Construção de um reator de microondas e produção de - Cefet

CENTRO FEDERAL DE EDUCAÇÃO TECNOLÓGICA DE MINAS GERAIS
CAMPUS TIMÓTEO
Disciplina: Processos Industriais.
Prática do módulo “Cimento e Vidro”
Prof. Armin Isenmann
Construção de um reator de microondas e
produção de vidro (colorido)
I. Parte teórica
História do forno de microondas
Como tantas outras invenções modernas, o forno de microondas tem suas origens na pesquisa
e aplicação militar. Em 1939, o magnétron foi usado pela primeira vez por cientistas
britânicos como transmissores de equipamentos de radar. A descoberta de que este
equipamento também aquece alimentos, dizem, foi um acaso: em 1945, um engenheiro de
sistemas de radar dos EUA tinha uma barra de chocolate no bolso, quando percebeu durante
seus trabalhos o derretimento súbito da mesma. Já dois anos depois o primeiro forno de
microondas foi lançado no mercado por mais de 2000 dólares. Os primeiros aparelhos de
bancada surgiram nos anos 60. Nos anos 70 iniciaram-se experimentos com o forno de
microondas em laboratórios químicos, mas somente no final dos anos 90 seu verdadeiro valor
foi reconhecido e as técnicas de ativação por esta nova fonte de energia foram
sistematicamente desenvolvidas. Hoje o forno é equipamento padrão, seja como fonte de
energia em reatores químicos ou para aquecimentos diversos no laboratório de materiais.
Funcionamento do forno de microondas
O coração do forno de microondas é o magnétron, que gera as microondas.
A radiação é refletida pelas paredes metálicas e a grade de metal da porta, sendo assim retida
no interior do forno. As reflexões das ondas nas paredes internas provocam interferências, o
que leva a um campo eletromagnético não homogêneo no forno. A sobreposição construtiva
provoca pontos de alta densidade energética ("hot spots"), a sobreposição destrutiva a áreas
frias. Para contornar problemas durante o aquecimento de um prato com uma refeição, a
maioria dos fornos de microondas domêsticos dispõe de uma plataforma giratória de vidro;
alternativa é uma antena rotativa.
O controle de potência no microondas doméstico está operando em intervalos: o magnetron
está sempre trabalhando a plena capacidade, mas está sendo ligado e desligado no ritmo de
alguns segundos (barulho característico). A potência média é ajustada então pelos períodos de
funcionamento e pausas do magnétron. Em aparelhos específicos para o laboratório, por outro
lado, a amplitude da radiação pode ser ajustada - o que torna esses equipamentos
consideravelmente mais caros.
A maioria das frequência de microondas é usada pelo militar e a transmissão de dados cívis,
portanto essas frequências são proibidas para fins de aquecimento (domêstico). Uma das
poucas frequências abertas é a de 2,45 GHz, o que corresponde a um comprimento de onda de
cerca de 12 cm.
Microondas dentro do espectro eletromagnético
Microondas fazem parte do espectro das ondas eletromagnéticas mostrado a seguir (o gráfico
contém também a utilidade da radiação para o químico). O espectro se estende desde o
comprimento de onda longa, as ondas de de rádio (baixa energia), até as ondas curtas da
radiação nuclear de alta energia. As microondas se encontram entre as ondas de rádio e o
infravermelho. Eles têm um comprimento de onda de 1 mm < λ < 1 m, o que corresponde a
uma freqüência de 0,3 < ν < 300 GHz.
Microondas são utilizadas na tecnologia de radar, sistemas de comunicação sem fio, como
celulares e televisão por satélite e, claro, em um forno de microondas.
Interação entre as microondas e matéria
Microondas excitam certas estruturas químicas:
Excitação de rotações em moléculas móveis com momento dipolar.
A água líquida consiste de moléculas dipolos que se deslocam facilmente. Atingida por
microondas, a água em estado líquido é excitada, as moléculas começam a rotar, pois os
dipolos se alinham permanentemente dentro do campo eletromagnético alternado. Na verdade
há um certo deslocamento das fases, entre o vetor elétrico da radiação e o dipolo da molécula.
A teoria exige até mais: sem este deslocamento das fases não haverá aquecimento da matéria
irradiada Como as moléculas no líquido têm pequenas distâncias, a rotação de certa molécula
induz a rotação, afinal um movimento térmico das moléculas na sua vizinhança, também.
No gelo, por outro lado, a mobilidade das moléculas é muito baixa. Por isso, dificilmente
pode ser animado por microondas e então não derreta com a mesma facilidade que se conhece
do aquecimento via resistências convencionais.
