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ENG. civil - Química Tecnológica dos Materiais – Apostila Aulas Práticas – 2013 Centro de Ciências Exatas, Ambientais e de Tecnologias FACULDADE DE ENGENHARIA CIVIL � Química Tecnológica dos Materiais Apostila de Aulas Práticas 1o Semestre / 2013� Índice Experimento Página 01 BICO DE BUNSEN E PROPRIEDADES FÍSICAS DAS SUBSTÂNCIAS 03 02 DIFERENÇAS ENTRE COMPOSTOS ORGÂNICOS E INORGÂNICOS E ESTEQUIOMETRIA DE UMA REAÇÃO 08 03 OCORRÊNCIA E VELOCIDADE DE REAÇÕES QUÍMICAS E SUA DIFERENCIAÇÃO DE FENÔMENOS FÍSICOS 11 04 INVESTIGANDO A PRODUÇÃO DO DIÓXIDO DE CARBONO E DA CHUVA ÁCIDA 14 05 TRATAMENTO DE ÁGUA 19 06 OBSERVANDO PADRÕES DE CAMPO MAGNÉTICO E AVALIANDO PROPRIEDADES MECÂNICAS DE METAIS 23 07 ESTUDO COMPARATIVO SOBRE A CORROSÃO DE AÇO CARBONO, ALUMÍNIO, COBRE E MAGNÉSIO 27 08 RETICULAÇÃO DE MACROMOLÉCULAS E PROPRIEDADES DE POLÍMEROS 29 09 TESTES EM TINTAS DE BASE AQUOSA 34 10 VIDROS: PROPRIEDADES FÍSICAS, ÓPTICAS E QUÍMICAS 38 11 CIMENTO E CONCRETO 42 -- ANEXO I – MODELO DE RELATÓRIO 45 -- ANEXO II – EQUIPAMENTOS BÁSICOS DE LABORATÓRIO 51 � EXPERIMENTO 01: BICO DE BUNSEN E PROPRIEDADES FÍSICAS DAS SUBSTÂNCIAS Objetivos específicos: apresentar as bases do método científico, trabalhar com o bico de Bunsen e comparar propriedades físicas de substâncias simples Tópicos a serem consultados nas referências bibliográficas: Métodos científicos, elementos, substâncias e misturas. Introdução teórica: A ciência é uma atividade holística, que envolve observação, reflexão e ação. Para aprender e entender ciência, você deve não somente estudá-la, mas também experimentá-la, sendo que para isso é que temos aulas em laboratórios. Neste curso você vai explorar os princípios e técnicas que possibilitam aos químicos investigar o desconhecido, desenvolver teorias e levantar hipóteses. O Método Científico: A análise de muitas descobertas científicas e avanços tecnológicos revela que este processo pode ser dividido em 5 etapas: observação: o primeiro passo é atentar para o universo ao nosso redor. O “quebra-cabeça” que nos cerca leva ao questionamento, que é uma peça chave para a execução da boa ciência. O observador atento não ignora aquilo que não entende, mas faz uma pausa, acompanhada de observação e reflexão, no sentido de desvendar o mistério; hipótese: o próximo passo é desenvolver possíveis respostas ou explicações para as questões que surgiram a partir das observações; experimentos ou testes: uma das características da ciência, é que normalmente é possível testar experimentalmente as hipóteses e explicações formuladas; teoria: uma hipótese é elevada ao nível de teoria quando experimentos realizados lhe dão suporte e nos possibilitam usar a teoria para propósitos de previsão; modificação: teorias científicas são sempre objeto de outros testes. Quando se obtém resultados que aparentemente contradizem uma teoria existente, esta teoria deve então ser modificada, melhorada ou descartada. É importante ter em mente que os cientistas não param e perguntam “em qual etapa eu estou hoje?” As cinco etapas do método científico apresentados, são simplesmente uma estratégia de avaliação dos passos que conduzem as descobertas científicas e/ou progresso tecnológico. Com o passar do tempo e com o constante exercício da ciência você vai passar a considerar todas as etapas de uma maneira conjunta. Por enquanto, no decorrer de nossas aulas, procure usá-las como um referencial para a conduta do raciocínio e atitudes científicas. Lembre-se que aquilo que pode ser muito óbvio pode esconder importantes considerações científicas. No decorrer desta disciplina procure observar e dedicar atenção a eventos aparentemente simples, como o fato do gelo flutuar sobre a água. Pergunte-se se um sólido é mais ou menos denso do que um líquido, quando ambos são constituídos pela mesma substância e responda, “Por que o gelo flutua na água?” Fique igualmente alerta para o não usual, para o inesperado e para aquilo que aparentemente é inexplicável. Muitas das grandes descobertas foram realizadas porque alguém dedicou tempo para investigar pequenas diferenças entre os resultados esperados e aqueles que realmente foram obtidos. Dentre as grandes descobertas que contaram com a combinação do acaso e de um aguçado espírito investigativo de algum cientista, pode destacar as criações da sacarina e do aspartame, da borracha e do teflon. Se for necessário, não hesite em dedicar um tempo extra as suas investigações. Contudo, por uma questão de segurança, caso você queira conduzir algum experimento ou variante de experimento que não estejam neste roteiro, consulte antes o seu professor. A QUÍMICA DENTRO DAS CIÊNCIAS: Nos dicionários, o braço da ciência chamado de química é definido como “A ciência que se ocupa da composição, estrutura e propriedades das substâncias e das transformações que estas substâncias podem sofrer.” Na verdade hoje a química desempenha diferentes papéis, ela usa outras ciências como ferramenta e ao mesmo tempo auxilia outras ciências em seus trabalhos investigativos, numa interação onde muitas vezes não existe fronteira entre a química, a física, a biologia, a geologia, a geografia, a medicina, a farmacologia e as engenharias. A cada dia um maior número de substâncias químicas desenvolvidas pelo homem entram no nosso dia a dia. Existem substâncias sintéticas em detergentes, fármacos, chips de computadores, materiais plásticos, aditivos para alimentos, baterias, tintas, cerâmicas, laminados de madeira, etc. SUBSTÂNCIAS E MISTURAS - PROPRIEDADES FÍSICAS E QUÍMICAS: O uso da palavra substância, para um químico já implica em alguma coisa pura, daí freqüentemente, para serem evitados enganos, usar-se o termo substância pura. Se duas ou mais substâncias estão presentes em um mesmo recipiente, tem-se uma mistura. Existem dois tipos de substâncias, as elementares e as compostas. As substâncias elementares são constituídas por um único elemento, enquanto as substâncias compostas são constituídas de elementos quimicamente combinados em razões bem definidas. As substâncias existem nos três estados comuns da matéria, que são o sólido, o líquido e o gasoso, dependendo de combinações de pressão e temperatura. Todas as substâncias têm um conjunto próprio de características físicas e químicas, que nos possibilitam distinguir, identificar e utilizar as substâncias. Propriedades físicas ocorrem e são medidas sem uma mudança química na composição, como ponto de fusão, ponto de ebulição, cor, densidade e solubilidade. As propriedades químicas são determinadas quando ocorre uma mudança na composição ou na estrutura da substância, por decomposição ou reação com outros reagentes. Substâncias usualmente ocorrem na natureza em conjunto com outras substâncias, como misturas. Mesmo os reagentes estocados no laboratório contem uma pequena porcentagem de impurezas; os mais puros contem pelo menos 0,00001% de alguma impureza. Observe sempre e atentamente rótulos e catálogos de produtos químicos para ir se familiarizando com as impurezas características de cada reagente. Tente pensar na relação entre diferentes graus de pureza e os preços das substâncias. Geralmente as misturas podem ser separadas em substâncias puras, antes que o trabalho para a sua efetiva identificação seja iniciado. Os procedimentos usuais para a separação de misturas baseiam-se nas diferenças das propriedades físicas de seus constituintes, como ponto de ebulição (destilação) e solubilidade (recristalização, filtração e cromatografia). A discussão a respeito de misturas e o uso dos procedimentos citados serão objeto de outros experimentos. O trabalho de hoje será centrado na observação qualitativa das propriedades físicas de elementos e compostos. Materiais e reagentes: 01 Bico de Bunsen Solução de azul de metileno 0,1% 01 Pinça de metal Gelo 02 Béquers de 400 mL Pedaços de fios de cobre 02 Béquers de 150 mL Pedaços de estanho 01 Termômetro Pedaços de fita de magnésio Procedimento experimental: 1ª Parte: O bico de Bunsen Acompanhe a demonstração do professor, referente ao uso do Bico de Bunsen e manuseio dos seus controles. Existem dois ajustes no Bico de Bunsen, conforme mostra a Figura 1. O primeiro é uma válvula agulha, localizada na parte inferior ou lateral do equipamento, que controla a vazão do gás. O segundo consiste em um anel rotatório provido de aberturas e que controla a entrada de ar atmosférico. Quando as aberturas estão completamente fechadas, é observada uma chama amarela, chamada de chama luminosa. Se o anel for posicionado de modo a se obter a máxima abertura, a chama se apaga. Quando o bico de Bunsen é ajustado corretamente, a chama é totalmente azul e não luminosa. Figura 1.1 – Esquema representando o bico de Bunsen ATENÇÃO: manusear o bico de Bunsen com cuidado, pois existe o risco de queimaduras. Sempre que o bico de Bunsen não estiver sendo usado, o mesmo deve ser desligado. Acender o bico de Bunsen: fechar totalmente as aberturas do anel rotatório, abrir a válvula do gás e só então aproximar a fonte de ignição (palito de fósforo aceso, isqueiro ou acendedor). Quando a chama amarela for observada, girar, cuidadosamente, o anel rotatório até a obtenção da chama azul. Questões para pensar: Qual a função do gás e do ar atmosférico? Porque a chama é amarela quando as aberturas estão fechadas e é azul quando temos um suprimento de ar atmosférico? 2a. Parte – Propriedades físicas das substâncias A - Sólidos, Líquidos e Gases: ATENÇÃO: manusear o bico de Bunsen com cuidado, pois existe o risco de queimaduras. Sempre que o bico de Bunsen não estiver sendo usado, o mesmo deve ser desligado. Colocar pequenos pedaços de gelo em um béquer de 400 mL e, em um segundo béquer de 400 mL, adicione 200 mL de água. Comparar as propriedades da água, quando ela se encontra no estado líquido e no estado sólido. Colocar agora o béquer com água, sobre uma tela de amianto suportada em um tripé e aquecer a água, com o bico de Bunsen. Utilizar um termômetro para medir as diferentes temperaturas da água e anotar as suas observações sobre os estados físicos da água. Questões para pensar: Qual a origem das bolhas que você observa? Se a água fosse aquecida até que todo o líquido evaporasse, seria possível calcular o volume ocupado pelo vapor? B - Mobilidade molecular em líquidos: ATENÇÃO: use luvas de amianto ao manusear objetos quentes, existe o risco de queimaduras. LEMBRE-SE: vidros quentes parecem exatamente iguais a vidros frios! Porém os vidros quentes podem causar queimaduras. Em um béquer de 150 mL, adicionar 100 mL de água em ebulição. A um segundo béquer de 150 mL, adicionar 100 mL de água de torneira, na temperatura ambiente. Cuidadosamente, adicionar a cada um dos béquers, da mesma maneira, algumas gotas de solução de corante azul de metileno e observar as diferenças de comportamento do corante. Utilizar um termômetro para medir as temperaturas da água nos dois béquers e anotar as suas observações sobre a mobilidade das moléculas. C - Ponto de fusão de metais: ATENÇÃO: manusear o bico de Bunsen com cuidado, pois existe o risco de queimaduras. Sempre que o bico de Bunsen não estiver sendo usado, o mesmo deve ser desligado. LEMBRE-SE: metais quentes parecem exatamente iguais a metais frios! Porém os metais quentes podem causar queimaduras. Com o auxílio de uma pinça de metal, prender um pedaço de fio de Cobre e expor o metal à chama do bico de Bunsen. Identificar em qual região da chama o metal funde. Repetir os passos (1) e (2) com amostras de Estanho e de Magnésio. Identificar as temperaturas aproximadas de cada uma das regiões da chama do bico de Bunsen, de acordo com o ponto de fusão dos metais testados, e anotar as suas observações. Questões: Como você explica uma combustão? Porque a janela do bico de Bunsen deve ficar aberta durante o seu uso? Por que, quando o bico de Bunsen está aceso e com a janela fechada, a chama fica amarela e há produção de fuligem? Identificar, na Figura 2, as temperaturas aproximadas das regiões da chama do bico de Bunsen. Qual a composição aproximada do ar atmosférico? O que é GLP e qual a sua composição básica? Qual a aplicação dos conhecimentos sobre reações de combustão e propriedades físicas de substâncias podem ter em sua atividade profissional como engenheiro? Figura 1.2 – Representação da chama do bico de Bunsen. � EXPERIMENTO 02: DIFERENÇAS ENTRE COMPOSTOS ORGÂNICOS E INORGÂNICOS E ESTEQUIOMETRIA DE UMA REAÇÃO Objetivos específicos: - diferenciar os compostos iônicos de compostos moleculares através do ponto de fusão, da solubilidade, da condutividade elétrica; diferenciar hidrocarbonetos alifáticos de aromáticos através da combustão. Introdução teórica: Os compostos orgânicos (moleculares) possuem ligações covalentes, enquanto os compostos inorgânicos são formados, em sua maior parte, por ligações iônicas. As forças de atração entre as moléculas orgânicas são as forças de van der Waals, cuja intensidade é fraca. No caso de compostos formados por ligações iônicas, existem também forças de atração eletrostáticas, que são muito mais fortes do que as de van der Waals. As diferenças nas forças de atração resultam em comportamentos diferentes dos compostos moleculares e iônicos quanto à fusão, solubilidade em água, em solvente orgânico e condutividade elétrica. Além disto, os compostos orgânicos participam de reações de combustão (um tipo de reação química), podendo sofrer combustão completa ou incompleta. Na combustão completa ocorre apenas a formação de dióxido de carbono (CO2): Composto orgânico ( CO2. Na combustão incompleta ocorre a formação de coque (carbono puro - C) e de monóxido de carbono (CO): Composto orgânico ( C + CO. Quando são queimados, os compostos orgânicos liberam água, de acordo com as reações abaixo: R - H + O2 ( CO2 + H2O (1) Ar - H + O2 ( CO + C+ H2O (2) Materiais e reagentes: 01 Espátula 01 Funil de vidro 09 Tubos de ensaio 02 Cápsulas de porcelana 01 Bico de Bunsen Cloreto de sódio P.A. 02 Pipetas graduadas de 5 mL Sacarose P.A. 01 Pêra de borracha Ácido esteárico P.A. 01 Lâmpada com instalação elétrica Etanol P.A. 01 Bagueta de vidro Tolueno ou Benzeno P.A. 02 Copos de béquer Água de cal ou de barita (solução) Procedimento experimental: 1a. Parte: Diferenças observadas na fusão 1. Acender e regular a chama de um bico de Bunsen. 