TC030 Quimica x

7/24/2019 TC030 Quimica x

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Prof. Jos de A. Freitas Jr. / Materiais IQumica e propriedades da gua

Ministrio da EducaoUniversidade Federal do Paran

Setor de TecnologiaDepartamento de Construo Civil

Prof. Jos de Almendra Freitas Jr.

[email protected]

MATERIAIS I - Qumica Aplicada(TC-030)

Estrutura Atmica da Matria,Ligaes Qumicas e

Propriedades Fsico-Qumicas da gua

Verso 2013Verso 2013


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Substncias e misturas

Substncias:

Compostas apenas de um tipo de molculas ou tomos.Substncia simples constituda por um nico tipo deconstituinte.

Exemplos: Metal ferro - Fe2Gs oxignio - O2.

Substncia composta constituda por mais de um tipo deconstituinte.Exemplos:

gua pura - H2O

Sal comum - NaCl


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Substncias e misturasMisturas:

Duas ou mais substncias misturadas.Algumas podem ser identificadas visualmente.

Exemplo: Granito - gros de quartzo branco, mica preta e feldspato rosa

e outros minrios.

Outras misturas requerem outros mtodos de verificao.

Exemplos:Leite a olho nu s se v um lquido branco.Com microscpio observa-se partculas brancas e constata que umamistura.

gua salgada No se v de forma alguma o sal (ons) dissolvido. necessrio evaporar a gua para observar o sal.


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Estados da matria:

A matria pode existir em trs estados:

Slido:Mantm volume e forma.

Lquido:Mantm volume, adquire a forma do recipiente.

Gs:No mantm volume nem forma, varia com o

recipiente.


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Gases e lquidos tm a capacidade de fluir, so

chamados de fludos.

Slidos molculas muito prximas, mantm posio poratrao e coeso.

Um lquido pode ser obtido a partir de um slido, peladiminuio das foras de atrao ou de coeso.

Um gs obtido pela supresso das foras atrao ou decoeso.

Estados da matria:


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Estados da matria:Disposio das molculas nos Slidos

Estado cristalino:Disposio das molculas em formas geomtricas e

regulares.

As propriedades fsicas de um corpo cristalino soanisotrpicas, variam segundo a direo.

Estado amorfo:Disposio irregular das molculas.As propriedades fsicas de um corpo amorfo so iguais

em todas as direes.


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Misturas homogneas e heterogneas:

Mistura homognea - apresenta apenas uma fase = SOLUO

Exemplos: gua salgada, gasolina, ar, etc.Apresenta-se em qualquer dos trs estados, slida, lquida ou gasosa.

Os componentes de uma soluo podem ser separados por processos

fsicos, sem o uso de reaes qumicas.

MISTURA HOMOGNEAou SOLUO

1 fase

MISTURAS HETEROGNEAS 2 ou mais fases


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Misturas homogneas e heterogneas:Distino entre soluo e substncia pura, pela medida da

temperatura nas mudanas de estado.

Substncia pura = gua = ferve a temperatura constante.

Pto. de ebulio de soluo varia c/ concentrao dos

componentes:Exemplo: gua salgada, quanto maior for a % de sal

dissolvido, maior ser o ponto de ebulio.

Mistura de lquidos apresenta diferentes temperaturas deebulio, uma p/ cada lquido. Pode-se separa-los pela

destilao.

Exemplo: Petrleo.


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Solues e misturas:

MISTURA 2 fases

MISTURA 3 fases

MISTURA 4 fases

SOLUO 1 fase

Pode ser umasubstncia ouuma misturahomognea


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Dos tomos a matria:

tomos

Molculas

Substncias

MisturaSoluo

MatriaGsLquidoSlido


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As transformaes da matria:

Podem ser fsicas ou qumicas.

Transformaes fsicas no alteram a identidadedas substncias.

Exemplos: Chumbo fundido (derretido) continua sendo

chumbo.

gua gelada, gelo, continua sendo gua, agorano estado slido.

Um pedao de alumnio pode ser retorcido e

continua sendo alumnio.


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Transformaes qumicas:

Mais significativas do que as transformaes fsicas.

Substncias so destrudas e novas so formadas.

Exemplo de transformao ou reao qumica:

Ferro ao exposto gua:

Ferro reage com o oxignio e a gua aparecendo aferrugem.

A ferrugem uma substncia nova = o xido de ferro.Reagentes = substncias iniciais. (ferro, oxignio e gua)

Produtos = novas substncias formadas. (xido de ferro)

As transformaes da matria:


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Primeira lei de Lavoisier,

em 1774Lei da conservao da massa:

A soma das massas dos produtos igual a soma das

massas dos reagentes.

No h destruio, nem criao de matria, apenastransformao.

Exemplo:Queima de papel - decompe em gases e cinzas.

Massa do papel = massa das cinzas + massas dos gases

Leis das transformaes qumicas:

Antoine Laurent LavoisierFrana 1743-1794


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Leis das transformaes qumicas:

Segunda lei:Lei das propores definidas:

Mais importante propriedade de um composto, sua

composio fixa em massa.

Exemplo:Cloreto de sdio- 39,44% da massa total sdio e 60,66%

cloro.

gua- 11,19% de hidrognio e 88,91% de oxignio.


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Energia:Termo bastante usado e de difcil definio.

Energia a habilidade ou capacidade de produzirtrabalho (transformao).Formas: mecnica, eltrica, calor, nuclear, qumica e

radiante.Trabalho mecnico realizado quando um objeto movimentado contra uma fora de oposio.