Igualmente difícil é o aquecimento de uma amostra no estado gasoso, por dois motivos: como
explicado acima, um alinhamento perfeito e sem desfase – o que é o caso na água gasosa - não
leva ao aquecimento das moléculas. A segunda explicação é a má transferência do movimento
molecular às moléculas vizinhas, já que as distâncias interatômicas são muito grandes.
Em materiais com dipolos em movimento, as microondas penetram apenas alguns centímetros
de profundidade, a propagação do calor dentro do corpo é por condução e convecção.
Estimulação de materiais que dispõem de elétrons livres:
Elétrons livres são acelerados num campo elétrico em direção oposta às linhas de campo
elétrico. O campo elétrico em um forno de microondas muda de direção cerca de 2,5.109 vezes
por segundo. Um vai-vem dos elétrons tão rápido induz vibrações na molécula e seu redor - o
fenômeno conhecido por calor.
Nos metais com seus elétrons deslocalizados, a radiação de microondas penetra apenas alguns
micrômetros de profundidade e produz nesta camada uma forte vibração dos elétrons. Em
casos de camadas de metal muito finas (por exemplo, em louça de porcelana com decoração
de ouro) isso pode levar a altas tensões e correntes estão fluindo. As camadas podem tornar-se
tão quentes que evaporam o metal e/ou produzem pequenos raios (arcos elétricos; descargas).
Em grandes objetos metálicos, por outro lado, quase toda a radiação é refletida e apenas uma
pequena parte da energia é dissipada em forma de calor, para o interior do objeto.
Os fatores que influenciam na excitabilidade de um material por microondas são, além dos
critérios ao material mencionados acima, também a sua textura de superfície, a relação
superfície:volume e a homogeneidade do material.
A grafite dispõe, semelhante aos metais, de elétrons deslocalizados que estão fortemente
excitados à vibração, o que gera um calor considerável em uma camada fina deste material.
Carvão ativado granulado é um material bastante poroso (com uma superfície de cerca de
4000 m².g-1) que tem o carbono em forma de grafite nos poros. Portanto, o negro de
fumoserve igualmente para a geração de altas temperaturas (acima de 1000 ° C!) em um forno
de microondas - o suficiente para fundir vidro, pigmentos, ligas metálicas etc.
Excitação de gases quentes ionizados de uma chama, provocando descargas de plasma.
O plasma é chamado de “4º estado físico”; é bem conhecido pela sua aparência em forma de
luz e ocorre na natureza, em tempestades com raios e auroras. As lâmpadas fluorescentes que
iluminam a sala de aula também funcionam devido a um plasma: aqui o gás principal é o
mercúrio de baixa a média pressão. No laboratório pode-se facilmente produzir um plasma no
forno de microondas, de várias maneiras:
Irradiar uma vela acesa;
Ao se colocar pequenos pedaços de papel alumínio perto do pavio a vela pode também
ser incendiada pelo forno.
Recipientes fechados que contêm um gás, de preferência rarefeito: uma lâmpada
convencional ou de halogênio começa produzir um plasma.
(Atenção: ensaios perigosos! Recipientes fechados podem explodir. Além disso, o forno pode
sofrer estragos irreparáveis.)
Materiais não absorventes não são excitados por microondas.
Substâncias apolares que somente interagem por meio de dipolos induzidos (= forças Van der
Waals) não transformam a radiação das microondas em calor. Também materiais como vidro,
concreto, porcelana e determinados plásticos (téflon, PE, etc.) que não dispõem de elétrons ou
dipolos móveis, são transparentes à radiação de microondas. Eles são, portanto, adequados
como recipientes no forno de microondas.
II. Parte prática
Essa prática consiste em três etapas:
1. Revelação dos pontos quentes ("Hot Spots") dentro do forno de microondas.
2. Preparo do reator do forno de microondas.
3. Fusão de uma mistura de óxidos metálicos para o vidro.
Parte 1: Localização dos "Hot Spots"
O magnétron lança a radiação (comprimento de onda: 12,3 cm) para dentro da câmara do
forno onde está sendo refletida nas paredes. Isto leve naturalmente a interferências, quer dizer,
locais onde as ondas se sobrepõem construtiva ou destrutivamente. Neste campo
eletromagnético inhomogêneo temos então que localizar aqueles locais onde as amplitudes se
adicionam = Hot Spots, enquanto em todos os outros pontos da câmara a energia não leva ao
aquecimento drástico que nos precisamos para este ensaio.
Note que em Hot-spots se atingem temperaturas acima de 1000 °C (compare: bico de Bunsen
ou fogão de cozinha chegam no máximo a 600 °C).
