A Tensão Superficial

UNIVERSIDADE DE SÃO PAULO

INSTITUTO DE QUÍMICA DE SÃO CARLOS

LABORATÓRIO DE FÍSICO-QUÍMICA

Tensão Superficial

São Carlos

2018

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Introdução Teórica

Tem-se que, em fases condensadas, existe um processo de estabilização de uma dada molécula que se dá via interações com outras moléculas presentes em sua vizinhança. Quanto mais organizado o sistema, mais interações haverá entre uma molécula e sua vizinhança e menor será sua energia, conforme mostrado na Figura 1.

Essa estabilização dada pela energia de interação entre a molécula e sua vizinhança é chamada de coesão e é denotada por E. Sabe-se que a estrutura cúbica de face centrada (CFC), por exemplo, é a mais compacta e possui número de coordenação igual a 12 (cada átomo interage com 12 átomos de sua vizinhança). No caso de uma molécula da superfície desse sólido o número de coordenação é de apenas 9. Quando consideramos um novo parâmetro , sendo n o número de moléculas às quais o átomo central está coordenado, temos a energia de estabilização dada por cada átomo da vizinhança imediata do átomo central. Dessa forma, podemos concluir que a energia de estabilização de um átomo da superfície de um cristal equivale a  da energia de estabilização de um átomo presente no interior do cristal. Devido à menor energia de estabilização, tem-se que a energia total de uma molécula na superfície, tanto de sólidos quanto de líquidos, é maior que a energia de moléculas presentes no interior da fase [02].[pic 3][pic 4][pic 1][pic 2]

Há diversos métodos para medição da tensão superficial, sendo de escolha do analista avaliar o de melhor custo benefício. A Figura 2 mostra um dispositivo simples de medida de tensão superficial cujo princípio de operação é que o trabalho deslocar o fio móvel que sustenta o filme fino em um infinitesimal  é igual ao aumento da energia de Gibbs no filme, onde obtém-se que:[pic 6][pic 7][pic 5]

[pic 8]

Sabendo-se que  é a força aplicada para deslocamento do fio e que a variação de área é igual a duas vezes (pois há a face superior e a face inferior) comprimento do fio móvel multiplicado pelo infinitesimal , podendo reescrever a equação acima. Obtém-se então a tensão superficial do líquido, .[pic 9][pic 10][pic 11]

[pic 12]

[pic 13]

[pic 14]

Dentre as outras possibilidades para medir a tensão superficial está a utilização do Tensiômetro de DuNoüy, utilização do método da placa de vidro de Wilhelmy ou utilização do método da gota. O método da gota parte do princípio de que, no limite de a gota de desprender, o produto da tensão superficial pela circunferência da gota é igual à força peso [03].

[pic 15]

[pic 16]

O inconveniente do método da gota se encontra na dificuldade de obter as dimensões da gota. Tal problema é contornado fazendo a determinação do raio da gota por medida indireta: utilizando um único aparato para desprendimento de gotas (como uma bureta, por exemplo), são realizadas medidas de uma solução de propriedades conhecidas () e da amostra de interesse (2). Os cálculos são realizados como abaixo.[pic 17]

[pic 18]

[pic 19]

Com ;[pic 20]

[pic 21]

[pic 22]

Considerando que nos líquidos  e  foi contado o número de gotas contidas em um mesmo volume , tem-se que o volume de cada gota () pode ser dado em função do número de gotas ().[pic 23][pic 24][pic 25][pic 26][pic 27]

[pic 28]

[pic 29]

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Resultados e discussão

O número de gotas contadas para água e álcool encontram-se na Tabela 1, assim como a densidade dos mesmos para 20 ºC.

Tabela 1: Valores de densidade e número médio de gotas para água e álcool etílico

	Água	Álcool etílico
Densidade (g/mL)	0,9982	0,785
Número médio de gotas	117,5	291

Sabendo que a tensão superficial da água a 20 ºC é , foi possível calcular a tensão superficial do etanol utilizando a seguinte equação:[pic 30]

[pic 31]

[pic 32]

A tensão superficial encontrada para o etanol a 20 ºC é  e, portanto, bastante próxima ao encontrado experimentalmente.        [pic 33]

Nota-se a tensão superficial do etanol possui um valor bem menor quando comparada a água pura. Isto ocorre devido a polaridade da molécula de água, que é superior à do etanol, fornecendo assim uma maior interação entre as mesmas. A água possui duas ligações de hidrogênio, enquanto o etanol possui apenas uma ligação O-H e que fornecerá a polaridade.

Efeito do NaCl na tensão superficial

Foram realizados experimentos com diferentes concentrações de NaCl em água, para observar a sua interferência na tensão superficial.

Tabela 2: Valores de tensão superficial do NaCl obtidos na prática

% NaCl	Densidade (g/mL)	Número médio de gotas	Tensão superficial (mN.m-1)
1	1,008
3	1,029
5	1,050	123,5	72,905
10	1,108	118,5	80,189
16	1,188
20	1,247

Os valores obtidos para o número médio de gotas e as respectivas densidades encontram-se na Tabela 2. Utilizando novamente a equação, podemos calcular as tensões superficiais.