Exemplo:Ao levantarmos um objeto, realizamos trabalho sobre oobjeto, porque o deslocamos contra a fora de oposio

da gravidade.


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Energia mecnica: a energia de um corpo devido a seu movimento ou posio.

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

Ek = mv2

Energia potencial: (Ep)Depende da posio do corpo, e no do seu movimento.Corpo ganha Ep quando levantado contra a fora da gravidade.

A Ep depende da distncia (d) movida pelo corpo e da fora de oposio

(F) ao seu movimento.Ep = F. d

Energia pode ser transformada de uma forma para outra forma, no pode

ser destruda e nem criada.


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Calor e temperatura:Calor - energia transferida de um corpo mais quente p/ um mais frio.

Temperatura - medida da energia cintica mdia das partculas deum corpo.

Quando o calor transferido p/ um corpo: a energia cintica mdia desuas partculas aumenta.

(temperatura aumenta = movimentos mais rpidos das partculas)

Algumas vezes a transferncia de calor para um corpo no aumenta asua temperatura, causa mudana de estado da matria do corpo.

Exemplo:Adio de calor ao gelo a 0C, no causa aumento de temperatura.

O gelo forma gua lquida a 0C.

A energia na gua lquida maior do que a do gelo, a 0C.


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tomo:Menor elemento das molculas.

Partculas submicroscpicas de que toda a matria

composta.92 elementos naturais + elementos artificiais (criados pela

fsica nuclear)

Dois grandes grupos: metais e metalides.

O tomo formado por:

Ncleo - positivo.Eltrons - satlites negativos.

Distribudos camadas K, L, M, N, O, P, Q - em volta do

ncleo, definindo nveis decrescentes de energia.


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tomo:O ncleo contm prtons.

Todos os ncleos mais pesados que o hidrognio

possuem nutrons.Prtons e nutrons constituem a maior parte da massa do

tomo.

Prtons e nutrons so partculas de mesma massa.Prton possui carga positiva e o nutron eletricamenteneutro.

O nmero de cargas eltricas positivas no ncleo tem seucorrespondente nmero de cargas eltricas negativas,(eltrons).

Eltron mais leve, tem cerca de 1/1.836 da massa do

prton.


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Os tomos:O hidrognio (H) o mais simples dos elementos.Ncleo de 1 prton e 1 eltron.

Segundo elemento o hlio (He), 2 prtons e 2 eltrons.

O nmero de cargas positivas no ncleo de um tomo sempre igualao nmero de eltrons circundantes = nmero atmico do elemento.


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tomo:1913- Niels Bohr - (Prmio Nobel de Fsica de 1922)

Ncleo rodeado por eltrons em rbitas, semelhante aos

planetas em redor do Sol.

Niels Henrick David BohrDinamarca 1885 -1962

Theodore Lyman

EUA, 1874 - 1954


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tomo:O ncleo composto por: prtons positivos e nutrons.

Estas ltimos equilibram as foras de repulso dos prtons.

Constantes do ncleo:

Nmero de prtons Z

Determina o nmero atmico, 1 (hidrognio) a 92 (urnio),Indica igualmente a carga e o nmero de eltrons.

Nmero de massa AIndica a soma de partculas prtons + nutrons = massaatmica.

Cada elemento tem um nmero atmico especfico.


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tomo:Simbolizadas da seguinte maneira:

Ncleo de urnio composto de 238 partculas92 prtons e (238 - 92) = 146 nutrons.

Nmero de prtons ZZ

Nmero de massa AA


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Elementos qumicos:No-metais

Hidrognio (H), Carbono (C), Nitrognio ou azoto (N), Oxignio (O),

Flor (F), Fsforo (P), Enxofre (S), Cloro (Cl), Selnio (Se), Bromo (Br),Iodo (I) e Antimnio (At)

Gases nobresHlio (He), Nenio (Ne), Argnio (A), Criptnio (Kr), Xennio (Xe) e

Radnio (Rn)

Metais alcalinos - Grupo 1 (I A)Ltio (Li), Sdio (Na), Potssio (K), Rubdio (Rb), Csio (Cs) e Frncio (Fr)

Metais alcalino-terrosos - Grupo 2 (II A)Berlio (Be), Magnsio (Mg), Clcio (Ca), Estrncio (Sr), Brio (Ba) e

Rdio (Ra)


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Elementos de transioTitnio (Ti), Vandio (V), Cromo (Cr), Mangans (Mn), Ferro (Fe),

Cobalto (Co), Nquel (Ni) e Cobre (Cu)Zircnio (Zr), Nibio (Nb), Molibdnio (Mo), Tecncio (Tc), Rutnio (Ru),

Rdio (Rh), Paldio (Pd) e Prata (Ag)Hfnio (Hf), Tntalo (Ta), Tungstnio (W), Rnio (Re), smio (Os), Irdio

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

Metais representativosAlumnio (Al), Glio (Ga), ndio (In), Estanho (Sn), Titnio (Ti),

Chumbo (Pb) e Bismuto (Bi)Metalides

Boro (B), Silcio (Si), Germnio (Ge), Arsnico (As), Antimnio (Sb),

Telrio (Te) e Polnio (Po)

Elementos qumicos:


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As molculas:

Na maioria das substncias, os tomos so

agrupados em agregados de dois tomos ou mais.Tal agregado de tomos chamado de molcula.