Material:
6 chapas de isopor (30 x 40 cm; espessura 2 cm)
5 folhas de fax (= papel termossensitivo)
5 folhas de papel toalha de cozinha
1 borrifador d´água
Procedimento:
1. As chapas de isopor devem caber corretamente na boca do forno, assim que o papel
termossensitivo e o papel toalha.
2. Coloca-se em cima de cada chapa de isopor um papel toalha umedecido, em cima
deste o papel de fax (aquele lado para cima que escurece quando passar a unha).
3. Numerar as fax, de 1 a 6.
4. Retirar o prato rotatório do forno e inserir todas as chapas, em ordem e uma em cima
da outra.
5. Deixar funcionar o forno em potência máxima por aprox. 10 segundos.
6. Controlar se já se formaram manchas escuras no papel de fax. Numerar em ordem de
intensidade.
7. Repetir as etapas 5 e 6 e anotar a ordem do aparecimento das manchas.
A mancha mais forte indicará o local do posicionamento do reator.
Parte 2: Preparo do reator.
O reator é uma tigela que acumula a energia do forno de microondas através de uma camada
bastante fina de grafite. Ela se esquenta até acima de 1000 °C - o que pode ser usado para
fundir vidro ou ligas de metais.
Material:
Esse reator requer um material altamente termoestável.
1 pequeno pote de barro, ca. 6 cm de diâmetro, se for possível sem buraco.
1 balão de festa ou um preservativo
1 pinca de forno
1 pequena porcelana sem tampa, diâmetro ca. de 4 cm.
1 spray de grafite (para lubrificação)
200 g argamassa de fogão/churrasqueiras (prova a altas temperaturas)
Procedimento:
Cortar o pescoço do balão de festa, colocar por cima da porcelana e amarrar por um nó (isto
evita a porcelana colar dentro do cimento endurecido).
A argamassa deve ser preparada conforme instrução e colocada dentro do pote de barro sem
criar bolinhas de ar.
Enche o pote de 3/4 do seu volume.
Aperte a porcelana encamisada dentro da argamassa, de forma que sobra uma beirada de 1
cm.
Alisar a superfície da argamassa. Você pode deixar um pequeno entalhe perto da porcelana,
para facilitar a remoção do recipiente quente com as pinças de forno. Deixe secar durante a
noite na estufa a 80 °C.
Soltar a porcelana da cavidade.
Proteger o topo do concreto por um durex e aplicar a grafite dentro da cavidade. Deixar secar
bem no ar.
Este reator pode ser usado muitas vezes, porém a camada de grafite deve ser renovada, de vez
em quando.
Parte 3: Preparo de vidro
Preparo da mistura-base incolor de vidro:
Ácido bórico (H3BO3)
10,6 g
Carbonato de lítio (Li2CO3)
4,2 g
Carbonato de sódio (Na2CO3)
1,8 g
Carbonato de cálcio (CaCO3)
1,7 g
Quartzo (SiO2)
1,0 g
Uma chapa de cerâmica velha (suporte do vidro quente).
Procedimento:
Misturar tudo e triturar dentro do gral de ágata. A mistura serve para três porções de vidro.
Ajustar o forno de microondas à potência máxima (em nosso caso: 900 W).
Posicionar a tigela no Hot-spot, se for necessário elevar por meio de um bloco de concreto
gaseificado (material de construção).
Acionar o forno por 5 minutos. Anote as suas observações.
Remover a tigela a quente (usar óculos de proteção!) e imediatamente derramar em cima da
cerâmica. A mistura fica plástica por cerca de 30 s.
Repor a porcelana dentro do suporte de concreto, a fim de resfriar lentamente.
Mistura para vidro colorido:
Caso o vidro deve sair colorido, pode adicionar os seguintes metais:
vidro verde
Óxido de cromo (Cr2O3)
Óxido de ferro (Fe2O3)
vidro marrom
Sulfato de cobre (CuSO4 . 5 H2O)
vidro azul
Um bonito azul do céu se consegue com nitrato de cobalto, Co(NO3)2, ou espinelo de cobalto
(CoAl2O4; C.I. Pigmento Blue 28). Outros aditivos para vidros coloridos, ver vitrine didática
“Cimento e vidro - os pilares da civilização moderna” e o artigo “Silicatos técnicos – cristais e
vidro”.
Procedimento:
Colocar cerca de 6 g de mistura-base na tigela. Adicionar uma ponta de espátula do metal que
dá a cor e misturar ligeiramente com a espátula.
Fonte (traduzido do alemão):
http://www.chf.de/eduthek/mikrowelle-experiment09.html
Tarefa:
Relate sobre a promoção de reações químicas por microondas (cerca de 1 página A4).