2. Colocar, com o auxílio de uma espátula, uma pequena quantidade de cloreto de sódio em um tubo de ensaio limpo e seco. 3. Aquecer o tubo de ensaio, lentamente, em chama direta. ATENÇÃO: Para executar esta operação, utilizar uma pinça de madeira para prender o tubo de ensaio. Manter o tubo de ensaio inclinado à cerca de 45o e certificar-se que a boca do tubo de ensaio esteja voltada para uma direção em que não possa ocorrer a projeção de material quente sobre o operador ou um colega. 4. Observar e anotar quais as alterações sofridas pela amostra durante o aquecimento. 5. Repetir as etapas (1) a (4) utilizando sacarose como amostra em um outro tubo de ensaio. 6. Repetir as etapas (1) a (4) utilizando ácido esteárico como amostra em um terceiro tubo de ensaio. 2a. Parte: Diferenças observadas na solubilidade 1. Numerar 03 tubos de ensaio e colocar, com o auxílio de uma espátula, uma pequena quantidade amostra em cada um dos tubos, de acordo com a lista abaixo. Tubo (1): cloreto de sódio Tubo (2): sacarose Tubo (3): ácido esteárico 2. Adicionar, com o auxílio de uma pipeta graduada, 5 mL de água aos três tubos de ensaio. Agitar as misturas, observar e anotar as alterações sofridas pelas amostras. 3a. Parte: Diferenças observadas na condutividade elétrica 1. Preparar, em um copo de béquer, uma solução com 30 mL de água e cerca de 2 g de cloreto de sódio. Agitar, com a bagueta de vidro, até a completa dissolução da amostra. 2. Inserir os pólos de condução elétrica da lâmpada na solução e ligar o conector na tomada. Ver na Figura 2.1, abaixo como deverá ficar a montagem do ensaio. Observar o comportamento da lâmpada e anotar o resultado. 3. Desconectar o conector da tomada e secar os pólos de condução com um papel absorvente. ATENÇÃO: se o conector não for desligado da tomada antes de ser manuseado, existe o risco de choque elétrico. 4. Repetir as etapas (1) a (3), utilizando uma solução preparada com cerca de 2 g de sacarose. Figura 2.1 - Esquema da aparelhagem usada para avaliar a condutividade de soluções. 3a. Parte: Diferenças observadas na combustão 1o. Teste: na bancada 1. Colocar 1 mL de etanol, com o auxílio de uma pipeta graduada, em uma cápsula de porcelana limpa e seca. 2. Molhar as paredes de um funil com água de cal ou água de barita. 3. Usando um palito de fósforo aceso, inflamar a amostra. ATENÇÃO: executar esta operação cuidadosamente, pois há o risco de queimaduras. 4. Emborcar o funil sobre a cápsula que contém o etanol em chamas, sem tampá-la completamente. 5. Aguardar alguns segundos e observar o que ocorre. Anotar os resultados obtidos. 2o. Teste: na capela 1. Em uma outra cápsula de porcelana limpa e seca, colocar 3 gotas de tolueno ou benzeno. 2. Usando um palito de fósforo aceso, inflamar a amostra. ATENÇÃO: executar esta operação cuidadosamente, pois há o risco de queimaduras. 3. Observar o que ocorre e anotar os resultados obtidos. Resultados: 1a e 2a. Partes: testes de fusão, solubilidade e condutividade elétrica Amostra Cloreto de sódio Sacarose Ácido esteárico Comportamento na fusão Solubilidade em água Condutividade elétrica da solução aquosa 3a. Parte: testes de combustão Amostra Etanol Tolueno ou Benzeno Comportamento no teste de combustão Reações químicas da combustão Questões: 1. Por que os compostos inorgânicos comportam-se de maneira diferente em relação aos compostos orgânicos? Justifique a sua resposta. 3. Explique as diferenças dos resultados do teste de solubilidade das amostras em meio e as diferenças observadas nos testes de condutividade. 4. Cite um exemplo do dia-a-dia onde as reações de combustão são empregadas. 5. Com base no teste de combustão, qual a diferença entre o etanol e o tolueno ou benzeno? 6. Liste alguns materiais orgânicos e inorgânicos encontrados em uma residência comum. 7. Qual a reação envolvida na queima do magnésio? 8. Explique o rendimento observado na reação de combustão do magnésio. Referências bibliográficas: 1. BRADY, J.E.; HUMISNTON, G.E. Química Geral. 2 ed., Livros Técnicos e Científicos: Rio de Janeiro, 1986. 2. BAIRD, C. Química Ambiental. 2 ed. Porto Alegre: Bookman, 2002. 622 p. 2. FICHAS DE SEGURANÇA DE ETANOL, BENZENO E TOLUENO. � EXPERIMENTO 03: OCORRÊNCIA E VELOCIDADE DE REAÇÕES QUÍMICAS E SUA DIFERENCIAÇÃO DE FENOMENOS FÍSICOS Objetivos específicos: diferenciar experimentalmente fenômenos físicos de fenômenos químicos e verificar a influência da temperatura sobre a velocidade das reações químicas. Introdução teórica: Os elementos químicos e as substâncias químicas são passíveis de vários tipos de transformações. Na natureza, por exemplo, muitas vezes participam de ciclos, como o ciclo hidrológico da água, um processo onde a água evapora da superfície do planeta, vai para a atmosfera na forma de vapor, onde se condensa e precipita-se novamente sobre a superfície, muitas vezes depois de um longo trajeto, caracterizando um processo de transporte atmosférico, em um processo puramente físico. Alguns elementos químicos como o nitrogênio, o fósforo, o carbono e os metais, possuem também seus ciclos, que são chamados de ciclos biogeoquímicos, onde interagem quimicamente com diferentes formas de vida em processos influenciados pela geografia e geologia da região. Os ciclos de transformações são ainda de extrema importância para os processos produtivos, onde a matéria prima é transformada em produto acabado. O entendimento de tais ciclos produtivos é de grande importância econômica e social, uma vez que envolve a geração de produtos muitas vezes essenciais para a manutenção de nossa qualidade de vida e muitas vezes causam impactos ambientais pelo fato de consumirem energia e gerarem resíduos. O entendimento dos fenômenos químicos e físicos é um pré-requisito para que possamos nos aproximar do modelo de produção ideal, que é o de produção sustentável, ou seja, a produção de bens e serviços associados à eliminação ou minimização dos impactos ambientais. Materiais e reagentes: 06 tubos de ensaio Iodo sólido 01 tela de amianto, tripé e bico de Bunsen Parafina sólida (aparas) 01 béquer de 100 mL Zinco ou magnésio (aparas) 01 béquer de 200 mL Solução de ácido clorídrico 1:1 01 vidro de relógio Solução de hidróxido de sódio 1:5 02 pipetas graduadas e pêra de borracha Solução de cloreto férrico 0,1 M 01 bagueta de vidro Solução de tiocianato de potássio 0,1 M 01 termômetro 03 metades de comprimidos de Sonrisal Água gelada Procedimento experimental: 1a. Parte: Diferenciação entre fenômenos físicos e reações químicas 1. Colocar alguns cristais de iodo em um béquer de 100 mL e cobrir com um vidro de relógio, com a parte côncava para cima e colocar 1 mL de água sobre o vidro de relógio. Colocar o conjunto sobre uma tela de amianto apoiada no tripé de ferro e aqueça com a chama do bico de Bunsen regulada para pouca intensidade. Observar a liberação de vapores no interior do béquer. Desligar o bico de Bunsen. Descrever e explicar as suas observações. Classificar os fenômenos observados. 2. Colocar em um tubo de ensaio seco, uma porção de aparas de parafina. Usando uma pinça de madeira, aquecer o tubo de ensaio diretamente na chama do bico de Bunsen até a fusão da parafina. Virar o conteúdo do tubo, rapidamente e com muito cuidado, sobre uma superfície fria. Descrever e explicar as suas observações. Classificar os fenômenos observados. 3. Colocar em um tubo de ensaio seco, aproximadamente 0,1 g de zinco ou magnésio em aparas. Usando uma pipeta graduada e pêra, adicionar 3 mL de ácido clorídrico 1:1 ao tubo de ensaio. Não agitar o tubo de ensaio. Descrever e explicar as suas observações. Classificar os fenômenos observados. ATENÇÃO: o ácido clorídrico é corrosivo, pode causar queimaduras na pele e mucosas. Use óculos de segurança. 4. Usando a mesma pipeta graduada do item anterior e a pêra, colocar 1 mL de uma solução de ácido clorídrico 1:1 em um tubo de ensaio. Adicionar então, cuidadosamente, com uma outra pipeta graduada e a pêra, 1 mL de uma solução de hidróxido de sódio 1:5. Não agitar o tubo de ensaio. Verificar se ocorre uma variação perceptível de temperatura. ATENÇÃO: o ácido clorídrico e o hidróxido de sódio são corrosivos, podem causar queimaduras na pele e mucosas. Use óculos de segurança. Importante: lavar as pipetas volumétricas utilizadas nos testes (3) e (4) com bastante água para utilizá-las nos próximos testes. 5. Colocar em um tubo de ensaio, com o auxílio de uma pipeta graduada e uma pêra, 2 mL de uma solução de cloreto férrico. Adicionar, com um conta-gotas, algumas gotas de uma solução de tiocianato de potássio. Descrever e explicar as suas observações. Classificar os fenômenos observados. 2a. Parte: Influência da temperatura sobre a velocidade de uma reação química Verificar, na embalagem do comprimido de Sonrisal, qual a composição do comprimido. Colocar 100 mL de água em um copo de béquer de 200 mL. Adicionar meio comprimido de Sonrisal e marcar o tempo (em segundos) necessário para a dissolução completa do comprimido. Lavar o béquer com água corrente. Repetir o procedimento (2) com 100 mL de água gelada, anotando a temperatura da água. Colocar 100 mL de água no terceiro béquer, colocar o béquer sobre o tripé e a tela de amianto, aquecer a água até uma temperatura de 50 (C (anotar a temperatura) e desligar o aquecimento. Colocar meio comprimido de Sonrisal na água quente e marcar o tempo (em segundos) até a completa dissolução do comprimido. Resultados: 1a. Parte: Diferenciação entre fenômenos físicos e reações químicas Teste Fenômeno físico ou reação química observada 1 2 3 4 5 2a. Parte: Influência da temperatura sobre a velocidade de uma reação química Temperatura (oC) Tempo de reação (s) Temperatura (oC) Tempo de reação (s) Temperatura (oC) Tempo de reação (s) Questões: 1. O que caracteriza um fenômeno como puramente físico? 2. Quais são os indícios da ocorrência de um fenômeno químico? 3. Escreva as reações químicas observadas nesta aula? 4. Qual a influência da temperatura sobre a velocidade de uma reação química? 5. A reação estudada é endotérmica ou exotérmica? Referências bibliográficas: 1. BRADY, J.E.; HUMISNTON, G.E. Química Geral. 2 ed., Livros Técnicos e Científicos: Rio de Janeiro, 1986. 2. BAIRD, C. (RECIO, M.A.L.; CARRERA, L.C.M; GRASSI, M.T. Tradutores). Química Ambiental. 2 ed. Porto Alegre: Bookman, 2002. 622 p. 2. FICHAS DE SEGURANÇA DE ÁCIDO CLORÍDRICO, HIDRÓXIDO DE SÓDIO � EXPERIMENTO 04: INVESTIGANDO A PRODUÇÃO DO DIÓXIDO DE CARBONO E A CHUVA ÁCIDA Objetivos específicos: avaliar as condições que propiciam a formação de chuvas ácidas e a sua influência na degradação de materiais a elas expostos. Entender o mecanismo de produção de CO2 a partir de reações ácido-base com carbonatos e bicarbonatos e refletir a respeito do papel do CO2 no meio ambiente. Introdução teórica: O dióxido de carbono: o CO2 é um gás que existe na atmosfera em uma concentração de aproximadamente 360 partes por milhão. É um gás muito importante dentro do ciclo do carbono, uma vez que é a partir dele que se dá o fenômeno conhecido como produção primária, ou seja, a transformação do CO2 em matéria orgânica. Essa reação ocorre na presença de luz e de água. É assim que a reação de fotossíntese permite que as plantas cresçam. Do mesmo modo, alguns microrganismos se desenvolvem no ambiente aquático, dando origem à cadeia alimentar.1 O CO2 atmosférico é proveniente das mais diversas fontes, tais como os mecanismos de respiração dos organismos, a decomposição da matéria orgânica, os incineradores, os processos de queima em geral e, principalmente, a queima de combustíveis fósseis. Os combustíveis fósseis, como o carvão e o petróleo, são resultado da interação da energia solar com o CO2 da atmosfera, que resultou em matéria orgânica. A matéria orgânica, transformada por uma série de processos, que levaram milhões de anos, resultou em reservatórios de gás natural, carvão e petróleo, dentre outros materiais que hoje são usados como fonte de energia. Como a demanda por energia intensificou-se muito após a revolução industrial, uma grande quantidade destes combustíveis tem sido queimada, o que implicou em um aumento significativo da concentração do CO2 atmosférico, bem como de poluentes gerados no processo de combustão. A conseqüência de maior impacto ambiental relacionada à emissão de CO2 é o efeito estufa, uma vez que o dióxido de carbono tem a capacidade de absorver parte da radiação solar incidente e dissipá-la na atmosfera sob a forma de calor. Normalmente essa radiação, em condições de menor concentração de CO2, seria refletida para fora da atmosfera sem maiores