Em uma molcula, os tomos componentespermanecem unidos por foras chamadas ligaesqumicas.

Molcula = composto de partculas de dois oumais tomos quimicamente ligados um ao outro.


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tomos com a camada perifrica completa somuito estveis: gases raros ou inertes.

Estabilidade permanente - tomo com 8 eltrons

na ltima camada (2 no caso do hlio).Este tipo de elementos qumicos raramente se

liga a outros tipos de tomos.

A maioria dos elementos qumicos no estvelquando est sozinho, tendendo a formar compostos.

As ligaes atmicas:


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As ligaes atmicas:

A maioria das substncias composta pordiversos elementos qumicos diferentes, formando

compostos estveis.

As propriedades qumicas dos tomos so funoda ltima camada de eltrons.

O tipo de ligao qumica entre os elementos determinado pelos eltrons do nvel de valncia,que definem a afinidade qumica dos elementos.


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As ligaes atmicas:Metais so elementos eletropositivos.

Liberam facilmente os eltrons da camadaperifrica.

Metalides so eletronegativos.

Tm tendncia a completar a sua ltima camadaperifrica.

O nmero de eltrons cedido pelos metais igual aonmero absorvido pelos metalides, define o nmerode ligaes ou valncias.

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


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As ligaes entre tomos (atmicas):

As ligaes entre os tomos, podem ocorrer por:

Abandono de eltrons, de um tomo embenefcio de outro. (metal para metalide).

Utilizao em comum de eltrons perifricospara completar a ltima camada (metalide para

metalide); ligao por covalncia, estvel efreqente nos materiais plsticos.


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A coeso (ou ligao) entre as molculas:As molculas atraem entre si pelas foras de coesopolares.

Devido distribuio desigual das cargas positivas enegativas na molcula.

As foras de coeso determinam as propriedadesfsicas e qumicas dos materiais.

So influenciadas pela temperatura, presso, campos

eltricos ou magnticos, esforos mecnicos, etc.O estado fsico que os materiais se apresentam,

conseqncia das foras de atrao entre os tomos e

as molculas que os constituem.


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As ligaes atmicas:Ligaes primrias (fortes):

Ligao inica; Ligao covalente;

Ligao metlica.

Ligaes secundrias foras de van der Walls:

Molculas polares; Dipolos induzidos;

Pontes de hidrognio.


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Ligao inica:

a mais simples.

Foras Coulombianas(recebendo e doando eltrons).

A atrao d-se em todas as direes.

Atrao entre ons de carga eltrica contrria (ons

positivos- ctions e ons negativos-nions).Composto inico - substncia composta cujos

componentes apresentam cargas eltricas.


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Ligao inica: Exemplo:Na+ e o Cl- formam o NaCl, cloreto de sdio (sal

de cozinha), slido cristalino.

Um on Na+ envolvido por vrios ons Cl- eassim inversamente.

Na

Cl


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Ligao covalente:Ocorre por uma aproximao muito intensa entredois elementos qumicos.

Alguns eltrons da ltima camada de valncia de umdos tomos circundam o ncleo do outro tomo evice-versa.

Os elementos no perdem nem ganham eltrons,mas sim os compartilham.

Molcula de oxignio O2


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P f J d A F it J / M t i i IQ


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Diamante:

O carbono tem 4 eltrons na camada de valncia, compartilhado-oscom 4 tomos de carbono adjacentes, formando um reticulado

tridimensional todo ligado por pares covalentes.Desta forma, cada tomo de carbono est ligado covalentemente aoutros quatro tomos de carbono, originando uma estrutura rgida a

trs dimenses.

Diamante

Somentetomos decarbono

Estrutura 3D

Ligao covalente:

P f J d A F it J / M t i i IQ i i d d d


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Grafite

Ligao covalente:

Somente tomos de carbonoEstruturas 2D

Grafite

O grafite como o diamante so constitudos por estruturascristalinas de tomos de carbono, apenas diferindo no formato

de estrutura que se apresentam.No grafite os tomos de carbono ligam-se a outros trs,formando camadas (da a potencialidade deste material para

deslizar).

Prof Jos de A Freitas Jr / Materiais IQumica e propriedades da gua


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Ligao metlica:tomos com poucos eltrons de valncia podem

perde-los com facilidade.

Os demais so firmemente ligados ao ncleo.

Com a perda dos eltrons da ltima camada de

valncia, os tomos metlicos remanescentestornam-se ons positivos.

Com a sada dos eltrons da ltima camada, hum desbalanceamento eltrico, tendo o ncleo

uma maior quantidade de cargas positivas do quea eletrosfera de negativas.



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ons positivos e eltrons livres (que fazem o papelde ons negativos) formam foras eltricas

coulombianas de atrao.A ligao metlica pode ser considerada como uma

atrao entre ons positivos e eltrons livres.

Ligao metlica:

Exemplo : cobre



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Os eltrons livres do aos metais sua elevadacondutibilidade eltrica e trmica.

Nuvem de eltrons absorve a energia luminosa, tornaos metais opacos.

Metal: uma substncia simples, cujos constituintesso os prprios componentes e interagem entre si no-direcionalmente.

Composto metlico: Substncia composta, cujoscomponentes no apresentam carga eltrica e

interagem entre si no-direcionalmente.

Ligao metlica:



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Foras de van der Waals:

Ligao secundria fraca (entre molculas), mas que tambmcontribui para a atrao interatmica.

