico-químicas da água Prof. José de A. Freitas Jr. | TC 030 Materiais I As ligações atômicas: Ligações primárias (fortes): • Ligação iônica • Ligação covalente • Ligação metálica Ligações secundárias – forças de van der Walls: • Moléculas polares • Dipolos induzidos • Pontes de hidrogênio Química e Propriedades físico-químicas da água Prof. José de A. Freitas Jr. | TC 030 Materiais I Ligação iônica: É a mais simples. Forças Coulombianas (recebendo e doando elétrons). A atração dá-se em todas as direções. Atração entre íons de carga elétrica contrária (íons positivos- cátions e íons negativos-ânions). Composto iônico - substância composta cujos componentes apresentam cargas elétricas. Materiais em geral com baixa condutibilidade elétrica e térmica assim como baixa ductilidade. Química e Propriedades físico-químicas da água Prof. José de A. Freitas Jr. | TC 030 Materiais I Ligação iônica: Exemplo: Na+ e o Cl- formam o NaCl, cloreto de sódio (sal de cozinha), sólido cristalino. Um íon Na+ é envolvido por vários íons Cl- e assim inversamente. Na Cl Química e Propriedades físico-químicas da água Prof. José de A. Freitas Jr. | TC 030 Materiais I Ligação covalente: Ocorre por uma aproximação muito intensa entre dois elementos químicos. Alguns elétrons da última camada de valência de um dos átomos circundam o núcleo do outro átomo e vice-versa. Os elementos não perdem nem ganham elétrons, mas sim os compartilham. Molécula de oxigênio O2 Química e Propriedades físico-químicas da água Prof. José de A. Freitas Jr. | TC 030 Materiais I Ligação covalente: Composto covalente: Substância composta cujos componentes não apresentam carga elétrica e interagem entre si direcionalmente. Molécula de metano CH4 A força de ligação covalente é evidenciada no diamante, o material mais duro que se conhece, constituído inteiramente por carbono. Química e Propriedades físico-químicas da água Prof. José de A. Freitas Jr. | TC 030 Materiais I Diamante: O carbono tem 4 elétrons na camada de valência, compartilhado-os com 4 átomos de carbono adjacentes, formando um reticulado tridimensional todo ligado por pares covalentes. Desta forma, cada átomo de carbono está ligado covalentemente a outros quatro átomos de carbono, originando uma estrutura rígida a três dimensões. Diamante Somente átomos de carbono Estrutura 3D Ligação covalente: Química e Propriedades físico-químicas da água Prof. José de A. Freitas Jr. | TC 030 Materiais I Grafite Ligação covalente: Somente átomos de carbono Estruturas 2D Grafite O grafite como o diamante são constituídos por estruturas cristalinas de átomos de carbono, apenas diferindo no formato de estrutura que se apresentam. No grafite os átomos de carbono ligam-se a outros três, formando camadas (daí a potencialidade deste material para deslizar). Química e Propriedades físico-químicas da água Prof. José de A. Freitas Jr. | TC 030 Materiais I Ligação metálica: Átomos com poucos elétrons de valência podem perde-los com facilidade. Os demais são firmemente ligados ao núcleo. Com a perda dos elétrons da última camada de valência, os átomos metálicos remanescentes tornam-se íons positivos. Com a saída dos elétrons da última camada, há um desbalanceamento elétrico, tendo o núcleo uma maior quantidade de cargas positivas do que a eletrosfera de negativas. Química e Propriedades físico-químicas da água Prof. José de A. Freitas Jr. | TC 030 Materiais I Íons positivos e elétrons “livres” (que fazem o papel de íons negativos) formam forças elétricas coulombianas de atração. A ligação metálica pode ser considerada como uma atração entre íons positivos e elétrons livres. Ligação metálica: Exemplo : cobre Química e Propriedades físico-químicas da água Prof. José de A. Freitas Jr. | TC 030 Materiais I Os elétrons livres dão aos metais sua elevada condutibilidade elétrica e térmica. “Nuvem” de elétrons absorve a energia luminosa, torna os metais opacos. Metal: É uma substância simples, cujos constituintes são os próprios componentes e interagem entre si não-direcionalmente. Composto metálico: Substância cujos componentes não apresentam carga elétrica e interagem entre si não-direcionalmente. Materiais em geral com alta ductilidade. Ligação metálica: Química e Propriedades físico-químicas da água Prof. José de A. Freitas Jr. | TC 030 Materiais I Forças de van der Waals: Ligação secundária fraca (entre moléculas), mas que também contribui para a atração interatômica. Moléculas assimétricas originam dipolos elétricos. O centro de carga positiva não coincide com o centro de carga negativa, originando o dipolo. São forças de atração que não envolvem cargas individuais ou transferência de elétrons. Existem entre todos os íons e átomos de um sólido, mas podem estar obscurecidas pelas ligações fortes presentes. Johannes Diederik van der Waals, Holanda 1837-1923 Química e Propriedades físico-químicas da água Prof. José de A. Freitas Jr. | TC 030 Materiais I (a) nas moléculas assimétricas ocorre um desbalanceamento elétrico denominado polarização. (b) (b) Este desbalanceamento produz um dipolo elétrico com uma extremidade positiva e outra negativa. (c) Os dipolos resultantes originam forças de atração secundárias entre as moléculas. A extremidade positiva de um dipolo é atraída pela negativa de outro. Forças de van der Waals: Química e Propriedades físico-químicas da água Prof. José de A. Freitas Jr. | TC 030 Materiais I Pontes de hidrogênio: Caso particular de atração por moléculas