conseqüências. A absorção da radiação implica em aumento da temperatura global, descongelamento de parte da calota polar e elevação do nível d’água dos oceanos, aumento da umidade em algumas áreas, implicando em secas em outras, bem como interferência nas estações do ano. Na aula de hoje iremos estudar um pouco do comportamento químico do CO2, uma espécie que como se viu, está ligada a um dos impactos ambientais de maior importância que se vivência atualmente e que está classificado no rol das mudanças globais.1 Um dos problemas ambientais mais graves que muitas regiões do mundo vem enfrentando atualmente é a chuva ácida. Este termo genérico abrange vários fenômenos, como a neblina ácida e a neve ácida, todos relacionados a precipitações substanciais de ácidos. A chuva ácida traz conseqüências ecológicas danosas e a presença de partículas ácidas no ar também tem efeitos na saúde humana.1 O fenômeno da chuva ácida foi descoberto na Grã-Bretanha, em meados de 1800, mas permaneceu esquecido até os anos 50. Ele refere-se à precipitação mais ácida do que a chuva natural (não-poluída), que já é ligeiramente ácida pela presença de dióxido de carbono atmosférico dissolvido, sob a forma de ácido carbônico, em parte dissociado: CO2 (g) + H2O (l) ( H2CO3 (aq) (1) H2CO3 ( HCO3- + H+ (2) Devido a esta fonte de acidez, o pH da chuva natural, não-poluída, é em torno de 5,6. Apenas as chuvas com pH abaixo de 5 são consideradas como chuvas ácidas. Ácidos fortes, como o HCl, liberados em erupções vulcânicas podem produzir temporariamente chuvas ácidas “naturais” em regiões como o Alasca e a Nova Zelândia.1 Os ácidos predominantes na chuva ácida são o ácido sulfúrico (H2SO4) e o ácido nítrico (HNO3). Em termos gerais, a chuva ácida precipita-se, segundo e direção dos ventos, em locais distantes das fontes dos poluentes primários, isto é, o dióxido de enxofre (SO2) e os óxidos de nitrogênio (NOx). Os ácidos são gerados durante o transporte da massa de ar que contém os poluentes. Deste modo, a chuva ácida é um problema de poluição que não respeita fronteiras, em razão do deslocamento a grandes distâncias dos poluentes atmosféricos. As fontes da poluição por dióxido de enxofre: uma escala global, a maior parte do SO2 é produzida por vulcões e pela oxidação de gases sulfurados produzidos pela decomposição de plantas. Em virtude deste dióxido de enxofre “natural” ser lançado na atmosfera em grandes altitudes ou distante de centros urbanos, a concentração residual do gás no ar puro é de cerca de 1 ppb. Contudo, uma quantidade mensurável de dióxido de enxofre superficial é emitida atualmente no ar troposférico, sobretudo no hemisfério norte. A principal fonte antrópica (causada pelo homem) de SO2 é a combustão de carvão, um sólido que, dependendo da área geográfica de onde é extraído, contém de 1 a 9% de enxofre. Em muitos países, o principal emprego do carvão é na geração de eletricidade. Usualmente, metade ou mais do enxofre é aprisionado sob a forma de “inclusões” na composição mineral do carvão. Se o carvão é pulverizado antes da combustão, este tipo de enxofre pode ser removido por classificação mecânica (diferenças de densidades). O restante do enxofre, que usualmente está presente em quantidades de cerca de 1( 0,5% da massa de carvão, está ligado à estrutura do carvão sólido e não pode ser removido sem a aplicação de um processo oneroso. O enxofre também está presente em teores de alguns porcentos no petróleo cru, mas é reduzido para níveis de apenas algumas centenas de ppm em produtos como a gasolina. A indústria do petróleo emite dióxido de enxofre no ar diretamente como SO2, ou indiretamente como H2S, quando o petróleo é refinado e o gás natural é purificado, antes da distribuição. Com efeito, o componente predominante nos poços produtores de gás natural é algumas vezes o H2S, em lugar do CH4. O H2S pode ser reduzido a enxofre elementar pela reação de Claus. Grandes fontes pontuais de SO2 (locais específicos que emitem uma grande quantidade de poluentes) estão associadas à indústria de extração de metais não-ferrosos, durante a conversão do minério em metais puros. Muitos metais valiosos e úteis, como o cobre e o níquel, ocorrem na natureza sob a forma de minérios à base de sulfeto. No primeiro estágio de sua conversão para metais puros, eles são usualmente queimados em ar para a remoção do enxofre, que é convertido em SO2, com freqüência liberado no ar. Por exemplo: 2 NiS (s) + 3 O2 (g) ( 2 NiO (s) + 2 SO2 (g) (3) sulfeto de níquel óxido de níquel dióxido de enxofre Minérios, como o sulfeto de cobre, podem ser fundidos em um processo que utiliza oxigênio puro introduzido sob pressão em uma câmara de fusão, e o dióxido de enxofre obtido em alta concentração nesta reação, é liquefeito e vendido como subproduto. A concentração de SO2 nos gases residuais presentes no processo de aquecimento (como o usado para o níquel) é alta, o que torna viável a passagem do gás sobre um catalisador para promover a sua oxidação a trióxido de enxofre, ao qual é adicionada água produzindo ácido sulfúrico comercial: 2 SO2 (g) + O2 (g) ( 2 SO3 (g) (4) SO3 (g) + H2O (l) ( H2SO4 (aq) (5) Quando o dióxido de enxofre emitido encontra-se diluído, como no caso das emissões das usinas termelétricas para geração de energia, sua extração por oxidação não é viável. Então o SO2 gasoso é removido por meio de uma reação ácido-base entre o gás e o carbonato de cálcio (calcário, CaCO3) ou o óxido de cálcio (cal, CaO) na forma de sólidos úmidos pulverizados. Cerca de 90% dos gases podem ser removidos por este processo de lavagem, mais formalmente conhecido como dessulfurização de gasoduto. O produto é uma pasta de sulfito e sulfato de cálcio, sendo habitualmente enterrado em aterros sanitários. As reações são as seguintes: CaCO3 + SO2 ( CaSO3 + CO2 (6) 2CaCO3 + O2 ( 2 CaSO4 (7) Em outras operações, o dióxido de enxofre é capturado pelo uso de pastas de sulfito de sódio ou óxido de magnésio, e estes compostos originais e juntamente com o SO2 gasoso concentrado são posteriormente regenerados por decomposição térmica do produto.1 Recentemente, têm sido desenvolvidas tecnologias limpas de uso do carvão, por meio das quais o carvão pode ser utilizado de modo mais limpo e, freqüentemente, com maior eficiência. Na limpeza por pré-combustão, o carvão tem o enxofre contido em seu teor mineral, usualmente sob a forma de pirita (FeS), que pode ser removida por diferença de densidade após a moagem do carvão. Também podem ser utilizadas culturas de bactérias de “comem” o enxofre orgânico ou, por via química, uma lavagem a quente com soluções de soda diluídas. Na limpeza durante a combustão, as condições e combustão podem ser ajustadas para reduzir a formação de poluentes, ou substâncias absorventes podem ser injetadas juntamente com o carvão, para capturar os poluentes à medida que são formados. Algumas das técnicas avançadas usadas na limpeza pós-combustão, como o uso do óxido de cálcio granulado e de soluções de sulfito, já foram descritas. Na conversão de carvão, o combustível é primeiramente gaseificado por reação com vapor, à mistura de gases é tratada para a retirada dos poluentes e o gás limpo é queimado em uma turbina para gerar eletricidade.1 Materiais e reagentes: 02 vidros de relógio 01 espátula de metal Papel de tornassol azul e rosa 03 béqueres de 50 ou 100 mL Pétalas de flores 01 pipeta graduada de 5 mL 01 frasco de boca larga com tampa (500 mL) 01 pinça metálica 01 fio de cobre (~15 cm) Enxofre em pó 01 cadinho de porcelana Pó de mármore 01 triângulo de porcelana Fita de magnésio (~1,5 a 2 cm) 01 bico de bunsen e tripé Pedaços de fio de cobre Fósforos Solução de HCl diluído 02 tubos de ensaio Solução de Ca(OH)2 01 rolha com tubo de vidro 90o e mangueira 01 erlenmeyer de 250 mL Procedimento experimental: 1a. Parte: Geração de CO2 Colocar cerca de 3 g de pó de mármore no interior do erlenmeyer de 250 mL. Adicionar cerca de 25 mL de ácido clorídrico diluído ao interior do erlenmeyer e, rapidamente, tampar o erlenmeyer com a rolha de borracha com o tubo de vidro e mangueira (ver o esquema da Figura 4.1.) Figura 4.1 – Esquema da montagem de um sistema para geração de CO2 a partir de pó de mármore. Borbulhar o CO2 em um tubo de ensaio preenchido até a sua metade com água destilada. Avaliar o pH da solução com o papel indicador e verificar se o CO2 é um óxido ácido ou básico. Em outro tubo de ensaio contendo “água de cal” (solução de Ca(OH)2), borbulhar o CO2 gerado. Explicar o que ocorre. Em um béquer de 100 mL, colocar “água de cal” até mais ou menos 1/3 de sua capacidade. Usando uma pipeta, assoprar na solução. Qual a relação entre o que ocorre agora, com o que foi observado no item 3? 2a. Parte: Chuva ácida produzida pelo SO2 Colocar algumas gotas de água destilada em um vidro de relógio e adicionar um papel azul de tornassol. Observar se há mudança na cor do papel. Em um frasco de boca larga com tampa (tipo de café instantâneo), prender na parte interna, um fio de cobre com um papel de tornassol azul umedecido em água destilada e uma pétala de flor colorida (Figura 4.2.). Em um cadinho suportado em um triângulo de porcelana, aquecer uma pequena porção de enxofre e quando este começar a fundir, introduzir o cadinho no interior do frasco, usando uma pinça metálica (tenaz). Cobrir o frasco com um vidro de relógio ou com uma placa de Petri. Aguardar cerca de 10 minutos e observar as alterações no papel de tornassol e na pétala. Figura 4.2 – Representação esquemática do sistema para simulação de chuva ácida. Retirar todo o material de dentro do frasco e rapidamente adicionar 40 mL de água destilada. Fechar o frasco e agitar, de modo a que a atmosfera interna do frasco tenha contato com a água. Colocar um fragmento ou uma porção de pó de mármore, um fragmento de magnésio e um papel de tornassol azul, respectivamente em três copos de béquer de 50 ou 100 mL. Com uma pipeta de 5 mL, retirar amostras da água do interior do frasco de 250 mL e colocar sobre cada uma das três amostras que estão no interior dos copos de béquer. Explicar as suas observações. Questões: Observando o que ocorreu com o mármore, com o magnésio e com a pétala de flor, quais as conseqüências das chuvas ácidas? Escrever as reações que podem produzir chuva ácida a partir de óxidos de nitrogênio e óxidos de enxofre. Por que as regiões onde existem usinas termoelétricas para geração de energia podem apresentar chuvas ácidas? Discutir a importância da existência de programas de monitoração ambiental com técnicas bastante sensíveis a mudanças de pH das chuvas. Discutir a relação entre as duas Figuras 4.3.a e 4.3.b, a seguir apresentadas, bem como o contexto histórico e econômico em que se inserem. (a) (b) Figura 4.3 – (a) Concentração de dióxido de carbono atmosférico. (b) Alterações globais de temperatura. Fonte: Baird, 2002. A Figura 4.4 mostra as emissões anuais globais antropogênicas de dióxido de carbono expressas em termos de massa de carbono, derivadas da queima de combustíveis fósseis e da fabricação de cimento. Estes dados devem ser levados em conta na projeção para um cenário futuro de aumento da temperatura global, com o conseqüente aumento no nível das águas oceânicas. O que podemos fazer para minimizar este impacto ambiental? Quais as atitudes que podem ser tomadas por países do hemisfério sul e do hemisfério norte? Figura 4.4 - Emissões anuais globais antropogênicas de dióxido de carbono expressas em termos de massa de carbono (queima de combustíveis fósseis e da fabricação de cimento). Fonte: Baird, 2002. Referências bibliográficas: 1. BAIRD, C. (Recio, M.A.L.; Carrera, L.C.M; Grassi, M.T. Tradutores). Química Ambiental. 2 ed. Porto Alegre: Bookman, 2002. 