Molculas assimtricas originam dipolos eltricos.

O centro de carga positiva no coincide com o centro decarga negativa, originando o dipolo.

So foras de atrao que no envolvem cargas individuaisou transferncia de eltrons.

Existem entre todos os ons e tomos de um slido, maspodem estar obscurecidas pelas ligaes fortes presentes.

Johannes Diederik van der

Waals, Holanda1837-1923



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/Qumica e propriedades da gua

(a) nas molculas assimtricas ocorre um desbalanceamento eltricodenominado polarizao.

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

(c) Os dipolos resultantes originam foras de atrao secundriasentre as molculas. A extremidade positiva de um dipolo atrada pela

negativa de outro.




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Qu ca e p op edades da gua

Pontes de hidrognio:

Caso particular de atrao por molculas polares, em que a

carga positiva do ncleo do tomo de hidrognio de umamolcula atrada pelos eltrons de valncia de tomos de

molculas adjacentes.

Exemplo: gua (molcula polar)




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p p g

Foras de van der Waals: Pontes de hidrognio

C-S-H = 3CaO.2SiO2.3H2O

Estruturas C-S-H formam lamelas muito prximas 5 a 25

(1 = 10-10m) unidas atravs de pontes de hidrognio (H2O).

Pasta de cimento hidratado Estruturas C-S-H



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p p g

Os arranjos das estruturas moleculares, que formam amicroestrutura da matria so diferentes a cada fase

ou estado.

SSlidoslidos = as molculas esto muito prximas,

mantm-se no lugar pelas foras de atrao e coeso.

Pode-se obter um llquidoquido a partir de um slido, pela

diminuio das foras de atrao ou de coeso.Um ggss obtido pela supresso da quase totalidade

das foras de atrao ou de coeso.

Microestrutura da matria - Arranjos atmicos:



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Microestrutura da matria - Arranjos atmicos:

Nos slidos a disposio geomtrica regular dasmolculas no conjunto da massa caracteriza o estado

cristalino.

Disposio irregular das molculas caracteriza o estado

amorfo.

Um corpo cristalizado anisotrpico, isto , as suas

propriedades variam segundo a direo em que somedidas.

Os metais possuem estrutura cristalina.



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Estrutura cristalina:

Molculas formam regularidade estrutural:Ligaes determinam um nmero de vizinhos para cada

tomo e a orientao no espao dos mesmos.Maioria dos materiais de interesse construo civil temarranjos atmicos com repeties nas trs direes.

Tais estruturas so denominadas cristais.

As superfcies planas dos cristais de pedras preciosas equartzo so manifestaes dos arranjos cristalinos.

Exemplos:

Sal de cozinha forma cubos devido a estrutura cristalina doNaCl.

MgO e Ferro (ao) tem estrutura cristalina cbica.

Ca(OH)2 forma prismas hexagonais.



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Cristais de ferro na formacristalina CCC

Cristais de ferro na formacristalina CFC

Velocidade de resfriamento, porcentagens de carbono e outrosfatores afetam a microestructura do ao e sua ductilidade.

Fe

Fe

Fe

Fe



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Sal de cozinha, esferasverdes so os tomos de

cloro (Cl-) e as esferas cinzasos tomos de sdio (Na+)

Cristais de produtos decimento Portland hidratado



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Micrografias de MEV mostrando as estruturashexagonais dos cristais de Ca(OH)

2222(ou estruturas C-H)




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Micrografia eletrnica

(MEV) de cimentoPortland hidratadomostrando os cristais deetringita e monossulfato

hidratado.

(Mehta e Monteiro, 1994)



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Estrutura cristalina:Todos os cristais tm reticulado cristalino, que obedece a uma das

14 formas geomtricas possveis. (reticulados de Bravais)

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

A visualizao e a identificao do reticulado cristalino possvelatravs de microscopia eletrnica.

MEV Microscpio Eletrnico de Varredura


C (OH)


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(Wikipedia)

Ca(OH)2222

Estruturacristalina:



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Os metais so compostos por aglomerados de cristais,formando uma estrutura granular perfeitamente visvel.

Metalografias mostrando os gros de cristais de um ao

mangans (esquerda) e liga zinco-nquel (direita).




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Cristais de zinco

oxidado so visveisna superfcie de umposte de aogalvanizado.

Variaes nastonalidades de cinzaso decorrentes das

diferentesorientaes dos

cristais.


Freitas Jr., J.)Freitas Jr., J.)



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Slidos amorfos - estrutura amorfa (ou vtrea):

No apresentam ordem estrutural em um estado normal.

Alguns materiais mudam de estrutura cristalina paraamorfa e vice-versa, de acordo com a temperatura.

Usa-se este fenmeno no CD regravvel.

O arranjo cristalino a forma de organizao da matriade mnima energia.

Estado cristalino o mais estvel p/ qual todo processo de

transformao tende.Substncias comuns so slidos amorfos:

vidro, poliestireno e ... algodo-doce.



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Nos materiais amorfos, na solidificao, reduz-se acapacidade de mobilidade das molculas, antes

que elas se arranjem em posies mais cristalinas.

A no ser que o material tenha alta resistncia

fuso (como cermicos) ou baixa energia decristalizao (como os polmeros), a preparao de

um slido amorfo deve ser extremamente rpida.Materiais amorfos podem existir em estados

"borrachosos" e estados "vtreos".