polares, em que a carga positiva do núcleo do átomo de hidrogênio de uma molécula é atraída pelos elétrons de valência de átomos de moléculas adjacentes. Exemplo: água (molécula polar) Forças de van der Waals: Química e Propriedades físico-químicas da água Prof. José de A. Freitas Jr. | TC 030 Materiais I Forças de van der Waals: Pontes de hidrogênio C-S-H = 3CaO.2SiO2.3H2O Estruturas C-S-H formam lamelas muito próximas 5 a 25Å (1 Å= 10-10m) unidas através de pontes de hidrogênio (H2O). Pasta de cimento hidratado – Estruturas C-S-H Química e Propriedades físico-químicas da água Prof. José de A. Freitas Jr. | TC 030 Materiais I Os arranjos das estruturas moleculares, que formam a microestrutura da matéria são diferentes a cada fase ou estado. Sólidos = as moléculas estão muito próximas, mantém-se no lugar pelas forças de atração e coesão. Pode-se obter um líquido a partir de um sólido, pela diminuição das forças de atração ou de coesão. Um gás é obtido pela supressão da quase totalidade das forças de atração ou de coesão. Microestrutura da matéria - Arranjos atômicos: Química e Propriedades físico-químicas da água Prof. José de A. Freitas Jr. | TC 030 Materiais I Microestrutura da matéria - Arranjos atômicos: Nos sólidos a disposição geométrica regular das moléculas no conjunto da massa caracteriza o estado cristalino. Disposição irregular das moléculas caracteriza o estado amorfo. Um corpo cristalizado é anisotrópico, isto é, as suas propriedades variam segundo a direção em que são medidas. Os metais possuem estrutura cristalina. Química e Propriedades físico-químicas da água Prof. José de A. Freitas Jr. | TC 030 Materiais I Estrutura cristalina: Moléculas com regularidade estrutural. Ligações determinam a orientação no espaço e o número de vizinhos para cada átomo. Materiais importantes para a construção civil tem arranjos cristalinos. As superfícies planas dos cristais de pedras preciosas são manifestações dos arranjos cristalinos. Exemplos: Sal de cozinha forma cubos devido a estrutura cristalina do NaCl. MgO e Ferro (aço) tem estrutura cristalina cúbica. Ca(OH)2 forma prismas hexagonais. Química e Propriedades físico-químicas da água Prof. José de A. Freitas Jr. | TC 030 Materiais I Estrutura cristalina: Cristais de ferro na forma cristalina CCC Cristais de ferro na forma cristalina CFC Velocidade de resfriamento, porcentagens de carbono e outros fatores afetam a microestrutura do aço e sua ductilidade. Fe Fe Fe Fe Química e Propriedades físico-químicas da água Prof. José de A. Freitas Jr. | TC 030 Materiais I Estrutura cristalina: 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 Química e Propriedades físico-químicas da água Prof. José de A. Freitas Jr. | TC 030 Materiais I Micrografias de MEV mostrando as estruturas hexagonais dos cristais de Ca(OH) (ou estruturas C-H) Estrutura cristalina: Química e Propriedades físico-químicas da água Prof. José de A. Freitas Jr. | TC 030 Materiais I Estrutura cristalina: Micrografia eletrônica (MEV) de cimento Portland hidratado mostrando os cristais de etringita e monossulfato hidratado. (Mehta e Monteiro, 1994) Química e Propriedades físico-químicas da água Prof. José de A. Freitas Jr. | TC 030 Materiais I Estrutura cristalina: Todos os cristais têm reticulado cristalino, que obedece a uma das 14 formas geométricas possíveis (reticulados de Bravais). Cada grupo espacial tem uma capacidade maior ou menor de adaptar-se às solicitações externas a que seja submetido. A visualização e a identificação do reticulado cristalino é possível através de microscopia eletrônica. MEV – Microscópio Eletrônico de Varredura Química e Propriedades físico-químicas da água Prof. José de A. Freitas Jr. | TC 030 Materiais I Cal hidratada Estrutura cristalina: (Wikipedia) Química e Propriedades físico-químicas da água Prof. José de A. Freitas Jr. | TC 030 Materiais I 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). Estrutura cristalina: Química e Propriedades físico-químicas da água Prof. José de A. Freitas Jr. | TC 030 Materiais I Cristais de zinco oxidado são visíveis na superfície de um poste de aço galvanizado. Variações nas tonalidades de cinza são decorrentes das diferentes orientações dos cristais. Estrutura cristalina: Freitas Jr., J.) Química e Propriedades físico-químicas da água Prof. José de A. Freitas Jr. | TC 030 Materiais I MICROESTRUTURA DOS METAIS Análise Macrográfica Aparência da fratura Detalhe a baixo aumento Ruptura no raio de dobramento com ramificação transversal. A superfície da fratura é rugosa e não se observa deformação plástica. Análise metalográfica: Ruptura de viga metálica por fratura nas superfícies dos cristais. Química e Propriedades físico-químicas da água Prof. José de A. Freitas Jr. | TC 030 Materiais I MICROESTRUTURA DOS METAIS Detalhe a alto aumento Seção metalográfica Trinca com origem no raio interno de curvatura, Na imagem menor se observa microtrinca (0,05 mm) paralela à fratura iniciada em um pitting. A superfície da fratura e das trincas é intergranular frágil. Análise Micrográfica Análise metalográfica: Fissura iniciada em pitting de corrosão. Química e Propriedades físico-químicas da água Prof. José de A. Freitas Jr. | TC 030 Materiais I Sólidos amorfos - estrutura amorfa (ou vítrea): Não apresentam ordem estrutural em um estado normal. Alguns materiais mudam de estrutura cristalina para amorfa e vice-versa, de acordo com a temperatura. Usa-se este fenômeno no CD regravável. O