622 p. � EXPERIMENTO 05: TRATAMENTO DE ÁGUA Objetivos específicos: reproduzir, no laboratório, algumas das fases do processo de tratamento da água. Introdução teórica: A água consumida pela população das cidades, normalmente é proveniente de rios, lagos, poços comuns e artesianos ou nascentes. Em geral, estas águas contem partículas em suspensão e microrganismos que podem ou não ser patogênicos. Por isto, antes de ser distribuída para o consumo, à água deve ser submetida a um processo de tratamento. Numa estação de tratamento de águas (ETA), geralmente desenvolvem-se as seguintes etapas: (1) aeração, (2) coagulação e floculação (ou flotação, em algumas estações), (3) sedimentação, (4) filtração e (5) desinfecção. Em algumas etapas ocorre ainda, correção do valor do pH, de modo a otimizar o processo de tratamento. Etapas do processo de tratamento de água: a) aeração ou arejamento: Este processo consiste em colocar a água em contato estreito com uma fase gasosa (geralmente o ar) para transferir substâncias solúveis do ar para a água, aumentando seus teores de oxigênio e nitrogênio, e substâncias voláteis da água para o ar, permitindo a remoção do gás carbônico em excesso, do gás sulfídrico, do cloro, metano e substâncias aromáticas voláteis, assim como, proporcionar a oxidação e precipitação de compostos indesejáveis, tais como ferro e manganês. A aeração pode ser por gravidade, aspersão, difusão de ar ou forçada. b) coagulação: Substâncias coagulantes são adicionadas na água com a finalidade de reduzir as forças eletrostáticas de repulsão, que mantém separadas as partículas em suspensão, as coloidais e parcela das dissolvidas. Desta forma, eliminando-se ou reduzindo-se a "barreira de energia" que impede a aproximação entre as diversas partículas presentes, criam-se condições para que haja aglutinação das mesmas, facilitando sua posterior remoção por sedimentação e/ou filtração. Os coagulantes mais utilizados são o sulfato de alumínio e o cloreto férrico, sais que, em solução, liberam espécies químicas de alumínio ou ferro com alta densidade de cargas elétricas, de sinal contrário às manifestadas pelas partículas presentes na água bruta, eliminando, assim, as forças de repulsão eletrostática originalmente presentes na água bruta. c) floculação: É um processo físico que promove a aglutinação das partículas já coaguladas, facilitando o choque entre as mesmas devido à agitação lenta imposta ao escoamento da água. A formação de flocos de impurezas facilita a sua posterior remoção por sedimentação sob ação da gravidade, flotação ou filtração. A floculação pode ocorrer por processos hidráulicos ou mecanizados. d) sedimentação ou decantação: É o processo no qual a força da gravidade é utilizada para separar as partículas de densidade maior que a da água, depositando-as em uma superfície ou zona de armazenamento. Os principais tipos de decantadores são os laminares ou de alta taxa e os convencionais de escoamento horizontal. e) flotação: É o processo inverso ao da sedimentação, com o mesmo objetivo de separação das partículas floculadas da água em tratamento. Certos flocos (principalmente quando formados a partir de águas com alta concentração de algas ou de substâncias orgânicas de origem natural, conhecidas como substâncias húmicas), podem apresentar baixa velocidade de sedimentação, inviabilizando tal procedimento. Geralmente, para melhorar o rendimento do processo de flotação, utilizam-se micro-bolhas de ar que ao aderirem aos flocos aumentam a força de empuxo sobre os mesmos, facilitando sua ascensão e posterior remoção por rodos raspadores instalados na superfície da unidade. f) filtração: É o processo que remove as impurezas presentes na água bruta (filtração lenta); na água coagulada ou floculada (filtração rápida direta); ou na água decantada (filtração rápida) pela passagem destas em um meio granular poroso, geralmente constituído de camadas de pedregulho, areia e antracito (este último, comum nos filtros rápidos). Em relação ao sentido de escoamento e à velocidade com que a água atravessa a camada de material filtrante, a filtração pode ser caracterizada como lenta, rápida de fluxo ascendente ou rápida de fluxo descendente. A filtração direta tem sua denominação relacionada com a inexistência de unidade prévia de remoção de impurezas. g) desinfecção: Tem por finalidade a destruição de microorganismos patogênicos ou não presentes na água. As principais técnicas empregadas são a cloração, ozonização e a exposição da água à radiação ultravioleta. h) correção do pH: Método preventivo de corrosão dos encanamentos por onde a água tratada é veiculada até os consumidores. Consiste na alcalinização da água para remover o gás carbônico livre e para provocar a formação de uma película de carbonato na superfície interna das canalizações. i) fluoretação: Consiste na aplicação de compostos de flúor na água de abastecimento público, em teores controlados, função da temperatura ambiente. O flúor é eficiente na redução da incidência de cáries. Em alguns locais a água potável é obtida a partir da água do mar, por falta da água doce; o processo usado nestes casos é a dessalinização, normalmente por processo osmótico. Materiais e reagentes: 2 litros de água "suja" (ou adicionar meio de terra a 2 litros de água de torneira). 1 frasco plástico de 1 L de capacidade (frasco de refrigerante, p. ex.), com tampa (frasco A) 1 frasco plástico de 1 L de capacidade, com o topo removido (frasco B) 2 frascos plásticos de 1 L de capacidade, com o fundo removido (frasco C). 1 frasco plástico com capacidade para 1½ litro, com a parte superior removida (frasco D). 2 gramas de sulfato de alumínio. Brita fina ou pedras de aquário (lavada) 2 gramas de carbonato de sódio comercial 1 copo grande Areia fina (cerca de 400 mL, em volume) 1 filtro de café (grande) Areia grossa (cerca de 400 mL, em volume) 1 atilho de borracha Brita grossa (lavada) Relógio ou cronômetro Procedimento experimental: É fácil imaginar que em uma estação de tratamento de águas, a operação se dá em uma escala muito maior do que a de bancada. Em média cada habitante de uma cidade consome de 200 a 250 litros de água por dia, o que faz com que, em uma cidade das proporções de Campinas, com aproximadamente 1 milhão de habitantes, sejam consumidos entre 200.000.000 e 250.000.000 de litros de água por dia. No procedimento experimental que se segue, seremos mais modestos, com relação ao tratamento de água, tratando apenas 1 L de água e utilizando um filtro pequeno de areia e brita. Adicionar cerca de 750 mL da água "suja" no frasco A, com tampa. Descrever a aparência e o cheiro da água. Aeração: consiste na adição de ar à água. Este processo permite que alguns gases voláteis presentes na água escapem e permite, igualmente, que a adição de oxigênio à água. Tampar cuidadosamente o frasco e agite-o vigorosamente por cerca de 30 segundos. Despejar a água no frasco B e coloque-a novamente de volta para o frasco A. Repetir este procedimento por pelo menos 10 vezes. Descrever qualquer alteração que eventualmente tenha sido observada. Coagulação: é o processo através do qual a sujeira e outras substâncias sólidas presentes na água se aglomeram em flocos, para que possam ser removidas da água. Adicionar cerca de 0,1 g (uma pontinha da espátula) do sulfato de alumínio à água aerada. Adicionar, em seguida, uma pequena quantidade de carbonato de sódio (0,1 a 0,2 g) à mistura. Agitar lentamente a mistura por cerca de 1 minuto. Se for necessário, repetir o processo até obter flocos grandes que sedimentem rapidamente. Cuidado para não adicionar quantidades excessivas de sulfato de alumínio e, principalmente, de carbonato de sódio, pois pode ocorrer a flotação (e não a sedimentação desejada) da sujeira. Sedimentação: processo que ocorre quando os flocos formados no item 3 decantam, pela ação da gravidade, para o fundo do frasco. Permitir que a água permaneça em repouso por cerca de 20 minutos. Observar o que ocorre, a cada intervalo de 5 minutos, com a água contida no frasco. Construir um filtro com o frasco C, conforme mostra a Figura 5.1, apresentada abaixo: Com o auxílio de uma tira elástica ou de um pedaço de barbante, amarrar o filtro de papel do lado externo da boca do frasco C. Colocar o frasco de cabeça para baixo e adicionar uma camada de ~5 cm de brita grossa ou pedras de aquário ao interior do frasco. O filtro deve impedir que a brita caia fora do frasco. Adicionar uma camada de ~2 cm de brita fina ao topo da camada de brita grossa existente. Lavar as camadas de brita grossa e brita fina com uma grande quantidade (~5 L) de água da torneira. Adicionar uma camada de ~2 cm da areia grossa, previamente lavada com grande quantidade de água, ao topo da camada existente de brita fina. Sobre esta camada de areia grossa, despejar uma camada de ~1 cm de areia fina, também previamente lavada com uma grande quantidade de água. Finalmente, limpar novamente o conteúdo da garrafa, passando pelo sistema cerca de 2 litros (ou mais, se necessário) de água da torneira. Esta lavagem deve ser realizada cuidadosamente para se evitar a mistura das areias fina e grossa. Figura 5.1 - Esquema da montagem do filtro de areia. Filtração: etapa onde ocorre a remoção da maior parte das impurezas remanescentes na água, após terem ocorrido à coagulação e a sedimentação. Depois que uma grande quantidade de material sólido (sedimentos) tenha se decantado no fundo do frasco B, despejar cuidadosamente cerca de três quartos do conteúdo deste frasco para o sistema de filtração. Coletar a água filtrada num copo. Comparar a água filtrada com aquela inicialmente utilizada na realização do experimento, principalmente com relação à aparência e cheiro. Observação importante: A etapa final do processo de tratamento da água destinada ao abastecimento público envolve uma etapa de desinfecção, ou seja, de remoção ou inativação dos microrganismos presentes. Como os agentes desinfetantes normalmente utilizados são cáusticos e corrosivos, eles devem ser manipulados com extremo cuidado e, portanto, não são empregados neste experimento. A água resultante não deve, conseqüentemente, ser consumida, pois pode causar efeitos adversos à saúde. Questões: Como transformar a água captada em um manancial em água potável? Qual a diferença entre água potável, água destilada e água deionizada? Para que são usados o Al2(SO4)3 e o Na2CO3 no tratamento da água, qual é a ação destes produtos na coagulação e floculação das partículas de sujeira? Por que é necessária a correção do pH no tratamento da água? Qual a função da floculação, da filtração e da desinfecção? Comente sobre a importância do abastecimento de água em um projeto de pequeno porte (por exemplo, residência) e em um de grande porte (por exemplo, usina hidroelétrica)? Quais os possíveis impactos ambientais associados com este uso da água? Referências (a) Apostila de Química Geral do Curso de Química – PUC-Campinas. (b) Apostila do Curso Química e Meio Ambiente (Prof. Dr. Marco Tadeu Grassi), Departamento de Química da Universidade Federal do Paraná. (c) Apostila do Curso de Laboratório de Saneamento (Prof. Dr. Edson A.A. Nour) na FEC/UNICAMP. RITCHER, C.A.; NETTO, J.M.A. Tratamento de água: Tecnologia atualizada. 3a. Reimpres. São Paulo: Edgard Blücher. 2000. 332 p. Site da EPA: U.S. Environmental Protection Agency. Office of Ground Water and Drinking http://www.epa.gov Site da CETESB: http://www.cetesb.sp.gov.br Padrões de Potabilidade: Portaria 1469 do Ministério da Saúde de 29/12/2000. Padrões de Potabilidade: Decreto Estadual de 20/10/78. � EXPERIMENTO 06 - OBSERVANDO PADRÕES DE CAMPO MAGNÉTICO E AVALIANDO PROPRIEDADES MECÂNICAS DE METAIS Objetivos específicos: demonstrar os padrões formados por fibras de ferro-( (ferromagnético) sob um campo magnético e medir as propriedades elásticas e/ou plásticas de alguns metais. Introdução teórica: Fibras de ferro-( possuem propriedades magnéticas e se alinham sob influência de campos magnéticos fortes. Este efeito pode ser usado para observar a forma do campo magnético. Um efeito similar ocorre junto aos campos elétricos criados por altas voltagens e pela eletricidade estática. Estrutura e magnetismo: nas condições ambientais, o ferro puro sob a forma cúbica de corpo centrado (BCC) é ferromagnético, isto é, pode ser magnetizado e é fortemente atraído por imãs. Este comportamento se mantém até cerca de 770 oC. Na segunda parte deste experimento vamos medir a resistência à tensão do metal Cobre. Fios de mesmo diâmetro, mas de metais diferentes, suportam cargas diferentes antes de atingirem o ponto em que se comportamento é alterado de uma deformação elástica para uma deformação plástica. Na deformação elástica, o corpo de prova readquire a sua forma original, quando a carga aplicada sobre ele é retirada. Na deformação plástica, ocorre uma deformação permanente ou até a ruptura do corpo de prova. Na seleção de metais para diferentes aplicações é necessário conhecer a resistência à tensão do metal, de modo que seja evitada a ruptura do material durante o uso. 2 Materiais e reagentes: Óleo mineral (Nujol) 03 amostras de 15 cm de fio com ( de ~3 mm 01 frasco de vidro incolor 100 mL com tampa de pressão de metal cobre 01 régua de 30 cm Bom-bril ou outra lã de aço bem fina 01 béquer de 1000 mL 01 tesoura 01 suporte universal 01 copo de poliestireno de 50 mL com quatro fios de nylon 01 garra para prender os metais 40 de pedaços de chumbo ou estanho (~5g cada) Papel de pesagem (15 x 15 cm) 01 pinça de metal 02 ímãs de cerca de 3 a 5 cm de comprimento 01 bico de Bunsen e fósforos 01 alicate pequeno Procedimento experimental: 1a. Parte: Observando padrões em um campo magnético Retirar uma parte de um “bom-bril” e desenrole a lã de aço. Utilizar uma tesoura para cortar a lã de aço, no sentido transversal às fibras, de modo a produzir pedaços bem pequenos (cerca de 2 mm de comprimento) de aço. Obter uma amostra com cerca de 0,25 g de pedacinhos de fibras de aço. Colocar os pedacinhos de fibras de aço no frasco de vidro de 100 mL com óleo mineral. Se for colocada uma quantidade muito grande de fibras, elas podem aglomerar e sedimentar muito rapidamente. Se for colocada uma quantidade muito pequena de fibras, será difícil observar o padrão formado pelo campo magnético. Fechar o frasco de óleo mineral e agitar o frasco, com movimentos de rotação do pulso (que funcionam melhor do que agitar para cima e para baixo). Enquanto as fibras ainda estão dispersas no óleo, segurar um ímã (na posição horizontal) perto de um dos lados do frasco e observar as pequenas fibras de aço (ver a Figura 6.1.a). Observação: Se as fibras ficarem aglomeradas junto à parede do frasco, isto significa que o imã está muito próximo do frasco, neste caso afastar o imã cerca de 1 a 2 cm do frasco. Desenhar um esquema representando o padrão formado. Agitar novamente o frasco e posicionar o ímã na posição vertical (Figura 6.1.b) Desenhar um esquema do padrão formado. Agitar novamente o frasco e posicionar dois ímãs nas posições indicadas pela Figura 6.1c. Desenhar um esquema do padrão formado. Agitar novamente o frasco e posicionar dois ímãs nas posições indicadas pela Figura 6.1d. Desenhar um esquema do padrão formado. Comparar os diferentes padrões observados. Figura 6.1 – Esquema representando a posição dos imãs junto à garrafa de óleo com as fibras de ferro. 