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Vidro comum Policarbonato




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Basalto

Slica ativa ou microsslica(aditivo p/ obter Concreto de

Alto Desempenho - CAD)


Fotografia por Microscopia Eletrnicade Transmisso, mostrando partculas

individuais de slica de fumo.

(Fidjestol e Lewis, 1998)


P i d d f i i d


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Propriedades fsico-qumicas da gua:

gua Conceitos gerais: o estado lquido do composto hidrognio e oxignio: H2O.

1804, Gay-Lussac e A. Von Humboldt:



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Grandeza fsica que define a variao trmica de uma

substncia ao receber determinada quantidade de calor.O ccda gua muito alto, fazendo com que a gua atue deforma importante no equilbrio da temperatura dos sistemas,impedindo mudanas bruscas de temperatura.

A unidade do ccno SI J/kg.K (Joule por quilograma Kelvin).Uma outra unidade mais usual para cc cal/g.C

Calor especfico = cCapacidade trmica de um corpo = C

Massa do corpo = m


Calor especfico: cc

Cc =

m


Propriedades fsico qumicas da gua:


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possvel determinar o ccde uma substncia a partir da

quantidade de calor cedida a um corpo dessasubstncia, da variao trmica que ele sofre, e damassa desse corpo.

O ccda gua o nmero de calorias necessrias paraelevar a temperatura de 1 grama de gua de 14,5Cpara (15,5C) o valor mais alto entre os solventes

comuns.Quanto maior o cc de uma substncia, menores

variaes de temperatura ela experimenta.

gua atua como importante fator de termorregulao.


Calor especfico: cc


Capacidade trmica Aplicaes na engenharia:


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130Sem exigncia

Zonas 1,2, 3, 4, 5, 6 e 7Zona 8

Capacidade trmica (CT)kJ / m2.K

Capacidade trmica de paredes externas

Capacidade trmica - Aplicaes na engenharia:

NBR 15.575-2013Desempenho de edificaes - Vedaes verticais

NBR 15.220 Zonas bioclimticas

Exigncias da Norma quanto acapacidade trmica das vedaespara garantir o isolamento trmico

adequado das edificaes




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Para determinar padres mnimos de desempenho deisolamento trmico de vedaes verticais, a NBR

15.575/2013 Desempenho de edificaes, exige limites deTransmitncia e Capacidade trmica.

Capacidade trmica

130Sem exigncia

Zonas 1,2, 3, 4, 5, 6 e 7Zona 8

Capacidade trmica (CT)kJ / m2.K

a absortncia radiao solar da superfcieexterna da parede.

U 2,5U 3,7

a > 0,6 a 0,6U 2,5

Zonas 3, 4, 5, 6, 7 e 8Zonas 1 e 2Transmitncia Trmica U W/m

2

.K

Paran: Curitiba Z1, interior Z2, Litoral Z3

CT = (ei) . Ci . iOnde:e: espessura da camadac: calor especfico do material da camada

: densidade de massa aparente do materialda camada

U = 1/ RT (W/m.K)

R = e / (W/m.K)

Onde:e: espessura da camada: condutividade trmica

do material da camada




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Blocos cermicos de 6furos: Espessura 14 cm,

revestimento em argamassa U = 2,02 W/(m2.K) Ct= 192 kJ/(m2.K)

Blocos cermicos de 8

furos: Espessura 19 cm,revestimento em argamassa U = 1,80 W/(m2.K) Ct= 231 kJ/(m2.K)

Ensaios de laboratrio (IPT) de diferentes sistemas de

vedaes

Tijolo macio: Espessura10 cm, revestimento emargamassa U = 3,13 W/(m2.K) Ct= 255 kJ/(m2.K)

Tijolo macio: Espessura

20 cm, revestimento emargamassa U = 2,25 W/(m2.K) Ct= 445 kJ/(m2.K)


Capacidade trmica




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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 concretomacio: Espessura 10 cm, U = 4,40 W/(m2.K) Ct= 240 kJ/(m2.K)

Capacidade trmica

Ensaios de laboratrio (IPT) de diferentes sistemas devedaes



Calor especfico - Aplicaes na engenharia:


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Calor especfico Aplicaes na engenharia:

Ps-resfriamento de grandes massas de concreto:

A hidratao do cimento Portland exotrmica.

Grandes massas de concreto, como barragens geramenormes quantidades de calor.

A concentrao elenta dispersodeste calor lenta e complexa,

levando aformao degradientes de

temperaturas.




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Perodo de bombeamento de gua resfriada


Calor de hidratao do cimento Portland




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Calor especfico - Aplicaes na engenharia:Ps-resfriamento de grandes massas de concreto:

Modelo termo-qumico-mecnico da

fase construtiva debarragem de usina

hidreltrica.

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




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Macios de concreto com gradientes de temperaturas levam

ao surgimento de tenses internas, que podem fissurarseriamente a estrutura.

Para reduzir as temperaturas dentro do concreto, comum

a aplicao de processos de pr e ps-resfriamento.Ps-resfriamento - utiliza-se do alto calor especfico da

gua, por meio de tubulaes metlicas instaladas

preliminarmente dentro das estruturas, bombeia-se guaresfriada.

A grande capacidade trmica da gua retira o calor de

dentro do concreto.




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Instalaes pararesfriamento ebombeamento da

gua

Tubulao paracirculao degua gelada

Esquema detubulaes paracirculao de gua


(Jos Marques Filho)

(Jos Marques Filho)




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Pr-resfriamento Para minimizar o aumento de temp. doconcreto, usa-se resfriar os materiais dos quais ele produzido, imediatamente antes da mistura.