arranjo cristalino é a forma de organização da matéria de mínima energia. Estado cristalino é o mais estável p/ qual todo processo de transformação tende. Substâncias comuns são sólidos amorfos: vidro, poliestireno e ... algodão-doce. Química e Propriedades físico-químicas da água Prof. José de A. Freitas Jr. | TC 030 Materiais I Nos materiais amorfos, na solidificação, reduz-se a capacidade de mobilidade das moléculas, antes que elas se arranjem em posições mais cristalinas. A não ser que o material tenha alta resistência à fusão (como cerâmicos) ou baixa energia de cristalização (como os polímeros), a preparação de um sólido amorfo deve ser extremamente rápida. Materiais amorfos podem existir em estados "borrachosos" e estados "vítreos". Sólidos amorfos - estrutura amorfa (ou vítrea): Química e Propriedades físico-químicas da água Prof. José de A. Freitas Jr. | TC 030 Materiais I Vidro comum Policarbonato Sólidos amorfos - estrutura amorfa (ou vítrea): Química e Propriedades físico-químicas da água Prof. José de A. Freitas Jr. | TC 030 Materiais I Basalto Sílica ativa ou microssílica (aditivo p/ obter Concreto de Alto Desempenho - CAD) Sólidos amorfos - estrutura amorfa (ou vítrea): Fotografia por Microscopia Eletrônica de Transmissão, mostrando partículas individuais de sílica de fumo. (Fidjestol e Lewis, 1998) Química e Propriedades físico-químicas da água Prof. José de A. Freitas Jr. | TC 030 Materiais I 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: Química e Propriedades físico-químicas da água Prof. José de A. Freitas Jr. | TC 030 Materiais I Grandeza física que define a variação térmica de uma substância ao receber determinada quantidade de calor. O c da água é muito alto, fazendo com que a água atue de forma importante no equilíbrio da temperatura dos sistemas, impedindo mudanças bruscas de temperatura. A unidade do c no SI é J/kg.K (Joule por quilograma Kelvin). Uma outra unidade mais usual para c é cal/g.°C Calor específico = c Capacidade térmica de um corpo = C Massa do corpo = m Propriedades físico-químicas da água: Calor específico: c C c = m Química e Propriedades físico-químicas da água Prof. José de A. Freitas Jr. | TC 030 Materiais I É possível determinar o c de uma substância a partir da quantidade de calor cedida a um corpo dessa substância, da variação térmica que ele sofre, e da massa desse corpo. O c da água é o número de calorias necessárias para elevar a temperatura de 1 grama de água de 14,5°C para (15,5°C) é o valor mais alto entre os solventes comuns. Quanto maior o c de uma substância, menores variações de temperatura ela experimenta. Água atua como importante fator de termorregulação. Propriedades físico-químicas da água: Calor específico: c Química e Propriedades físico-químicas da água Prof. José de A. Freitas Jr. | TC 030 Materiais I Capacidade térmica (CT) kJ / m2.K Zona 8 Zonas 1,2, 3, 4, 5, 6 e 7 Sem exigência ≥ 130 Capacidade térmica de paredes externas Capacidade térmica - Aplicações na engenharia: NBR 15.575-2013 Desempenho de edificações - Vedações verticais NBR 15.220 – Zonas bioclimáticas Exigências da Norma quanto a capacidade térmica das vedações para garantir o isolamento térmico adequado das edificações Química e Propriedades físico-químicas da água Prof. José de A. Freitas Jr. | TC 030 Materiais I Capacidade térmica - Aplicações na engenharia: Para determinar padrões mínimos de desempenho de isolamento térmico de vedações verticais, a NBR 15.575/2013 – Desempenho de edificações, exige limites de Transmitância e Capacidade térmica. Capacidade térmica Capacidade térmica (CT) kJ / m2.K Zona 8 Zonas 1,2, 3, 4, 5, 6 e 7 Sem exigência ≥ 130 Transmitância Térmica U W/m2.K Zonas 1 e 2 Zonas 3, 4, 5, 6, 7 e 8 U ≤ 2,5 α a ≤ 0,6 α a > 0,6 U ≤ 3,7 U ≤ 2,5 a α é absortância à radiação solar da superfície externa da parede. Paraná: Curitiba Z1, interior Z2, Litoral Z3 CT = (ei) . Ci . ρi Onde: e: espessura da camada c: calor específico do material da camada ρ: densidade de massa aparente do material da camada U = 1/ RT (W/m².K) R = e / λ (W/m².K) Onde: e: espessura da camada λ: condutividade térmica do material da camada Química e Propriedades físico-químicas da água Prof. José de A. Freitas Jr. | TC 030 Materiais I Blocos cerâmicos de 6 furos: Espessura 14 cm, revestimento em argamassa • U = 2,02 W/(m2.K) • Ct= 192 kJ/(m2.K) Blocos cerâmicos de 8 furos: Espessura 19 cm, revestimento em argamassa • U = 1,80 W/(m2.K) • Ct= 231 kJ/(m2.K) Ensaios de laboratório (IPT) de diferentes sistemas de vedações Tijolo maciço: Espessura 10 cm, revestimento em argamassa • U = 3,13 W/(m2.K) • Ct= 255 kJ/(m2.K) Tijolo maciço: Espessura 20 cm, revestimento em argamassa • U = 2,25 W/(m2.K) • Ct= 445 kJ/(m2.K) Capacidade térmica - Aplicações na engenharia: Capacidade térmica Química e Propriedades físico-químicas da água Prof. José de A. Freitas Jr. | TC 030 Materiais I IPT Blocos de concreto: Espessura 19 cm, revestimento em argamassa • U = 3,00 W/(m2.K) • Ct= 220 kJ/(m2.K) Blocos de concreto: Espessura 9 cm, revestimento em argamassa • U = 3,66 W/(m2.K) • Ct= 160 kJ/(m2.K) Parede de concreto maciço: Espessura 10 cm, • U = 4,40 W/(m2.K) • Ct= 240 kJ/(m2.K) Capacidade térmica Ensaios de laboratório (IPT) de diferentes sistemas de vedações Capacidade térmica - Aplicações na engenharia: Química e Propriedades físico-químicas da água Prof. José de A. Freitas Jr. | TC 030 Materiais I Calor específico - Aplicações na engenharia: Pós-resfriamento de grandes massas de concreto: A hidratação do cimento Portland é exotérmica. Grandes massas de concreto, como barragens geram enormes quantidades de calor. A concentração e lenta dispersão deste calor é lenta e complexa, levando a formação de gradientes de temperaturas. Química e Propriedades físico-químicas da água Prof. José de A. Freitas Jr. | TC 030 Materiais I Calor específico - Aplicações na engenharia: Período de bombeamento de água resfriada Pós-resfriamento de grandes massas de concreto: Calor de hidratação do cimento Portland Química e Propriedades físico-químicas da água Prof. José de A. Freitas Jr. | TC 030 Materiais I Calor específico - Aplicações na engenharia: Pós-resfriamento de 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.) Química e Propriedades físico-químicas da água Prof. José de A. Freitas Jr. | TC 030 Materiais I Calor específico - Aplicações na engenharia: Pós-resfriamento de grandes massas de concreto: Maciços de concreto com gradientes de temperaturas levam ao surgimento de tensões internas, que podem fissurar seriamente a estrutura. Para reduzir as temperaturas dentro do concreto, é comum a aplicação de processos de pré e pós-resfriamento. Pós-resfriamento - utiliza-se do alto calor específico da água, por meio de tubulações metálicas instaladas preliminarmente dentro das estruturas, bombeia-se água resfriada. A grande capacidade térmica da água retira o calor de dentro do concreto. Química e Propriedades físico-químicas da água Prof. José de A. Freitas Jr. | TC 030 Materiais I Calor específico - Aplicações na engenharia: Instalações para resfriamento e bombeamento da água Tubulação para circulação de água gelada Esquema de tubulações para circulação de água Pós-resfriamento de grandes massas de concreto: (José Marques Filho) (José Marques Filho) Química e Propriedades físico-químicas da água Prof. José de A. Freitas Jr. | TC 030 Materiais I Calor específico - Aplicações na engenharia: Pré-resfriamento – Para minimizar o aumento de temp. do concreto, usa-se resfriar os materiais dos quais ele é produzido, imediatamente antes da mistura. Refrigera-se a água a temperaturas abaixo de 5oC. Pode-se refrigerar os agregados e o concreto com nitrogênio líquido. As rochas tem menor c do que a água. Estas operações também geram um retardo nas reações de hidratação do cimento. Pré-resfriamento do concreto com nitrogênio líquido Química e Propriedades físico-químicas da água Prof. José de A. Freitas Jr. | TC 030 Materiais I Pré-resfriamento do concreto com nitrogênio líquido Arquivo: Filmes concreto / Concretagem / Resfriamento com nitrogenio Química e Propriedades físico-químicas da água Prof. José de A. Freitas Jr. | TC 030 Materiais I Calor específico - Aplicações na engenharia: Pré e Pós-resfriamento de grandes massas de concreto: Central de produção de concreto de Tucuruí Química e Propriedades físico-químicas da água Prof. José de A. Freitas Jr. | TC 030 Materiais I Calor específico - Aplicações na engenharia: Pré-resfriamento de grandes massas de concreto: Central de produção de concreto de Itaipú (F. Andriolo e T.M. Skwarczynski, 1988) Química e Propriedades físico-químicas da água Prof. José de A. Freitas Jr. | TC 030 Materiais I Pré-resfriamento do concreto com gelo Arquivo: Filmes concreto / Concretagem/ Burj dubai HPC ice Química e Propriedades físico-químicas da água Prof. José de A. Freitas Jr. | TC 030 Materiais I Calor específico - Aplicações na engenharia: Ar condicionado Um AC usa a evaporação de gás tipo freon para fornecer refrigeração. Nos sistemas tipo split o gás é comprimido no condensador e levado até o evaporador. Há um limite para a distância entre o condensador e o evaporador. Sistemas de AC com água gelada (chiller), usam a água pelo seu calor específico, que é esfriada na torre de resfriamento (4,4 a 7,2ºC), e canalizada para os sistemas de distribuição de ar. Não há limite de distância se a tubulação for bem isolada. Torre de refrigeração Química e Propriedades físico-químicas da água Prof. José de A. Freitas Jr. | TC 030 Materiais I Calor específico - Aplicações na engenharia: Central de energia nuclear: Centrais nucleares são usinas térmicas que retiram o calor da fissão de isótopos radioativos, em geral urânio 235. Na maioria das centrais o calor da reação é absorvido por meio da água, tirando partido das suas propriedades do calor específico e capacidade térmica. Angra I e II, usam água pressurizada (PWR). O combustível nuclear fica dentro de um vaso de pressão, através do qual água pressurizada (circuito primário) circula absorvendo o calor da fissão nuclear. A água é pressurizada para que o circuito possa funcionar a temperaturas bem superiores a 100oC sem que a água vaporize. Química e Propriedades físico-químicas da água Prof. José de A. Freitas Jr. | TC 030 Materiais I Calor específico - Aplicações na engenharia: Central de energia nuclear: A água aquecida do circuito primário transfere calor para o, o circuito secundário, que movimenta turbinas a vapor. Usa-se dois circuitos por motivos de segurança contra falhas e contaminações. A água é escolhida devido ao seu alto calor específico, sua massa (capacidade térmica) e facilidades de obtenção e manuseio. Em alguns reatores especiais, para de torna-los mais compactos, usa-se metais líquidos (sódio ou chumbo), que por possuírem massa bem maior, possuem maior capacidade térmica. Química e Propriedades físico-químicas da água