2a. Parte: Estirando arames – determinação da curva de deformação versus carga Colocar cerca de 900 mL de água em um copo de béquer de 1000 mL, deixar o copo sobre a bancada, próximo ao bico de Bunsen. Ligar o bico de Bunsen e regular a chama. Com a pinça de metal, prender o primeiro fio de cobre e aquecer todo o seu comprimento na chama do bico de Bunsen. Imediatamente, mergulhar o fio de cobre na água do béquer, para resfriamento rápido. Repetir o processo de aquecimento com o segundo fio de cobre, porém colocar o fio de cobre sobre uma tela de amianto, para que o resfriamento seja mais lento. Após o resfriamento, identificar os três fios de cobre: não-tratado; temperado (resfriado em água) e recozido (resfriado ao ar). Atenção: Cuidado, o metal frio tem exatamente a mesma aparência do metal quente, mas o metal quente queima! Usando um alicate pequeno, dobrar a ponta de cada um dos fios, formando um pequeno “U”. Ajustar a garra no suporte universal e prender o fio de cobre não-tratado na posição horizontal. Ajustar a posição do fio de cobre na garra de modo que o comprimento do fio, depois da borda da garra e antes da ponta em “U”, seja de 10 cm (medir com a régua). Prender o copinho de polietileno, com o auxílio do suporte de linha de nylon, na extremidade em “U” do fio de cobre (Figura 6.2). Figura 6.2 – Esquema da montagem para a medida da curva de deformação versus carga dos metais.2 Usando novamente a régua, medir a altura da parte reta do fio de cobre até a bancada, esta será a altura de referência e será denominada de h0. Colocar, cuidadosamente, aproximadamente 4 de pedaços de chumbo (ou estanho) no interior do copo de poliestireno. Usando a régua, medir a distância entre a parte reta do fio de cobre não-tratado e a bancada. Registrar a massa de chumbo no copinho e a altura medida (hm). Segurar o copinho de poliestireno com a mão e verificar se a ponta do fio de cobre retorna a posição inicial. Continuar aumentando a massa no copinho de polietileno, medindo a distância entre a parte reta do fio de cobre e a superfície da bancada, registrando a massa e a altura medida e verificando se o fio de cobre não-tratado retorna à posição original. Quando o fio de cobre não retornar mais à sua posição original, o valor da massa adicionada no copinho corresponderá a Mc. Massas menores do que Mc ocasionam deformações elásticas no material, massas acima de Mc já causam deformações plásticas. Substituir o fio de cobre não-tratado pelo fio de cobre temperado (resfriado em água) e repetir as etapas (4) a (7). Substituir o fio de cobre temperado pelo fio de cobre recozido (resfriado ao ar) e repetir as etapas (4) a (7). Testar os fios de ferro com o mesmo procedimento usado para os fios de cobre. Resultados: 1a. Parte: Observando padrões em um campo magnético Padrão observado com um imã na horizontal Padrão observado com um imã na vertical Padrão observado com dois imãs na horizontal Padrão observado com dois imãs na vertical 2a. Parte: Estirando arames – determinação da curva de deformação versus carga Cobre Não-tratado Temperado (resfriado em água) Recozido (resfriado ao ar) Massa (g) Altura (cm) Comportamento Massa (g) Altura (cm) Comportamento Massa (g) Altura (cm) Comportamento 0 h0 = 0 h0 = 0 h0 = hm = hm = hm = Aço carbono Não-tratado Temperado (resfriado em água) Recozido (resfriado ao ar) Massa (g) Altura (cm) Comportamento Massa (g) Altura (cm) Comportamento Massa (g) Altura (cm) Comportamento 0 h0 = 0 h0 = 0 h0 = hm = hm = hm = Questões: Qual a influência dos tratamentos térmicos executados sobre a resistência à tensão dos materiais testados? O que acontece com os átomos do metal e com as ligações entre estes átomos, durante a deformação elástica e durante a deformação plástica? Referências bibliográficas: SITE do Institut für Allgemeine Physik, TU Wien na INTERNET. Brewer, J. “Materials Science and Technology Teacher's Workshop”. Materials Science and Engineering Department at the University of Illinois, Urbana/Champaign, USA. http://matse1.mse.uiuc.edu VAN VLACK, L.H. Princípios de Ciência e Tecnologia dos Materiais, 4 ed. , Rio de Janeiro: Campus, 1994 � EXPERIMENTO 07 - ESTUDO COMPARATIVO SOBRE A CORROSÃO DE AÇO CARBONO, ALUMÍNIO, COBRE E MAGNÉSIO Objetivo geral: observar o comportamento do aço carbono, isolado ou em presença de alumínio, cobre ou magnésio, em diferentes meios. Objetivos específicos: - identificar os meios corrosivos para o aço carbono. - verificar a influência da presença de outros metais no meio corrosivo sobre a corrosão do aço carbono. Assuntos envolvidos: metais, reações de oxi-redução; corrosão. Materiais e reagentes: 10 Tubos de ensaio 01 Pipeta volumétrica de 1 mL 10 pregos de aço carbono Água de torneira Fios de cobre Água destilada Placas finas de alumínio Solução de NaCl 1 g/L Pedaços de fita de magnésio Solução de H2SO4 2 g/L Lixa fina para metais Solução de NaOH 40 g/L Estante para tubos de ensaio Solução de K2CrO4 1 g/L Etiquetas Solução de ferricianeto de potássio 0,1 M Procedimento: 1. Numerar 10 tubos de ensaio e colocar, em cada um deles, 1 mL da solução de ferricianeto de potássio. A seguir, adicionar a cada um deles, cerca de 10 a 15 mL de um das soluções, conforme indicado na tabela abaixo. O volume da solução deve ser suficiente para cobrir todo o corpo de prova (prego). Importante: Somente colocar os corpos de prova nas soluções quando todos os corpos de prova estiverem prontos, isto é, ao final da etapa 4. 2. Lixar muito bem cada prego a ser utilizado. Lavar com água corrente e secar com papel absorvente. Observar e anotar detalhadamente a aparência do metal antes de inseri-lo na solução. 3. Lavar muito bem, com detergente e água corrente, cada corpo de prova de alumínio, magnésio e cobre a ser utilizado. Secar com papel absorvente. Observar e anotar detalhadamente a aparência do metal antes de montar o corpo de prova com o prego de ferro. 4. Montar os corpos de prova mistos, enrolando cuidadosamente os fios de cobre, a fita de magnésio ou a placa de alumínio em uma parte do prego. 5. Homogeneizar as soluções dos tubos de ensaio e inserir, cuidadosamente, um corpo de prova em cada tubo de ensaio, de acordo com a tabela abaixo. 6. Observar cada sistema durante cerca de 30 minutos, anotar as alterações sofridas pelo corpo de prova e, se for o caso, pela solução. � Resultados: Tubo Conteúdo do tubo de ensaio Corpo de prova Observações e reações de corrosão que ocorrem 01 Água destilada prego 02 Água torneira prego 03 NaCl 1 g/L prego 04 H2SO4 2 g/L prego 05 K2CrO4 1 g/L prego 06 NaOH 40 g/L prego 07 H2SO4 2 g/L prego entortado 08 H2SO4 2 g/L prego + fios de cobre 09 H2SO4 2 g/L prego + placa de alumínio 10 H2SO4 2 g/L prego + fita de magnésio Questões: 1. Escrever as suas observações sobre o comportamento do corpo de prova em cada solução. 2. Procurar na bibliografia, quais as reações químicas que acontecem em cada caso. 3. Escrever um resumo abordando o comportamento do aço carbono em soluções aquosas, na presença e na ausência de outros metais. 4. Discutir a importância (econômica, ambiental, no desempenho, etc.) do controle de corrosão em obras com grandes estruturas metálicas ou de concreto armado. Bibliografia: GENTIL, V. Corrosão. 3 ed. Rio de Janeiro, 1996. EXPERIMENTO 08 - RETICULAÇÃO DE MACROMOLÉCULAS E PROPRIEDADES DE POLÍMEROS Objetivo geral: explorar quais as alterações nas propriedades físicas dos polímeros, causadas pela reticulação das macromoléculas. Objetivos específicos: - reticular o poli(álcool vinílico) com borato de sódio e observar as propriedades do material obtido - reticular o poli(acetato de viníla) com borato de sódio e observar as propriedades do material obtido - realizar testes de queima e comportamento sob chama para identificação de polímeros Introdução Teórica: Polímeros com reticulação formada por ligações permanentes entre as cadeias poliméricas são chamados de plásticos termofixos. Estes plásticos permanecem como sólidos mesmo acima da temperatura de transição vítrea (Tg). Se as ligações entre as cadeias poliméricas são não-permanentes, ou apenas por forças de van der Waals, os polímeros são chamados de termoplásticos. Os elastômeros também apresentam ligações fracas entre as cadeias poliméricas, mas retornam ao seu formato original após serem torcidos, esticados ou comprimidos. Portanto, um elastômero apresenta propriedades elásticas, isto é, retoma a sua forma e tamanho originais após ter sido deformado. Exemplos de elastômeros são os atilhos de borracha, as luvas de látex natural e os pneus de carros. O poli(álcool vinílico), PVA, é utilizado na fabricação de sacos plásticos e frasco de vidro com tampas para detergentes em pó, sacos grandes para as roupas de algodão usadas em salas cirúrgicas ou vestimentas e roupas de cama usadas por pacientes de alas de isolamento em hospitais. O látex de poli(acetato de viníla), PVAc, é um dispersão aquosa de pequenas esferas de poli(acetato de viníla). As colas brancas domésticas e muitas tintas aquosas para pintura de alvenaria são à base de poli(acetato de viníla). A reticulação entre as cadeias de polímeros de diversas esferas de poli(acetato de viníla) com o borato de sódio cria ligações entre diferentes cadeias de polímero fracas e flexíveis, e o sólido obtido apresenta propriedades de um elastômero. Existem alguns testes qualitativos que podem ser utilizados para a identificação do tipo de polímero existente em uma amostra de plástico. Os mais comuns são os testes de queima e de comportamento sob chama. No teste de queima, uma amostra do polímero colocada em um tubo de ensaio é aquecida na chama de um bico de Bunsen. Os vapores ou gases liberados pela amostra podem ser ácidos, neutros ou básicos, e servem como indicação do tipo de polímero que está sendo testado, conforme a Tabela 1 abaixo. Tabela 1 - Classificação dos plásticos segundo os vapores liberados no teste de queima. Vapores ácidos (pH entre 0,5 e 4) Vapores básicos (pH entre 5,0 e 5,5) Vapores básicos (pH entre 8,0 e 9,5) Polímeros halogenados ésteres de polivinila Ésteres de celulose Polietileno tereftalato Novolacs Elastômeros de poliuretanas Resinas insaturadas de poliésteres Poliolefinas Poli(álcool vinílico) Polivinilacetais e éteres Poliestirenos Polioximetilenos Policarbonatos Poliuretanas lineares e reticuladas Silicones Resinas epoxídicas resinas fenólicas Poliamidas Polímeros ABS Poliacrilonitrila Resinas de fenol-cresol Resinas uréia-formaldeído Resinas amínicas O comportamento dos plásticos sob chama, com a indicação das famílias de polímeros está descrito na Tabela 2. Observe-se que esta classificação foi obtida a partir de amostras puras dos polímeros e que, portanto, podem existir desvios destes comportamentos. Por exemplo, se o plástico que estiver sendo testado for formulado com aditivos do tipo retardadores de chama, teremos dificuldades para observar a queima do material mesmo se ele for inflamável. Tabela 2 - Classificação dos plásticos segundo o comportamento sob chama. Flamabilidade Chama Odor dos vapores Material Não queima ------ ------ ------ mau-cheiro (HF) mau-cheiro (HF/HCl) ------- Politetrafluoretileno (Teflon) Politrifluorcloroetileno Silicones ou Poliamidas Difícil ignição, ignição se extingue quando a chama é removida luminosa, fuligem amarelo luminoso verde brilhante, fuligem amarelo, fumaça verde laranja, fumaça azul fenol, formaldeído amônia, aminas ácido clorídrico (HCl) ------- ------- queimado Resinas fenólicas Resinas amínicas Borracha clorada ou PVC ou Poli(cloreto de vinilideno) Policarbonatos Borracha de silicone Poliamidas Queima na chama, extingue lentamente ou não em todas as direções da chama amarelo brilhante, decompõe amarelo-laranja amarelo-laranja, fuligem amarelo, periferia azul amarelo, centro azul brilhante, fuligem fenol,papel queimado irritante borracha queimada aromático doce mau-cheiro(isocianato) parafina ------- fenol Laminado de resina fenólica Poli(álcool vinílico) Policloropreno Polietileno tereftalato Poliuretana Polietileno, polipropileno Resinas poliéster Resinas epóxi Ignição rápida, continua queimando após a remoção da chama brilhante, fuligem amarelo escuro, fuligem amarelo escuro, fuligem brilhante, centro azul azulado amarelo escuro verde claro, faísca amarelo-laranja brilhante, violento doce, gás natural ácido acético borracha queimada doce, fruta formaldeído ácido acético, butírico ácido acético papel queimado óxido de nitrogênio Poliestireno Poli(acetato de viníla) Borracha Polimetacrilato de metila Polioximetileno Acetobutirato de celulose Acetato de celulose Celulose Nitrato de celulose Materiais e reagentes: 02 copos descartáveis de café (200 mL) 01 espátula de metal 03 palitos de sorvete de madeira 02 tubos de ensaio 01 par de luvas descartáveis de látex 01 pinça de madeira 01 bagueta de vidro 50 mL de solução aquosa de álcool polivinílico 4% m/m 01 proveta de 100 mL 20 mL de cola plástica branca (látex de PVAc ~50% m/m) 01 pipeta graduada de 10 mL 20 ml de solução de borato de sódio 4% m/m 01 pêra de borracha Corantes alimentícios (verde, azul e vermelho) em pó 01 placa de Petri Papel de tornassol Álcool polivinílico P.A. Amostras de plásticos Procedimento: ATENÇÃO: O PVA, o PVAc e o bórax podem causar queimaduras nos olhos, as mãos devem ser lavadas cuidadosamente após o manuseio destes produtos. 