Refrigera-se a gua a temperaturas abaixo de 5oC.Pode-se refrigerar os agregados e o concreto com nitrogniolquido. As rochas tem menor ccdo que a gua.

Estas operaes tambm geram um retardo nas reaes dehidratao do cimento.

Pr-resfriamento doconcreto comnitrognio lquido




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Calor especfico Aplicaes na engenharia:Pr-resfriamento de grandes massas de concreto:

Central de produo de concreto de Itaip

(F. Andriolo e T.M. Skwarczynski, 1988)




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p p g

Central de energia nuclear:

Centrais nucleares so usinas trmicas que retiram o calor da

fisso de istopos radioativos, em geral urnio 235.Na maioria das centrais o calor da reao absorvido pormeio da gua, tirando partido das suas propriedades do calorespecfico e capacidade trmica. Angra I e II, como a maioria

das centrais usa reatores de gua pressurizada (PWR).Neste tipo de reator o combustvel nuclear fica dentro de umvaso de presso, atravs do qual gua pressurizada (circuito

primrio) circula absorvendo o calor da fisso nuclear.A gua pressurizada para que o circuito possa funcionar a

temperaturas bem superiores a 100oC sem que a guavaporize.




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Central de energia nuclear:

A gua aquecida do circuito primrio transfere calor para

outro circuito, tambm de gua pressurizada, o circuitosecundrio, que movimenta turbinas a vapor.

O projeto funciona com dois circuitos por motivos desegurana contra falhas e contaminaes.

A gua o lquido escolhido devido ao seu alto calorespecfico, sua massa (capacidade trmica) e facilidades de

obteno e manuseio.

Em alguns reatores especiais, para de torna-los maiscompactos, usa-se metais lquidos (sdio ou chumbo), que

por possurem massa bem maior, possuem maior capacidade

trmica.




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CNEN




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Central deenergianuclear:

CNEN




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Reatores com metais lquidos no circuito primrio:

USS Seawolf- Liga sdio-potssio

altssima reatividade com a gua

URSS Alfa- Liga Chumbo/bismuto

solidifica a 300oC

Reatores de uso militar, para serem mais compactos,

experimentaram metais lquidos para evitar a necessidadede redes pressurizadas.Embora os reatores PWR sejam mais pesados e

necessitem de circuito altamente pressurizados, provaram

ser mais fceis de operar e seguros.

(Norman Polmar) (Norman Polmar)




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Poder de dissoluo:Solventes so substncias capazes de dissolver coisas.

Dissoluo de gua e sal de cozinha, a gua o solventeporque dispersa no seu interior o sal.

A gua tem poder de dissoluo muito grande.

A gua designada solvente universal - dissolve a maioriadas substncias.

Propriedade importante, pois muitas reaes qumicas,

como a hidratao do cimento Portland, ocorrem emsoluo.

A gua importante meio de transporte de substnciasdentro e fora dos materiais slidos.


Poder de dissoluo - Aplicaes na engenharia:


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Deteriorao do concreto por ataque de sulfatos:

A gua solubiliza agentes agressivos ao concreto como cidos, sulfatos eoutros.

Com estes agentes dissolvidos, penetra nos poros do concreto.Agentes agressivos reagem com o hidrxido de clcio da pasta decimento endurecida, gerando uma reao expansiva.

Reao com sulfato de clcio:

4CaO.Al2O3.19H2O+3(CaSO4.2H2O)+16 H2O 3CaO.Al2O3.3CaSO4.32H2O+Ca(OH)2

aluminato gesso etringita

Reao com sulfato de sdio:Ca(OH)2 + Na2SO4.10H2O CaSO4.H2O + 2NaOH + 8H2O

gesso




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Deteriorao do concreto por ataque de sulfatos:

Estrutura de concreto atacada por sulfatos

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




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Deteriorao do concreto dissoluo por gua pura:

Barragem do Vossoroca:

Barragem de gravidade com altura 21 m por 152 m de comprimento,

encontrando-se com aproximadamente 40 anos de idade na poca.

(Jos

MarquesFilho-

COPEL)

Acmulo de material percolado nasjuntas de concretagem.

Detalhe de porosidade e junta deconcretagem.




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Barragem do Vossoroca - Ensaios de verificao :

Extrados testemunhos verticais, (dimetro 5 cm) queapresentaram grande decomposio do concreto nas

regies das juntas frias de concretagem, mais na regiode jusante.

As amostras esfarelavam nas regies das juntas.

O concreto apresentava at 18 % de perda de massa.A barragem encontrava-se saturada de gua.




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Barragem do Vossoroca - Ensaios de verificao :

(Jos A. Freitas Jr.)(Jos A. Freitas Jr.)




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Barragem do Vossoroca:

Reparos executados :

Esvaziado o reservatrio, deixado 5m de gua, p/ facilitar aimpermeabilizao do bordo de montante.

Furos a cada 4m e injetado pasta de cimento com slica-ativa

(minimiza a permeabilidade e retrao).Alguns furos foi mais de 30m3 de calda.

Retorno com perfuraes a cada 2m. Regies mais afetadas

com furos a cada metro.Bordo de montante impermeabilizado aps limpeza.Impermeabilizao acima da linha da gua c/ argamassa decimento+slica-ativa, embaixo dgua c/ argamassa epxi.