Prof. José de A. Freitas Jr. | TC 030 Materiais I Calor específico - Aplicações na engenharia: CNEN Central de energia nuclear: Química e Propriedades físico-químicas da água Prof. José de A. Freitas Jr. | TC 030 Materiais I Propriedades físico-químicas da água: pH: A escala de pH varia de 1 a 14 e indica a concentração de íons H+ presentes na água. O valor do pH indica se a água tem caráter ácido, neutro ou básico (ou alcalino). pH < 7: caráter ácido pH > 7: caráter básico pH = 7: caráter neutro Química e Propriedades físico-químicas da água Prof. José de A. Freitas Jr. | TC 030 Materiais I Interação química da água com o vidro e o porcelanato: Por possuírem alta concentração de sílica os vidros e porcelanatos são muito resistentes a soluções ácidas e levemente básicas (pH < 9). Uma solução alcalina com pH > 9 ataca a estrutura de sílica fazendo com que sua superfície perca o brilho e adquira uma certa coloração como manchas de óleo e, este fenômeno é conhecido como irisação. Poder de dissolução - Aplicações na engenharia: Química e Propriedades físico-químicas da água Prof. José de A. Freitas Jr. | TC 030 Materiais I Interação química da água com o vidro e o porcelanato: Poder de dissolução - Aplicações na engenharia: O ataque frequente, ou muito prolongado pode manchar a superfície. Nos estágios iniciais a limpeza com pano úmido com produtos ácidos pode resolver o problema. Porcelanato atacado Vidro irisado Química e Propriedades físico-químicas da água Prof. José de A. Freitas Jr. | TC 030 Materiais I Poder de dissolução: Solventes são substâncias capazes de dissolver coisas. Dissolução de água e sal de cozinha, a água é o solvente porque dispersa no seu interior o sal. A água tem poder de dissolução muito grande. A água é designada solvente universal - dissolve a maioria das substâncias. Propriedade importante, pois muitas reações químicas, como a hidratação do cimento Portland, ocorrem em solução. A água é importante meio de transporte de substâncias dentro e fora dos materiais sólidos. Propriedades físico-químicas da água: Química e Propriedades físico-químicas da água Prof. José de A. Freitas Jr. | TC 030 Materiais I Deterioração do concreto por ataque de sulfatos: A água solubiliza agentes agressivos ao concreto como ácidos, sulfatos e outros. Com estes agentes dissolvidos, penetra nos poros do concreto. Agentes agressivos reagem com o hidróxido de cálcio da pasta de cimento endurecida, gerando uma reação expansiva. Poder de dissolução - Aplicações na engenharia: Reação com sulfato de cálcio: 4CaO.Al2O3.19H2O+3(CaSO4.2H2O)+16 H2O 3CaO.Al2O3.3CaSO4.32H2O+Ca(OH)2 aluminato gesso etringita Reação com sulfato de sódio: Ca(OH)2 + Na2SO4.10H2O → CaSO4.H2O + 2NaOH + 8H2O gesso Química e Propriedades físico-químicas da água Prof. José de A. Freitas Jr. | TC 030 Materiais I Deterioração do concreto por ataque de sulfatos: Poder de dissolução - Aplicações na engenharia: Estrutura de concreto atacada por sulfatos (Joana S. Coutinho) (Joana S. Coutinho) Química e Propriedades físico-químicas da água Prof. José de A. Freitas Jr. | TC 030 Materiais I Deterioração do concreto – dissolução por água pura: Poder de dissolução - Aplicações na engenharia: Barragem do Vossoroca: 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. Incrustações ao longo das juntas frias, a jusante da barragem 33 m3 de material. Química e Propriedades físico-químicas da água Prof. José de A. Freitas Jr. | TC 030 Materiais I Deterioração do concreto – dissolução por água pura: Poder de dissolução - Aplicações na engenharia: Barragem do Vossoroca - Patologias apresentadas na barragem : (José Marques Filho - COPEL) Paramento de montante superficialmente decomposto, com os agregados perfeitamente visíveis em diversas regiões, juntas frias perfeitamente delineadas e indicando permeabilidade pela região. Detalhe de porosidade e junta de concretagem. Química e Propriedades físico-químicas da água Prof. José de A. Freitas Jr. | TC 030 Materiais I Deterioração do concreto – dissolução por água pura: Poder de dissolução - Aplicações na engenharia: Barragem do Vossoroca - Ensaios de verificação : Extraídos testemunhos verticais, (diâmetro 5 cm) que apresentaram grande decomposição do concreto nas regiões das juntas frias de concretagem, mais na região de jusante. As amostras esfarelavam nas regiões das juntas. O concreto apresentava até 18 % de perda de massa. A barragem encontrava-se saturada de água. Química e Propriedades físico-químicas da água Prof. José de A. Freitas Jr. | TC 030 Materiais I Deterioração do concreto – dissolução por água pura: Poder de dissolução - Aplicações na engenharia: Barragem do Vossoroca - Ensaios de verificação : (José A. Freitas Jr.) (José A. Freitas Jr.) Química e Propriedades físico-químicas da água Prof. José de A. Freitas Jr. | TC 030 Materiais I Deterioração do concreto – dissolução por água pura: Poder de dissolução - Aplicações na engenharia: Barragem do Vossoroca: Reparos executados : Esvaziado o reservatório, deixado 5m de água, p/ facilitar a impermeabilização do bordo de montante. Furos a cada 4m e injetado pasta de cimento com sílica-ativa (minimiza a permeabilidade e retração). Alguns furos foi mais de 30m3 de calda. Retorno com perfurações a cada 2m. Regiões mais afetadas com furos a cada metro. Bordo de montante impermeabilizado após limpeza. Impermeabilização acima da linha da água c/ argamassa de cimento+sílica-ativa, embaixo d’água c/ argamassa