1a. Parte: Reticulação do PVA 1. Adicionar, com o auxílio de uma proveta, 50 mL da solução 4% m/m de álcool polivinílico ao copo descartável de 200 mL. 2. Adicionar uma pequena quantidade (algumas gotas) da solução de corante alimentício na cor desejada à solução de álcool polivinílico e homogeneizar a mistura com o auxílio de um palito de sorvete de madeira. 3. Adicionar, com o auxílio de uma pipeta graduada e pêra, 5 mL de solução 4% m/m de borato de sódio (o agente de reticulação) e iniciar imediatamente a agitação da mistura com o palito de sorvete de madeira. 4. Anotar as alterações sofridas pela mistura a medida em que a reação de reticulação ocorre. 5. Após alguns minutos forma-se uma espécie de sólido gelatinoso. Retirar uma parte deste material do copo, usando o palito de sorvete de madeira e coloque sobre uma placa de Petri. 6. Uma porção do material pode ser manuseada (apertada, estirada, etc.). Anotar as suas observações sobre o comportamento do material. ATENÇÃO: segundo as boas práticas de laboratório, lavar as mãos com água e sabão após o manuseio do material. 7. Retirar uma segunda parte do sólido gelatinoso e colocar sobre uma folha de papel para secar. Identificar a sua amostra e observar as alterações sofridas pela amostra após a secagem ao ar (na próxima aula prática). Resultados: Etapa Observações Aspecto da solução 4% m/m de PVA Aspecto da solução de PVA após a adição do corante Aspecto da solução de PVA após a adição da solução de borato de sódio Comportamento do PVA reticulado ao ser estirado lentamente Comportamento do PVA reticulado ao ser estirado rapidamente Aspecto do PVA reticulado após a secagem ao ar durante ~24 h 2a. Parte: Reticulação do PVAc 1. Solicitar ao professor a adição de cerca de 20 mL do látex de poli(acetato de viníla) ao copo descartável de 200 mL. 2. Adicionar uma pequena quantidade (algumas gotas) da solução de corante alimentício ao látex de poli(acetato de viníla) e homogeneizar a mistura com o auxílio de um palito de sorvete de madeira. 3. Adicionar, com o auxílio de uma pipeta graduada e pêra, 10 mL de solução 4% m/m de borato de sódio (o agente de reticulação) e iniciar imediatamente a agitação da mistura com o palito de sorvete de madeira. 4. Anotar as alterações sofridas pela mistura a medida em que a reação de reticulação ocorre. 5. Após alguns minutos forma-se uma espécie de sólido borrachudo. Retirar o material do copo, usando o palito de sorvete de madeira e tentar formar uma bola com o produto de reação. Se for necessário, colocar mais algumas gotas da solução de borato de sódio sobre a superfície do sólido borrachudo, para facilitar a formação da bola. ATENÇÃO: Não se preocupar se uma parte do material colar nas mãos, continuar trabalhando o material para formar uma bola e os pedaços pequenos tenderão a colar na bola de PVAc. Continuar trabalhando o material até obter uma consistência firme. 6. Se for possível formar uma bola com o produto da reticulação, medir uma altura de 30 cm (com uma régua) e deixar a bola de PVAc cair. Medir a altura que a bola atinge ao retornar. 7. Esticar lentamente, comprimir e, finalmente, esticar rapidamente a bola de PVAc. Anotar as suas observações sobre o comportamento do material. 8. Colocar a bola de PVAc entre dois pedaços de jornal e comprimir firmemente o material. Remover a bola e anotar as modificações sofridas pelo material. ATENÇÃO: segundo as boas práticas de laboratório, lave as mãos com água e sabão após o manuseio do material. Resultados: Etapa Observações Aspecto do látex ~50% m/m de PVAc Aspecto do látex de PVAc após a adição do corante Altura que a bola de PVAc sobre após ser lançada de 30 cm Comportamento do PVAc reticulado ao ser estirado lentamente Comportamento do PVAc reticulado ao ser estirado rapidamente Aspecto do PVAc reticulado após a secagem com o jornal Questões: 1. Quais são as propriedades físicas do álcool polivinílico (PVA) que mudam após a adição do borato de sódio? 2. Qual seria o efeito esperado se fosse feita a adição de uma maior quantidade de borato de sódio à solução de PVA? 3. Observando o comportamento da amostra após a secagem, qual o efeito da água sobre a elasticidade do polímero? O que é elasticidade? 4. Encontrar e marcar com um círculo vermelho qual o monômero da cadeia polimérica e com um círculo preto qual o agente de reticulação (bórax) no desenho apresentado abaixo. 5. Quais são as propriedades físicas do látex de poli(acetato de viníla) (PVAc), uma mistura aquosa, que mudam após a adição do borato de sódio? 6. Qual seria o efeito esperado se fosse feita a adição de uma maior quantidade de borato de sódio ao látex de PVAc? 7. Qual a razão entre a altura que a bola foi lançada e a altura que a bola subiu? 8. Comparar as propriedades de resistência ao estiramento rápido e lento e de resistência à compressão do PVA com as do PVAc reticulado. 9. Listar algumas aplicações de materiais poliméricos em geral e em engenharia, quais os problemas ambientais associados ao uso intensivo de plásticos? Quais as possíveis soluções para estes problemas? Bibliografia: MANO, E.B.; MENDES, L.C. Introdução a Polímeros. São Paulo: Edgar Blücher, 1999, 191 p. � EXPERIMENTO 9 - TESTES EM TINTAS DE BASE AQUOSA Objetivos geral: Determinar as propriedades de componentes, da tinta e de filmes secos de tinta de base aquosa. Objetivos específicos: - observar as partículas de um pigmento e/ou carga por microscopia ótica. - avaliar o valor de absorção de óleo de um pigmento e/ou uma carga. - avaliar a densidade da tinta em peso/galão. - preparar os filmes de tinta. - avaliar a opacidade, a aderência e a resistência à água de um filme de tinta. Introdução Teórica: Qualquer camada de tinta aplicada sobre um substrato, para que possa atingir completamente as suas duas funções específicas, proteção e estética, deve apresentar um alto grau de tecnologia, obtido através de um desenvolvimento correto e de uma contínua avaliação de seus componentes, e de suas propriedades de desempenho e aplicação. A tinta é composta basicamente de uma parte volátil (os solventes, inclusive a água), e de uma parte sólida (pigmentos, cargas, corantes e resinas) que permanecem formando o filme de tinta após a aplicação. Os componentes de cada uma destas parte têm suas atribuições específicas. Assim, os pigmentos, geralmente insolúveis no solvente, são responsáveis pela opacidade e, juntamente com os corantes, pela coloração do filmes de tinta. As cargas são aditivos para melhorar a distribuição do pigmento e as condições de aplicação ou, ainda, para baratear o custo de uma determinada formulação de tinta. As resinas conferem as propriedades de brilho, rigidez e resistência mecânica e química às películas (filmes) de tinta, funcionando também com o agregante das cargas e pigmentos. Os solventes são usados para alterar propriedades físico-químicas da tinta, como a viscosidade, o tempo de secagem e a aplicação. As propriedades de aparência de um filme de tinta estão relacionadas a suas característica ópticas, que influem mais na função estética. A aparência de um filme de tinta geralmente é conferida pelos pigmentos, corantes e pela própria resina utilizada na formulação e compreende aspectos como: cor, refletância, brilho, opacidade e transparência e o poder de cobertura. As propriedades físico-químicas de uma tinta estão intimamente à formação e ao desempenho da película, sendo influenciadas principalmente pelo tipo e quantidade de resina utilizada na formulação, e compreendem: dureza, espessura, permeabilidade, tempo de secagem, poder de adesão, resistência à abrasão, resistência a produtos químicos e a ação das intempéries. Finalmente, as propriedades reológicas da tinta estão ligadas a sua estabilidade (na embalagem), a sua aplicabilidade e dependem do solvente, dos tensoativos e cargas utilizados na formulação. Materiais e reagentes: 01 vidro de relógio grande (( ~ 15 cm) 01 placa de vidro (15 x 15 x 0,5 cm) 01 espátula de metal 04 tiras de Contact (15 x 1 cm) 01 estilete 01 lâmina e lamínula de vidro 01 bacia com água 01 copo de béquer de 50 mL Cartolina preta 01 bureta de 25 mL Tinta branca à base de látex de PVAc Balança de precisão Óleo de linhaça Suporte universal e garra Óxido de ferro vermelho / Caulim Instruções de segurança e de limpeza: 1. Utilizar o avental e os óculos de segurança durante a execução de todo o experimento. 2. Em caso de contato com a tinta, lavar as mãos com bastante água e detergente. 3. Qualquer derramamento de tinta, deve ser limpo imediatamente com um pano úmido. ATENÇÂO: A tinta úmida sai facilmente, enquanto a tinta seca é muito difícil de remover. 4. Ao final da aula, deixar a bancada e os materiais utilizados limpos (como foram encontrados). Procedimento: 1a. Parte: Preparação dos filmes de tinta Na bancada de trabalho, colocar uma placa de vidro de 15x 15 x 0,5 cm, lavada e seca, sobre uma folha de jornal. Fixar uma tira de Contact (1 x 15 cm) a cerca de 2,5 cm da extremidade esquerda da placa de vidro. Fixar uma segunda tira de Contact sobre a tira de Contact da extremidade esquerda da placa. Repetir o processo com mais duas tiras de Contact a 2,5 cm da extremidade direita da placa de vidro (ver Figura 9.1 abaixo). Figura 9.1 – Esquema representando a posição das guias de Contact sobre a placa de vidro. 2. Colocar uma pequena quantidade de tinta na parte superior da placa, entre as duas guias de contact e, com o auxílio de uma bagueta de vidro, espalhar a tinta para a formação de um filme (ver Figura 9.2 abaixo). Importante: puxar a bagueta uma única vez na direção indicada. Figura 9.2 – Esquema para a preparação dos filmes de tinta. 3. Deixar o filme de tinta secando na estufa a ~60oC, enquanto os outros experimentos desta aula estão sendo realizados. 2a.Parte: Determinar a densidade de uma tinta e expressá-la em massa/galão. 1. Pesar um copo de béquer limpo e seco de 50 mL, utilizando a balança de precisão. 2. Cuidadosamente, adicionar a tinta ao copo até completar a marca de 40 mL. Pesar novamente o copo de béquer com a amostra de tinta. 3. Calcular a densidade da tinta em gramas/mL. Calcular a densidade da tinta em kg/galão. Observação: um galão contém 3,6 litros. 3.a Parte: Avaliação da aderência, opacidade e resistência à água de um filme de tinta. Aderência 1. Cuidadosamente, com o auxílio de um estilete, desenhar uma grade quadrada com 06 traços verticais e 06 traços horizontais, espaçados de 2 mm entre si, sobre a parte superior do filme de tinta. Evitar riscar o vidro com o estilete, apenas o filme de tinta deverá ser cortado. Deverá ser formada uma grade com aproximadamente 1,2 x 1, 2 cm. Contar o número de quadrados formados pela grade. 2. Fixar uma fita de Contact sobre a grade traçada no filme de tinta, deixando uma das pontas da fita de Contact livre. Após cerca de 2 minutos, levantar e puxar a ponta da fita de Contact, de forma que ela descole do filme (ver Figura 9.3 apresentada a seguir). Figura 9.3 – Preparação das grades e posição do Contact para o teste de aderência. 3. Contar o número de quadrados da grade que descolaram com a fita de Contact. Classificar a aderência do filme de tinta sobre o vidro de acordo com a Tabela 1, apresentada a seguir. Tabela 1 – Classificação da aderência de um filme de tinta em função da área afetada do teste. % da área afetada pelo teste Resultado de aderência 0 5B 0 < % < 5 4B 5 < % < 15 3B 15 < % < 35 2B 35 < % < 65 1B 65 < % 0B Opacidade 1. Colocar a placa de vidro com o filme de tinta seco sobre uma folha branca de papel, parcialmente coberta com uma cartolina preta. 2. Observar se o filme de tinta é capaz de "esconder" a cartolina preta. 3. Repetir este teste com os seguintes filmes padrões (que se encontram prontos na bancada): (a) um filme de resina pura (poli(acetato de viníla); (b) um filme de poli(acetato de viníla) + corante orgânico; (c) um filme de poli(acetato de viníla) + caulim e (d) um filme de poli(acetato de viníla) + dióxido de titânio. 4. Classificar a opacidade do filme de tinta testado no item (2) com relação aos filmes padrões testados no item (3): identificar com qual padrão o filme de tinta se parece. Resistência à água 1. Colocar a placa de vidro em uma bacia com água de modo a cobrir cerca de 5 com da parte inferior da amostra. 2. Aguardar cerca de 15 a 20 minutos, e observar se ocorre alguma alteração com o filme de tinta após a imersão em água. Registrar os resultados obtidos. Questões: 1. Faça um resumo dos resultados obtidos nos testes realizados em aula. 2. Consulte as normas da ABNT e ASTM sobre a determinação da aderência de um filme de tinta ao substrato. Comente as diferenças entre as normas e as adaptações que foram feitas nos procedimentos para a utilização na aula prática. 