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Barragem do Vossoroca:Reparos executados :

(Jos A. Freitas Jr.)



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Meio de transporte:

Transporta substncias dentro ou fora dos materiais slidos, levandoagentes agressivos para dentro dos materiais slidos e arrastando os

resduos para fora.Aplicaes na engenharia

Carbonatao da superfcie de estruturas de concreto:

gua da chuva penetra dentro do concreto por seus poros.

No interior a gua solubiliza o hidrxido de clcio Ca(OH)2, quecorresponde a 30 % da pasta de cimento hidratada.

Quando a umidade no ar se reduz, o Ca(OH)2 vem p/ superfciecarregado pela gua.

Em contato com o ar, o Ca(OH)2 reage com o gs carbnico CO2.Reao de carbonatao - concreto com a superfcie esbranquiada.



Propriedades fsico-qumicas da gua:Aplicaes na engenharia M i d


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Aplicaes na engenharia -Meio de transporteCarbonatao da superfcie de estruturas de concreto:

Ca(OH)2

+ CO2 CaCO

3+ H

2O (a gua atua como catalisador)

Ca(OH)2 = hidrxido de clcio (cal hidratada)CO2 = dixido de carbono (gs carbnico)CaCO3 = carbonato de clcio

A reao de carbonatao reduz o pH do concreto.Ca(OH)2 pH = 13,5 CaCO3 9,5

Armadura dentro de concreto com pH > 11,5 normalmente no sofrem

corroso. Exceo em contaminao por cloro Cl.Quando o pH do concreto armado cai p/ baixo de 11,5 pode iniciaro processo de corroso do ao.



A li h i M i d t t


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CaCO3

Determinao da frente carbonatada, atravs da fenolftaleina, que reage

quimicamente com o Ca(OH)2, marcando a rea com pH>11 com a corvermelho-carmim.

A camada na cor branca est carbonatada (CaCO3).

Ca(OH)2

Frente

carbonatadaFenolftaleina

Aplicaes na engenharia -Meio de transporte



Aplicaes na engenharia M i d t t


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Estdio do MorumbiCorroso das armaduras




Aplicaes na engenharia - Meio de transporte


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Eflorescncias:

Manchas esbranquiadas que surgem na superfcies dosrevestimentos.

Ocorre quando a presso de vapor do substrato emboo/reboco,hidratado for maior que a do vapor de gua na atmosfera.

A secagem do substrato d-se

pela eliminao de gua sob formade vapor, que arrasta materiaisalcalinos (da cal ou cimento)solveis do interior p/ superfcie

pintada, causando a mancha.

Edifcio da FAU - USP

(Granato-BASF)



Propriedades fsico-qumicas da gua:Aplicaes na engenharia Meio de transporte


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Eflorescncias:

Pinturas: Tinta aplicada sobre o reboco mido ou com infiltraes e/ou

vazamentos.

Eflorescnciasatravs de tinta

acrlica.

Manchas esbranquiadasque surgem na superfciedevido ao carreamento de

materiais, dissolvidos dosubstrato emboo/reboco, etrazidos pela gua para asuperfcie.



Propriedades fsico-qumicas da gua:Aplicaes na engenharia Meio de transporte


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Eflorescncias:

Eflorescncias atravs de tijoloscermicos


Pelas juntas de alvenarias deblocos de concreto.


Aplicaes na engenharia Meio de transporte



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Eflorescncias: Esquemas de sistemas para revestimento de paredes



T fi i l



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Tenso superficial:

A superfcie livre dos lquidos em equilbrio se comporta

como uma membrana tensa (esticada).Entre as molculas que constitui a matria (slidos e

lquidos) existem foras de interao de origem eltrica.

Tenso superficial surge graas presena destas forasatrativas em so explicadas pelo modelo cintico-

molecular.

Foras que adquirem valores considerveis quando adistncia entre as molculas cerca de 10-6cm, (lquidos

e principalmente nos slidos).

Prof. Jos de A. Freitas Jr. / Materiais IQumica e propriedades da guaUniversidade Federal do ParanSetor de Tecnologia

Tenso s perficialPropriedades fsico-qumicas da gua:


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Tenso superficial:

Molculas no interior do lquido:

Cada uma cercada e atrada por outras molculas.Se as foras que atuam nesta molcula forem somadasvetorialmente, obteremos uma fora resultante mdia

nula.Molculas na superfcie do lquido:

Existe uma fora resultante dirigida para o interior dolquido.

As molculas da superfcie so mantidas ligadas aorestante da massa, pelas foras de interao eltrica.


T fi i l



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Tenso superficial:

A tenso superficial apresenta algumas caractersticas: Tem o mesmo valor em todas as direes.

No depende da espessura e extenso da membrana. Varia c/ temperatura e com a natureza da superfcie de contato.

Diminui conforme aumenta a temperatura.


Tenso superficial:Propriedades fsico-qumicas da gua:


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Tenso superficial:gua tem grande tenso superficial.

Molculas com cargas aderem fortemente s molculas degua, o que permite a estabilidade coloidal das pastas deaglomerantes como a cal, gesso e cimento Portland.

P = (1 1

+R1 R2

)

A tenso superficial est relacionadacom a diferena de presso entre osdois lados de uma interface pelaequao de Laplace, em que R1 e R2

so os raios de curvatura da interface.