epóxi. Química e Propriedades físico-químicas da água Prof. José de A. Freitas Jr. | TC 030 Materiais I Deterioração do concreto – dissolução por água pura: Poder de dissolução - Aplicações na engenharia: Barragem do Vossoroca: Reparos executados : (José A. Freitas Jr.) Química e Propriedades físico-químicas da água Prof. José de A. Freitas Jr. | TC 030 Materiais I Meio de transporte: Transporta substâncias dentro ou fora dos materiais sólidos, levando agentes agressivos para dentro dos materiais sólidos e arrastando os resíduos para fora. Aplicações na engenharia Carbonatação da superfície 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, que corresponde a 30 % da pasta de cimento hidratada. Quando a umidade no ar se reduz, 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. Reação de carbonatação - concreto com a superfície esbranquiçada. Propriedades físico-químicas da água: Química e Propriedades físico-químicas da água Prof. José de A. Freitas Jr. | TC 030 Materiais I Propriedades físico-químicas da água: Aplicações na engenharia - Meio de transporte Carbonatação da superfície de estruturas de concreto: Ca(OH)2 + CO2 CaCO3 + H2O (a água atua como catalisador) Ca(OH)2 = hidróxido de cálcio (cal hidratada) CO2 = dióxido de carbono (gás carbônico) CaCO3 = carbonato de cálcio A reação de carbonatação reduz o pH do concreto. Ca(OH)2 pH = 13,5 CaCO3 9,5 Armadura dentro de concreto com pH > 11,5 normalmente não sofrem corrosão. Exceção em contaminação por cloro Cl. Quando o pH do concreto armado cai p/ baixo de 11,5 pode iniciar o processo de corrosão do aço. Química e Propriedades físico-químicas da água Prof. José de A. Freitas Jr. | TC 030 Materiais I Propriedades físico-químicas da água: Carbonatação da superfície de estruturas de concreto: CaCO3 Determinação da frente carbonatada, através da fenolftaleina, que reage quimicamente com o Ca(OH)2, marcando a área com pH>11 com a cor vermelho-carmim. A camada na cor branca está carbonatada (CaCO3). Ca(OH)2 Frente carbonatada Fenolftaleina Aplicações na engenharia - Meio de transporte Química e Propriedades físico-químicas da água Prof. José de A. Freitas Jr. | TC 030 Materiais I Propriedades físico-químicas da água: Carbonatação da superfície de estruturas de concreto: Estádio do Morumbi - Corrosão das armaduras Aplicações na engenharia - Meio de transporte Química e Propriedades físico-químicas da água Prof. José de A. Freitas Jr. | TC 030 Materiais I Propriedades físico-químicas da água: Eflorescências: Manchas esbranquiçadas que surgem na superfícies dos revestimentos. Ocorre quando a pressão de vapor do substrato emboço/reboco, hidratado for maior que a do vapor de água na atmosfera. A secagem do substrato dá-se pela eliminação de água sob forma de vapor, que arrasta materiais alcalinos (da cal ou cimento) solúveis do interior p/ superfície pintada, causando a mancha. Edifício da FAU - USP (Granato-BASF) Aplicações na engenharia - Meio de transporte Química e Propriedades físico-químicas da água Prof. José de A. Freitas Jr. | TC 030 Materiais I Eflorescências: Pinturas: Tinta aplicada sobre o reboco úmido ou com infiltrações e/ou vazamentos. Eflorescências através de tinta acrílica. Manchas esbranquiçadas que surgem na superfície devido ao carreamento de materiais, dissolvidos do substrato emboço/reboco, e trazidos pela água para a superfície. Propriedades físico-químicas da água: Aplicações na engenharia - Meio de transporte Química e Propriedades físico-químicas da água Prof. José de A. Freitas Jr. | TC 030 Materiais I Eflorescências: Eflorescências através de tijolos cerâmicos Propriedades físico-químicas da água: Aplicações na engenharia - Meio de transporte Pelas juntas de alvenarias de blocos de concreto. Química e Propriedades físico-químicas da água Prof. José de A. Freitas Jr. | TC 030 Materiais I Eflorescências: Aplicações na engenharia - Meio de transporte Propriedades físico-químicas da água: Química e Propriedades físico-químicas da água Prof. José de A. Freitas Jr. | TC 030 Materiais I Eflorescências: Esquemas de sistemas para revestimento de paredes Aplicações na engenharia - Meio de transporte Propriedades físico-químicas da água: Química e Propriedades físico-químicas da água Prof. José de A. Freitas Jr. | TC 030 Materiais I Tensão superficial: A superfície livre dos líquidos em equilíbrio se comporta como uma 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 presença destas forças atrativas em são explicadas pelo modelo cinético-molecular. Forças que adquirem valores consideráveis quando a distância entre as moléculas é cerca de 10-6cm, (líquidos e principalmente nos sólidos). Propriedades físico-químicas da água: Química e Propriedades físico-químicas da água Prof. José de A. Freitas Jr. | TC 030 Materiais I Tensão superficial: Moléculas no interior do líquido: Cada uma é cercada e atraída por outras moléculas. Se as forças que atuam nesta molécula forem somadas vetorialmente, obteremos uma força resultante média nula. Moléculas na superfície do líquido: Existe uma força resultante dirigida para o interior do líquido. As moléculas da superfície são mantidas ligadas ao restante da massa, pelas forças de interação elétrica. Propriedades físico-químicas da água: Química e Propriedades físico-químicas da água Prof. José de A. Freitas Jr. | TC 030 Materiais I Tensão superficial: Propriedades físico-químicas da água: A tensão superficial apresenta algumas características: • Tem