3. Como são feitos os testes de estabilidade em tintas e de resistência às intempéries em filmes de tintas. Discuta por que estes testes são importantes no desenvolvimento de uma formulação de tintas. Bibliografia: FAZANO, C.A. Tintas – Métodos de Controle de Pinturas e Superfícies. São Paulo: Hemus, s.d., 287 p. � EXPERIMENTO 10 – VIDROS: PROPRIEDADES ELÉTRICAS, ÓPTICAS E QUÍMICAS Objetivos específicos: sintetizar um vidro à “baixa” temperatura, manipular amostras de vidro em bico de Bunsen, utilizar um tubo de vidro para conduzir um feixe luminoso, medir a resistividade elétrica de um vidro em função da temperatura e determinar a basicidade (e composição) de um vidro, por titulação ácido-base. Introdução teórica: Vidros são materiais cerâmicos amorfos. Esse estado amorfo da matéria ocorre quando uma substância não possui tempo suficiente para cristalizar. Os vidros são normalmente obtidos pelo resfriamento rápido de um material fundido, e os átomos não possuem tempo suficiente para se mover para determinadas posições nas quais formariam um material cristalino. Dessa forma, o vidro pode ser considerado como uma estrutura desorganizada. Uma das características mais notáveis do vidro é sua passagem do estado sólido para o líquido. Diferentemente dos cristais, que se fundem abruptamente, numa temperatura precisa (temperatura de fusão = Tf), os vidros sofrem uma transição gradual. Entre a Tf (temperatura de fusão) e a Tg (temperatura de transição vítrea), a substância é considerada como um líquido super-resfriado. Quando a temperatura do vidro está entre Tg e Tf, ele pode ser moldado.1 Figura 10.1 – Gráfico da variação de volume versus temperatura durante o resfriamento de um vidro e de um sólido cristalino.1 A principal vantagem no processo da formação de um vidro é o fato de que ele permanece como uma única peça, com uma estrutura molecular contínua, sem interfaces internas (sem grãos e contornos de grãos). Este é o motivo pelo qual as fibras ópticas são feitas de vidro. Não há espalhamento de luz nos contornos de grãos (por que eles não existem!).1 Alguns vidros possuem propriedades ópticas não-lineares, que poderiam ser utilizadas no desenvolvimento de computadores “ópticos”. Os vidros também podem ser dopados com metais de transição, adquirindo propriedades semicondutoras. Essas propriedades podem ser alteradas pela aplicação de campos elétricos, permitindo que esses materiais sejam utilizados no armazenamento de informação. Vidros deste tipo são utilizados nos cilindros das impressoras a laser e das máquinas de xerox. Alguns vidros possuem alta condutividade iônica, podendo ser utilizados como eletrólitos em baterias ou sensores (ex: pHmetro).1 O vidro é um produto resultante da mistura de óxidos inorgânicos não voláteis, provenientes da decomposição e fusão de compostos alcalinos terrosos, areia e outros, dando origem a uma mistura vítrea. A areia, utilizada como fonte de silício possui um elevado ponto de fusão. Para diminuir a temperatura do preparo de certos vidros (ENERGIA = $), adiciona-se uma mistura de Na2O (óxido de sódio), Na2CO3 (carbonato de sódio) e CaCO3 (carbonato de cálcio). Esses aditivos conferem uma característica alcalina (básica) aos vidros. Alguns dados sobre a composição de vidros podem ser obtidos de forma simples e rápida. Assim, embora o vidro seja praticamente insolúvel, é ligeiramente solúvel em água, tanto que, se mantido em contato prolongado com a água, esta se torna ligeiramente alcalina e deixa um resíduo mineral quando evaporada. De forma semelhante atuam os ácidos sobre o vidro, com exceção do ácido fluorídrico. Enquanto a ação da água e de ácidos é desprezível, bases fortes atacam os vidros de forma acentuada, devido à predominância de SiO2 em sua composição.1 Outros aditivos que podem ser adicionados ao vidro são o PbO (óxido de chumbo), que origina os vidros de chumbo e o Na2B4O7·10 H2O (óxido de boro ou bórax), que forma os vidros de borossilicato. O bórax é um mineral de ocorrência natural, quimicamente um óxido hidratado de boro. Por aquecimento, o bórax perde a água de hidratação e o sódio, o boro e o oxigênio formam um vidro incolor. Na presença de alguns íons metálicos, como o cobalto e o níquel, o vidro de bórax adquire a cor dos óxidos daqueles metais. O vidro de bórax é instável, tendendo a absorver a umidade do ar e retornar a forma de material hidratado e opaco.1 Uma fibra óptica é composta de um núcleo de vidro de alta pureza recoberto por uma camada com um índice de refração menor do que o do vidro, geralmente um polímero. O índice de refração é a medida da quantidade do desvio que a luz sofre ao sair, ou entrar, no material. Quanto maior a diferença entre os índices de refração do revestimento da fibra e do núcleo, mais a luz é refletida no interior do núcleo. A maioria dos sistemas que trabalham com fibras ópticas utiliza um LASER como fonte de luz, não só pela coerência do feixe luminoso mas, também, pelo fato de que ele pode ser controlado por pulsos de alta freqüência. Assim, os pulsos luminosos enviados de uma extremidade da fibra de um cabo óptico (conjunto de fibras) podem ser recebidos e decodificados na outra extremidade da fibra para recuperar a informação original.1 Figura 10.2 – Esquema representando uma fibra óptica e a propagação da luz no interior da fibra.1 É possível observar aproximadamente o comportamento de uma fibra óptica, mesmo se utilizando um tubo de vidro. Como o vidro é um material não cristalino, não apresenta contornos de grãos para interferir com a passagem dos fótons do feixe luminoso. Se as ondas luminosas atingirem as paredes do tubo de vidro em um ângulo inferior ao ângulo crítico (o maior ângulo que permite a transmissão da luz no interior de uma fibra ou tubo), a maior parte da luz será refletida pelas paredes do tubo e pode ser recuperada na outra extremidade do tubo, da mesma forma que na fibra óptica. Materiais e reagentes: 01 alça de Ni/Cr 01 tubo de cartolina (adaptador entre a rolha e a lanterna) 01 bico de Bunsen 01 béquer de 100 mL Fósforos 01 balão de fundo redondo 02 tubos de vidro 01 condensador com mangueiras 01 espátula 01 garra e suporte universal luvas de amianto 01 bureta de 25 mL 01 manta de aquecimento Solução de HCl 0,01 M 01 rolha de borracha furada Fenolftaleína 01 lanterna pequena tetraborato de sódio Solução de sulfato de cobre (II) 1 M Procedimento experimental: 1a. Parte: Síntese de vidro de Bórax 1. Mergulhar um fio de Ni-Cr aquecido, contendo uma argola na extremidade, em um frasco contendo tetraborato de sódio (bórax). 2. Aquecer este fio no bico de Bunsen e observar a formação do vidro (cor, maleabilidade, resistência mecânica). 3. Repetir o procedimento e ao final mergulhar o fio com o vidro obtido em uma solução de CuSO4 e levar novamente o metal à chama. 4. Observar a coloração da chama e do vidro obtido. 5. Avaliar a estabilidade deste vidro deixando uma amostra mergulhada em um béquer com água por uma semana. 2a. Parte: Manipulação de vidro e transporte de luz por um tubo de vidro 1. Aquecer a parte central de um bastão de vidro no Bico de Bunsen, fazendo-se movimento giratório para homogeneizar o aquecimento. Quando o vidro atinge a Tg, este passa a ser maleável. Neste ponto, entortar lentamente o tubo de vidro, formando um “loop” (Figura 10.3) ATENÇÃO: cuidado com o vidro quente, que pode causar queimaduras. Figura 10.3 – Esquema mostrando o “loop” de vidro com a rolha.1 Esperar o vidro esfriar até a temperatura ambiente e inserir uma rolha de borracha em uma das extremidades do tubo. Encaixar a rolha em uma das extremidades de um tubo de cartolina e uma lanterna na outra. Acender a lanterna, observar e registrar o comportamento da luz no interior do tubo de vidro. Resultados: 1a. Parte: Síntese de vidro de Bórax Aspecto do vidro de bórax Cor do vidro após a adição de CuSO4 Resistência à água do vidro de bórax 2a. Parte: Manipulação de vidro e transporte de luz por um tubo de vidro Comportamento da luz no interior e na ponteira do tubo de vidro Questões: 1. O vidro de bórax obtido é similar ao vidro de uma janela? 2. Fazer o gráfico da resistência elétrica do vidro versus tempo de aquecimento. 3. Por que os vidreiros gostam do Vidro Pyrex( 4. Por que o vidro torna-se maleável, com o aquecimento, e não se funde abruptamente, tornando-se um líquido? 5. Por que é necessário preparar um “loop” de vidro com um raio mínimo de curvatura de 2 cm? Referências bibliográficas: 1. Brewer, J. “Materials Science and Technology Teacher's Workshop”. Materials Science and Engineering Department at the University of Illinois, Urbana/Champaign, USA. http://matse1.mse.uiuc.edu � EXPERIMENTO 11 - CIMENTO E CONCRETO Objetivos gerais: -trabalhar com cimento e concreto Objetivos específicos: - verificar a viabilidade de uso de uma carga pelo teste de lodo - verificar a influência do tipo de carga sobre a trabalhabilidade do concreto - verificar a variação de temperatura durante o processo de cura do concreto - verificar a variação de pH causada pela reação do cimento com a água - verificar a densidade do concreto preparado com diversas cargas Materiais e reagentes: 02 frascos de vidro com tampa rosqueada 01 espátula 02 copos plásticos descartáveis (200 mL) 01 termômetro 01 garrafa plástica de 1000 mL cortada Folhas de jornal velho 01 copo de béquer de 1000 mL Areia grossa e cascalho fino 01 proveta de 1000 mL Pedra calcária fina 01 placa de Petri 300 g cimento 03 palitos de sorvete de madeira 03 g CaCl2 sólido 01 tira de filme de PVC Solução de fenolftaleína Procedimento: ATENÇÃO: Usar o avental e os óculos de segurança durante toda a execução dos experimentos. O cimento e o concreto podem causar queimaduras nos olhos, as mãos devem ser lavadas cuidadosamente após o manuseio destes produtos. 1a. parte - Teste de lodo 1. Colocar um volume de areia (carga) no frasco de vidro com tampa de modo que a altura da camada seja de aproximadamente 5 cm. 2. Adicionar água ao frasco de vidro com tampa, de modo que a altura do líquido fique 2 cm acima do nível superior da camada de areia. 3. Tampar o frasco e agitar vigorosamente a mistura por 1 minuto. Ao final da agitação, fazer alguns movimentos circulares com o frasco, de forma a nivelar a camada da areia. 4. Manter o frasco em repouso por 1 hora, ou até que o líquido acima da camada de areia esteja límpido. 5. Medir a altura da camada turva de líquido, se existir, imediatamente acima da camada de areia. Se esta camada for mais espessa do que 3 mm, o agregado não é apropriado para a utilização na preparação concreto na forma em que se encontra e deve ser lavado antes da sua utilização (Figura 11.1). Figura 11.1 – Medida da altura de lodo sobre a areia para preparação de concreto. 2a. parte - pH do cimento 1. Colocar água destilada em uma placa de Petri até a metade de sua altura total. Colocar uma gota de indicador fenolftaleína na água e misture. Se a solução não ficar incolor, colocar gota a gota uma de solução de ácido clorídrico 1:10, até obter uma solução incolor. 2. Colocar a placa de Petri sobre um suporte e colocar uma espátula cheia de cimento no centro da placa de Petri, sem agitar. Observar e registrar as mudanças na coloração da solução. Qual o caráter ácido-base? 3a. parte - Medida da densidade do concreto Densidade é a propriedade física da matéria que mede a quantidade de substância por unidade de volume. A densidade é comumente expressa em unidades de gramas por centímetro cúbico (g/cm3) para sólidos, gramas por mililitro (g/mL) para líquidos e gramas por litro (g/L) para gases. A densidade é uma forma de comparar quanto uma substância é mais ou menos compacta em relação à outra. Esta propriedade determina, por exemplo, se um sólido vai flutuar ou afundar em um líquido. A densidade de um concreto típico é de cerca de 2,3 g/cm3, enquanto a densidade da água é de 1,0 g/cm3. 1. Os corpos de prova a serem utilizados na determinação da densidade do concreto são cilindros de 2" x 3" previamente preparados, a partir de misturas de cimento, água e as cargas indicadas: No. do corpo de prova 1 2 3 4 carga areia brita Vermiculita expandida Areia + brita 2. Segurar cada um dos corpos de prova com a mão e estimar qual deles apresenta a maior e que apresenta a menor densidade. Registrar as suas observações. 3. Utilizando uma régua, medir as dimensões do corpo de prova e calcular o volume aproximado de cada um deles. Registrar os volumes. 4. Utilizando a balança de precisão, determinar e anotar a massa de cada corpo de prova. Fazer o primeiro cálculo de densidade, dividindo a massa determinada pelo volumes calculado de cada corpo de prova. 5. Colocar cerca de 200 mL de água na proveta de 1000 mL. Registrar exatamente qual o volume inicial de água existente na proveta. 6. Inclinar a proveta e cuidadosamente inserir o corpo do prova no. 1 na mesma. ATENÇÃO: cuidado para não espirrar a água e não quebrar a proveta. Deixar o corpo de prova de concreto escorregar até o fundo da proveta e, depois, colocar a mesma novamente na posição vertical. 7. Registrar o volume final de água no interior da proveta. Subtrair o volume inicial de água do volume final de água para obter o volume exato correspondente ao corpo de prova de concreto. 8. Retirar o corpo de prova da proveta. 9. Repetir os passos (4) a (7) com os outros três corpos de prova. 