Aplicaes na engenharia -Tenso superficial:



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p g Tenso superficial:Aditivos p/ concreto que modificam a tenso superficial da gua:

Finalidade:

Aumentar a plasticidade por diminuir o atrito, afastando por repulsoeltrica os gros de cimento.

Efeito de aditivos superplastificantes (outra forma de tensoativo)



ADITIVOS TENSOATIVOS: SUPERPLASTIFICANTES SP


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(MehtaeMonteiro,

2006)

www.concretedecor.net

Concreto Auto-adensvel

Molcula com grupo polar aninicona cadeia de hidrocarbonetos.

Antes Depois

Gro deCimento

EnvolvidoPelo

aditivo



ADITIVOS TENSOATIVOS:SUPERPLASTIFICANTES SP



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ADITIVOS TENSOATIVOS:SUPERPLASTIFICANTES SP

Ao superplastificante Gleniun 51 MBT/BASF

Gleniun 51 Gro de

cimentohidratando


Concreto com SP

SUPERPLASTIFICANTES SP


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Concreto sem SP

Co c eto co S

100 g de SP ou 1% do

peso do cimento





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ADVA 170

GRACE

Burj Dubai

80 MPa

Possibilita a produo de concretosde alta resistncia (CAD/CAR)


Capilaridade:



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Capilaridade:Lquidos podem fluir, suas partculas se movem

independentemente, no tanto como as de um gs.Foras de coeso agem entre as partculas do lquido.

Entre estas e o material em que esto encostados existe umade fora de adeso.

O efeito das foras de adeso e coeso = capilaridade(conseqncia da tenso superficial).

Capilaridade: a propriedade dos fluidos de subir ou descer

em tubos muito finos.A capilaridade atua no sentido de puxar o lquido para cima. Aaltura alcanada depende da tenso superficial e do raio do

tubo capilar.


Capilaridade: Mercrio



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p

Foras coesivas maisfortes que as adesivas,as bordas da superfciecurvam-se para dentrogua subindo

em tubo capilar

gua

Foras adesivaslquido/vidro mais

fortes que as

foras coesivasdentro do lquido


Aplicaes na engenharia -Capilaridade:



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

As eflorescncias na parte inferior da parede causam adecomposio da pintura e do emboo.


Aplicaes na engenharia -Capilaridade:



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Uma tira de papelo alcatroado (feltro asfltico) sobre o baldrame,antes do erguimento das elevaes, veda a interface parede x

fundaes, impedindo que a umidade suba por capilaridade e osurgimento de patologias.


R



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Retrao em concretoQuando um concreto endurece e seca, a gua presente nos

poros sai para a atmosfera.Esta sada origina presses capilares, formando msulas

(tenso superficial) que puxam as paredes no sentido que

estas se aproximem.O concreto perde volume ou sofre retrao, fenmeno quepode originar fissuras.

Procedimentos de cura p/ minimizar retrao:Manter o concreto saturado com gua, nos primeiros dias, p/gua no sair enquanto no alcana boa resistncia

mecnica.



Retrao em concreto


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Retrao em concreto


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Fissuras por retrao



Retrao em concreto- Procedimentos de Cura:


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Sacos de aniagem encharcados





115/124

Aplicao de filme de (0,1mm) polietileno





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Aplicao de agente de cura sobre concreto fresco.



EFEITOS DA CURA NA RESISTNCIA DO CONCRETO


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(ad

aptaodeMeht

a/Monteiro,

1993

)


Presso de vapor:



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Umidade do ar a medida da quantidade de vapor de guacontida numa dada poro de atmosfera.

Presso de vapor a presso exercida por um vapor quandoeste est em equilbrio com o lquido que lhe deu origem.

(depende da temperatura)

Lquido, evapora at atingir a presso de vapor para atemperatura, ficando em estado de equilbrio. Entra em ebulioquando sua presso de vapor iguala-se presso atmosfrica.

A presso de vapor pode atuar de forma importante no mbitodas edificaes.

Argamassas de cimento e concreto so materiais que contmmuita gua.


Presso de vapor - at 1,5 MPa



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(J. Pinto e E. Takagi MCBAUCHEMIE)


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Lascamento de concreto devido ao calor:Aplicaes na engenharia Presso de vapor:



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Incndios levam a bruscas elevaes da temperatura.

A gua nos poros do concreto forma do vapor, que cria tensesinternas elevadas dentro das argamassas e do concreto.

A presso de vapor dentro destes materiais leva ao spalling oulascamento.

Seqncia de incndio em tnel.(Juara Tanesi e Andria Nince TECHNE set./2002)


Lascamento de concreto devido ao calor:

Aplicaes na engenharia Presso de vapor:



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Lascamento de concreto devido ao calor:

Eurotnel aps incndioLascamento(C. N. C.osta, A. D. Figueiredo e V. P. Silva; de ULM, 2000)


Lascamento de concreto devido ao calor:Aplicaes na engenharia Presso de vapor:

Viaduto em SP, 1998



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(Granato- BASF)


MATERIAIS I Propriedades fsico-qumicas da gua

(TC-030)


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Referncias bibliogrficas:

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

CNEN Comisso Nacional de Energia Nuclear

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

Apostila AOS do Prof. Paulo R. do Lago Helene USP- SP.

MATERIAIS DE CONSTRUO CIVIL e Princpios de Cincia eEngenharia de Materiais, Captulo 6 Estrutura Atmica e Molecular dos

Materiais, Oswaldo Cascudo, IBRACON, 2007.

TC030 Quimica x

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