o mesmo valor em todas as direções. • Não depende da espessura e extensão da membrana. • Varia c/ temperatura e com a natureza da superfície de contato. • Diminui conforme aumenta a temperatura. Química e Propriedades físico-químicas da água Prof. José de A. Freitas Jr. | TC 030 Materiais I Tensão superficial: Água tem grande tensão superficial. Moléculas com cargas aderem fortemente às moléculas de água, o que permite a estabilidade coloidal das pastas de aglomerantes como a cal, gesso e cimento Portland. Propriedades físico-químicas da água: ΔP = γ ( 1 1 + R1 R2 ) A tensão superficial está relacionada com a diferença de pressão entre os dois lados de uma interface pela equação de Laplace, em que R1 e R2 são os raios de curvatura da interface. Química e Propriedades físico-químicas da água Prof. José de A. Freitas Jr. | TC 030 Materiais I Aplicações na engenharia - Tensão superficial: Aditivos p/ concreto que modificam a tensão superficial da água: Finalidade: Aumentar a plasticidade por diminuir o atrito, afastando por repulsão elétrica os grãos de cimento. Efeito de aditivos superplastificantes (outra forma de tensoativo) Propriedades físico-químicas da água: Química e Propriedades físico-químicas da água Prof. José de A. Freitas Jr. | TC 030 Materiais I (Mehta e Monteiro, 2006) www.concretedecor.net Concreto Auto-adensável Molécula com grupo polar aniônico na cadeia de hidrocarbonetos. Antes Depois Grão de Cimento Envolvido Pelo aditivo Aplicações na engenharia - Tensão superficial: ADITIVOS TENSOATIVOS: SUPERPLASTIFICANTES – SP Química e Propriedades físico-químicas da água Prof. José de A. Freitas Jr. | TC 030 Materiais I ADITIVOS TENSOATIVOS:SUPERPLASTIFICANTES – SP Ação superplastificante – Gleniun 51 – MBT/BASF Gleniun 51 Grão de cimento hidratando Aplicações na engenharia - Tensão superficial: Química e Propriedades físico-químicas da água Prof. José de A. Freitas Jr. | TC 030 Materiais I SUPERPLASTIFICANTES – SP Arquivo: Filmes concreto / Aditivos / Superplastificante em pó Química e Propriedades físico-químicas da água Prof. José de A. Freitas Jr. | TC 030 Materiais I Concreto sem SP Concreto com SP 100 g de SP ou 1% do peso do cimento SUPERPLASTIFICANTES – SP Arquivo: Filmes concreto / Slump tes aditivo e sem / Slump Test - Sem aditivo Arquivo: Filmes concreto / Slump tes aditivo e sem / Slump Test - Aditivo Plastificante Química e Propriedades físico-químicas da água Prof. José de A. Freitas Jr. | TC 030 Materiais I ADITIVOS TENSOATIVOS: SUPERPLASTIFICANTES – SP Aplicações na engenharia - Tensão superficial: ADVA 170 GRACE Burj Dubai 80 MPa Possibilita a produção de concretos de alta resistência (CAD/CAR) Química e Propriedades físico-químicas da água Prof. José de A. Freitas Jr. | TC 030 Materiais I Capilaridade: Líquidos podem fluir, suas partículas se movem independentemente, não tanto como as de um gás. Forças de coesão agem entre as partículas do líquido. Entre estas e o material em que estão encostados existe uma de força de adesão. 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. Propriedades físico-químicas da água: Química e Propriedades físico-químicas da água Prof. José de A. Freitas Jr. | TC 030 Materiais I Capilaridade: Forças coesivas mais fortes que as adesivas, as bordas da superfície curvam-se para dentro Água subindo em tubo capilar Mercúrio Água Propriedades físico-químicas da água: Forças adesivas líquido/vidro mais fortes que as forças coesivas dentro do líquido Química e Propriedades físico-químicas da água Prof. José de A. Freitas Jr. | TC 030 Materiais I Aplicações na engenharia - Capilaridade: A umidade do solo sobe pela parede por falta de impermeabilização da viga de baldrame. As eflorescências na parte inferior da parede causam a decomposição da pintura e do emboço. Propriedades físico-químicas da água: Química e Propriedades físico-químicas da água Prof. José de A. Freitas Jr. | TC 030 Materiais I Aplicações na engenharia - Capilaridade: Patologia de difícil solução corretiva Preventivamente deve-se aplicar uma tira de papelão alcatroado sobre o baldrame. (José A. Freitas Jr.) Propriedades físico-químicas da água: Química e Propriedades físico-químicas da água Prof. José de A. Freitas Jr. | TC 030 Materiais I Aplicações na engenharia - Capilaridade: Uma tira de papelão alcatroado (feltro asfáltico) sobre o baldrame, antes do erguimento das elevações, veda a interface parede x fundações, impedindo que a umidade suba por capilaridade e o surgimento de patologias. Propriedades físico-químicas da água: Química e Propriedades físico-químicas da água Prof. José de A. Freitas Jr. | TC 030 Materiais I Impermeabilização de baldrames com argamassa impermeável Arquivo: Filmes concreto / Impermeabilização / vedacit[1] Química e Propriedades físico-químicas da água Prof. José de A. Freitas Jr. | TC 030 Materiais I Impermeabilização de baldrames com emulsão asfáltica Arquivo: Filmes concreto / Impermeabilização / VEDASIKA IGOL 2 baldrame Química e Propriedades físico-químicas da água Prof. José de A. Freitas Jr. | TC 030 Materiais I Retração em concreto Quando um concreto endurece e seca, a água presente nos poros sai para a atmosfera. Esta saída origina pressões capilares, formando mísulas (tensão superficial) que “puxam” as paredes no sentido que estas se aproximem. O concreto perde volume ou sofre retração, fenômeno que pode originar fissuras. Procedimentos de cura p/ minimizar retração: Manter o concreto saturado