10. Calcular a densidade de cada corpo de prova dividindo a massa determinada do corpo de prova pelo volume ocupado por ele. Resultados: Estimativas: corpo de prova mais denso:______________ corpo de prova menos denso: _______________ No. corpo de prova 1 2 3 4 Carga do concreto Massa do corpo de prova (g) Volume calculado do corpo de prova (cm3) Densidade calculada do corpo de prova (g/cm3) Volume inicial de água (mL) Volume final de água (mL) Volume do corpo de prova (mL) Densidade do corpo de prova (g/mL) ANEXO I: MODELO DE RELATÓRIO DE AULAS PRÁTICAS Pontifícia Universidade Católica de Campinas CEATEC – Faculdade de Engenharia Ambiental Disciplina:___________________________________ Prática(s): ___________________________________ Data da entrega do relatório: ___________________ TÍTULO DO RELATÓRIO Componentes do grupo Nome:_________________________________ R.A.: ________________ Nome:_________________________________ R.A.: ________________ Nome:_________________________________ R.A.: ________________ � MEDIDA DA PROPRIEDADE “P” INTRODUÇÃO A introdução do relatório deve fornecer clara e brevemente (no máximo duas ou três páginas), com a devida indicação das referências bibliográficas consultadas e relevantes, qual a natureza do problema que está sendo investigado e como este problema está relacionado com a parte teórica da disciplina. Além disto, é interessante que exista uma indicação das possíveis relações do problema investigado com suas possíveis aplicações nas atividades profissionais de um Engenheiro Ambiental. As referências bibliográficas deverão ser inseridas, ao longo do texto, por números sobrescritos, na ordem em que aparecerem no texto e em que serão listadas no final do relatório. EXEMPLO Os compostos químicos puros podem apresentar-se em diferentes estados físicos, de acordo com a temperatura e a pressão do sistema 1. Por exemplo, na pressão de uma atmosfera, a água (H2O) pode ser encontrada sob a forma sólida (gelo) em temperaturas abaixo de 4oC, sob a forma líquida até cerca de 100oC, sob a forma de vapor em equilíbrio com o sólido ou líquido ou, ainda, sob a forma de gás em temperaturas acima de 100 oC 2. Quando consideramos um composto químico que se encontra na fase líquida, uma das suas propriedades físicas mais importantes é a propriedade “P”. A propriedade “P” é o resultado macroscópico das interações de atração e de repulsão entre as moléculas do líquido considerado. Considerando-se uma mesma temperatura, para líquidos com moléculas muito polares, como a água, que estão sujeitos a forças de atração entre os dipolos orientados espacialmente, a propriedade “P” apresenta valores elevados. Já os líquidos apolares, em que a força de atração entre as moléculas é resultado apenas de forças de van der Waals, os valores da propriedade “P” são significativamente menores. Espera-se que, com um aumento de temperatura do sistema, a movimentação das moléculas no interior do líquido também aumente. Isto aumenta a distância média entre as moléculas, o que faz com que as interações físicas entre elas, seja diminuída 3. O valor da propriedade “P” de um determinado líquido define, por exemplo, qual o equipamento adequado para executar uma operação de mistura com este líquido. Operações de mistura são fundamentais na preparação de soluções ou formulações e, também, durante a realização de reações químicas em que o líquido seja um dos reagentes ou o meio de reação 4. OBJETIVOS Indicar, com clareza, quais os objetivos a serem atingidos com a realização do experimento proposto para a aula prática a que se refere o relatório. EXEMPLO O objetivo do trabalho foi à realização medida da variação da propriedade “P” com a temperatura em duas amostras de líquidos, utilizando-se a técnica XXX e o equipamento YYY. METODOLOGIA OU PARTE EXPERIMENTAL Esta parte do relatório deve apresentar uma descrição dos experimentos, de modo que um técnico experiente tenha informações suficientes reproduzi-los. Os materiais utilizados e seus graus de pureza devem ser descritos. As técnicas e métodos padrão utilizados durante os experimentos devem ser indicadas. No caso de utilização de equipamentos ou instrumentos comerciais, apenas devem ser indicados o tipo, fabricante e modelo do equipamento ou instrumento utilizado. Os programas de computador utilizados também deverão ser mencionados. É importante esclarecer que a parte experimental NÃO deve ser uma cópia do procedimento experimental da aula prática proposto pelo professor. EXEMPLO A determinação da propriedade “P” em várias temperaturas foi realizada sobre amostras de Líquido 1 (P.A.; 99,6%; NUCLEAR QUÍMICA) e de Líquido 2 (Comercial; 88%; VETEC). Os dois líquidos foram utilizados sem qualquer tratamento ou purificação prévios. As medidas foram executadas com o equipamento ZZZZ (modelo 085, INSTRUMENTOS CIENTÍFICOS) mantendo-se o porta-amostras termostatizado, na temperatura desejada por 15 min para a estabilização do sistema, antes da realização de cada leitura. Durante a execução dos experimentos, as amostras foram mantidas na temperatura desejada, por imersão em um banho termostático (modelo BZ35; FIZATON). Os resultados, em cada temperatura, correspondem à média dos valores de três medidas independentes. Os graus de pureza dos líquidos 1 e 2 foram obtidos por volumetria de neutralização, utilizando-se XX g de amostra e uma solução aquosa de ácido clorídrico 0,1996 M e 3 gotas de alaranjado de metila como indicador. O tratamento matemático dos dados experimentais foi realizado utilizando-se a planilha eletrônica Microsoft Excel 7.0. RESULTADOS E DISCUSSÃO Esta seção do relatório deve apresentar os resultados efetivamente obtidos durante a execução da aula prática. Além disto, o significado dos resultados apresentados devem ser discutidos de acordo com a fundamentação teórica apresentada na Introdução. Os resultados, sempre que possível, devem ser apresentados de forma sistemática, sob a forma de gráficos ou tabelas, devidamente identificadas. EXEMPLO Os resultados experimentais das medidas da propriedade “P”, em diversas temperaturas, em amostras dos líquidos 1 e 2, estão apresentados na Tabela 1. Como se pode observar na Tabela 1, o decréscimo da propriedade “P” dos líquidos 1 e 2 é proporcional ao aumento da temperatura do sistema. Porém, o decréscimo na propriedade “P”, para um mesmo intervalo de temperatura, é significativamente maior no caso do líquido 1. No caso do líquido 1, aumentar a temperatura em 50 K faz com que o valor da propriedade “P” seja dividido por um fator de 6. Já para o líquido 2, com o mesmo aumento de temperatura, este fator é de três. Precisamos levar em conta, ao analisarmos estas diferenças, que a amostra do líquido 2 contém cerca de 12% de impurezas (produto comercial) e os resultados para o líquido 2 puro provavelmente serão diferentes. Porém a análise do produto comercial se justifica pelo fato de que é sob esta forma que o mesmo será utilizado na maioria das aplicações industriais. Tabela I - Resultados da determinação da Propriedade “P” em diferentes temperaturas. Amostra Líquido 1 Líquido 2 Temperatura (K) Propriedade “P” (unidades) Propriedade “P” (unidades) 298 120 55 308 104 46 318 80 40 328 62 33 338 38 25 348 20 18 Mesmo levando em conta as impurezas presentes, a variação menor da propriedade “P” com a temperatura, no caso do líquido 2, pode ser entendida se considerarmos que o líquido 2 possui moléculas com um maior número de átomos e, portanto, com maiores dimensões do que as do líquido 1 4. Aumentar o movimento destas moléculas maiores, a ponto de modificar a propriedade “P”, deve requerer uma temperatura mais elevada do que no caso de moléculas pequenas. Gráfico 1 - Variação da propriedade “P” com a temperatura. Além disto, estes resultados nos mostram que podemos ajustar o valor da propriedade “P”, modificando a temperatura do sistema, com uma faixa maior de trabalho no caso do líquido 1. Uma vez que a variação da propriedade “P” é linear com a temperatura, para os dois líquidos estudados, é possível obter uma equação matemática simples, que descreve o comportamento dos sistemas na faixa de temperatura estudada. Para temperaturas entre 298 e 348 K, podemos usar as seguintes equações: Líquido 1 ( P(T) = 731,4 - 2,05 ( T (Eq. 1) Líquido 2 ( P(T) = 271,5 - 0,73 ( T (Eq. 2) onde T é a temperatura do sistema em graus K. Certamente, estas equações poderão ser utilizadas na estimativa do valor da propriedade “P” em temperaturas próximas dos limites inferior e superior do intervalo de temperatura utilizado nas medidas, isto é, um pouco abaixo de 298 K e um pouco acima de 300 K. Porém, para temperaturas muito diferentes destas, poderão ocorrer desvios de comportamento da propriedade não previstos e o uso destas equações não é recomendado. CONCLUSÕES A parte final do relatório deve apresentar resumidamente quais as principais conclusões que podem ser obtidas a partir dos resultados dos experimentos realizados na aula prática. EXEMPLO O valor da propriedade “P” dos líquidos 1 e 2 foi medido em diversas temperaturas, no intervalo entre 298 e 348 K. A variação do valor da propriedade “P” com a temperatura do líquido 1 de grau P.A. é cerca de duas vezes maior do que a do líquido 2 Comercial. Com base nos resultados experimentais, foi proposta uma equação matemática que descreve o comportamento da propriedade “P” dos dois líquidos, no intervalo de temperatura estudado. REFÊRENCIAS BIBLIOGRÁFICAS Toda a literatura, incluindo as notas de aula, os livros, revistas, sites da Internet, ou qualquer outra fonte de consulta, previamente indicadas no corpo do relatório devem ser listadas, de acordo com a sua ordem de inclusão no texto. A apresentação das referências deve seguir as normas técnicas da ABNT 5. EXEMPLO 1. ANDREUS, J.E.; BRIMBLECOMBE, P. JICKELLS, T.D., LISS, P.S. An Introduction to Environmental Chemistry. Oxford, Blackweell Science, 1996. 209 p. 2. ATKINS, P. e JONES, L. Princípios de Química – Questionando a Vida Moderna e o Meio Ambiente, 5 ed. Porto Alegre: Bookman, 2001. 3. BAIRD, C. Environmental Chemistry. 2 ed. New York: Freeman and Company. 1999. 557 p. 4. BRASIL, ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS. NBR-ISO 14001: Sistemas de Gestão Ambiental - Especificações para Uso. Rio de Janeiro: ABNT. 1996. 14p. 5. ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS NBR-6023: Referências bibliográficas. Rio de Janeiro: ABNT. 2001. � ANEXO II - EQUIPAMENTOS BÁSICOS DE LABORATÓRIO. Os itens estão numerados de acordo com a ilustração apresentada nas páginas seguintes. Tubo de ensaio: em reações químicas, principalmente testes de reação. Becker: Para aquecimento de líquidos, reações de precipitação, etc. Erlenmeyer: Para titulações e aquecimentos de líquidos. Balão de Fundo Chato: Para aquecimentos e armazenamento de líquidos. Balão de Fundo Redondo: Para aquecimentos de líquidos e reações com desprendimento de gases. Balão de Destilação: Em destilações, possuí saída lateral para condensação dos vapores. Proveta ou Cilindro Graduado: Para medidas aproximadas de volumes de líquidos. Pipeta Volumétrica: Para medir volumes fixos de líquidos. Pipeta Cilíndrica ou Graduada: Para medidas de volumes variáveis de líquidos. Funil de Vidro: Para transferências de líquidos e em filtrações em laboratório. O funil de colo longo e estrias é chamado de funil analítico. Frasco de Reagentes: Para armazenamento de soluções. Bico de Bunsen: Em aquecimentos de laboratório. Tripé de Ferro: Para sustentar a tela de amianto. Tela de amianto: Para distribuir uniformemente o calor em aquecimentos de laboratório. Cadinho de Porcelana: Para aquecimentos à seco (calcinações) no Bico de Bunsen e Mufla. Triângulo de Porcelana: Para sustentar cadinhos de porcelana em aquecimentos diretos no Bico de Bunsen. Estante para Tubos de Ensaio: Suporte de tubos de ensaios. – 19. Funis de Decantação: Para separação de líquidos imiscíveis. 20. Pinça de Madeira: Para segurar tubos de ensaio durante aquecimentos diretos no Bico de Bunsen. 21. Almofariz e Pistilo: Para triturar e pulverizar sólidos. 22. Cuba de Vidro: Para banhos de gelo e fins diversos. 23. Vidro de Relógio: Para cobrir béqueres em evaporações, pesagens e fins diversos. 24. Cápsula de Porcelana: Para evaporar líquidos em soluções. 25. Placas de Petri: Para fins diversos. 26. Dessecador: Para resfriar substâncias em ausência de umidade. 27. Pesa-Filtros: Para pesagens de sólidos. 28. Lima Triangular: Para cortes de vidros. 29. Bureta: Para medidas precisas de líquidos. Usada em análises volumétricas. 30. Frasco Lavador: Para lavagens, remoção de precipitados e outros fins. 31. Pisseta: Para lavagens, remoção de precipitados e outros fins. 32. Balão Volumétrico: Para preparar e diluir soluções. 33. Picnômetro: Para determinar a densidade de líquidos. 34. Suporte Universal; 35. Anel para Funil; 36: Mufa; 37. Garra Metálica: Em filtrações e na sustentação de peças, tais como condensador, funil de decantação e outros fins. 38 – 39. Kitassato e Funil de Buchner: Em conjunto para filtrações a vácuo. 40. Trompa de Vácuo: Usado em conjunto com o kitassato e funil de buchner. 41. Termômetro: Para medidas de temperaturas. 42. Vara de vidro. Para montagens de aparelhos, interligações e outros fins. 43. Bagueta ou Bastão de Vidro: Para agitar soluções, transporte de líquidos nas filtrações e outros fins. 44. Furador de rolhas: Para furagem de rolhas. 45. Kipp: Para produção de gases, tais como H2S, CO2, etc. 46. Tubo em U: Usado, geralmente, em eletrólise. 47. Pinça Metálica Castelo: Para transporte de cadinhos e outros fins. 48. Escovas de Limpeza: Para limpeza de tubos de ensaios e outros materiais. 49 – 50. Pinça de Mohr e Pinça de Hoffman: Para impedir ou diminuir o fluxo de gases ou líquidos em mangueiras. 51. Garra para Condensador: Para sustentar condensadores na destilação. 52 – 53 – 54: Condensadores: Para condensar gases ou vapores na destilação. 55 – 56. Espátulas: Para transferências de substâncias sólidas. 57. Estufa: Para secagem de materiais (até 200o C). 58. Mufla: Para calcinações (até 1500o C). � carga camada de lodo água �PAGE � �PAGE �55�
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