com água, nos primeiros dias, p/ água não sair enquanto não alcança boa resistência mecânica. Propriedades físico-químicas da água: Química e Propriedades físico-químicas da água Prof. José de A. Freitas Jr. | TC 030 Materiais I Propriedades físico-químicas da água: Retração em concreto Química e Propriedades físico-químicas da água Prof. José de A. Freitas Jr. | TC 030 Materiais I Fissuras por retração Propriedades físico-químicas da água: Retração em concreto Química e Propriedades físico-químicas da água Prof. José de A. Freitas Jr. | TC 030 Materiais I Sacos de aniagem encharcados Propriedades físico-químicas da água: Retração em concreto- Procedimentos de Cura: Química e Propriedades físico-químicas da água Prof. José de A. Freitas Jr. | TC 030 Materiais I Aplicação de filme de (0,1mm) polietileno Propriedades físico-químicas da água: Retração em concreto- Procedimentos de Cura: Química e Propriedades físico-químicas da água Prof. José de A. Freitas Jr. | TC 030 Materiais I Aplicação de agente de cura sobre concreto fresco. Retração em concreto- Procedimentos de Cura: Propriedades físico-químicas da água: Química e Propriedades físico-químicas da água Prof. José de A. Freitas Jr. | TC 030 Materiais I Propriedades físico-químicas da água: EFEITOS DA CURA NA RESISTÊNCIA DO CONCRETO (adaptação de Mehta/ Monteiro, 1993) Química e Propriedades físico-químicas da água Prof. José de A. Freitas Jr. | TC 030 Materiais I Piso de concreto com cura por aplicação de filme de polietileno sobre a superfície molhada Arquivo: Filmes concreto / Cura / Water Curing Química e Propriedades físico-químicas da água Prof. José de A. Freitas Jr. | TC 030 Materiais I Piso de concreto com aplicação cura “química” Arquivo: Filmes concreto / Cura / Chemical Curing Química e Propriedades físico-químicas da água Prof. José de A. Freitas Jr. | TC 030 Materiais I Pressão de vapor: “Umidade do ar” é a medida da quantidade de vapor de água contida numa dada porção de atmosfera. Pressão de vapor é a pressão exercida por um vapor quando este está em equilíbrio com o líquido que lhe deu origem. (depende da temperatura) Líquido, evapora até atingir a pressão de vapor para a temperatura, ficando em estado de equilíbrio. Entra em ebulição quando sua pressão de vapor iguala-se à pressão atmosférica. A pressão de vapor pode atuar de forma importante no âmbito das edificações. Argamassas de cimento e concreto são materiais que contém muita água. Propriedades físico-químicas da água: Química e Propriedades físico-químicas da água Prof. José de A. Freitas Jr. | TC 030 Materiais I Pressão de vapor - até 1,5 MPa (J. Pinto e E. Takagi – MCBAUCHEMIE) Propriedades físico-químicas da água: Química e Propriedades físico-químicas da água Prof. José de A. Freitas Jr. | TC 030 Materiais I 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 se transformam em vapor. Aplicações na engenharia – Pressão de vapor: Bolhas em pinturas Propriedades físico-químicas da água: Química e Propriedades físico-químicas da água Prof. José de A. Freitas Jr. | TC 030 Materiais I Bolhas em pinturas sobre alvenarias ou concreto: Aplicações na engenharia – Pressão de vapor: Bolhas em pinturas Propriedades físico-químicas da água: Química e Propriedades físico-químicas da água Prof. José de A. Freitas Jr. | TC 030 Materiais I Lascamento de concreto devido ao calor: Incêndios levam a bruscas elevações da temperatura. A água nos poros do concreto forma do vapor, que cria tensões internas elevadas dentro das argamassas e do concreto. A pressão de vapor dentro destes materiais leva ao “spalling” ou lascamento. Aplicações na engenharia – Pressão de vapor: Seqüência de incêndio em túnel. (Juçara Tanesi e Andréia Nince – TECHNE set./2002) Propriedades físico-químicas da água: Química e Propriedades físico-químicas da água Prof. José de A. Freitas Jr. | TC 030 Materiais I Lascamento de concreto devido ao calor: Aplicações na engenharia – Pressão de vapor: Eurotúnel após incêndio Lascamento (C. N. C.osta, A. D. Figueiredo e V. P. Silva; de ULM, 2000) Propriedades físico-químicas da água: Química e Propriedades físico-químicas da água Prof. José de A. Freitas Jr. | TC 030 Materiais I Lascamento de concreto devido ao calor: Aplicações na engenharia – Pressão de vapor: Eurotúnel após incêndio Propriedades físico-químicas da água: Química e Propriedades físico-químicas da água Prof. José de A. Freitas Jr. | TC 030 Materiais I (Granato- BASF) Propriedades físico-químicas da água: Aplicações na engenharia – Pressão de vapor: Lascamento de concreto devido ao calor: Viaduto em SP, 1998 Química e Propriedades físico-químicas da água Prof. José de A. Freitas Jr. | TC 030 Materiais I Lascamento de concreto devido ao calor: Viaduto em SP, 1998 Aplicações na engenharia – Pressão de vapor: (Granato- BASF) Propriedades físico-químicas da água: Química e Propriedades físico-químicas da água Prof. José de A. Freitas Jr. | TC 030 Materiais I Ação do fogo em grandes estruturas Arquivo: Filmes concreto / Durabilidade / Incêndio em estruturas Química e Propriedades físico-químicas da água Prof. José de A. Freitas Jr. | TC 030 Materiais I Em quanto a bomba de concreto não vem.... Arquivo: Filmes concreto / Filmes engraçados / cementing_in_africa Química e Propriedades físico-químicas da água Prof. José de A. Freitas Jr. | TC 030 Materiais I (TC-030) Materiais I – Propriedades físico-químicas da água 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.