Energia de superficie ângulo

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Universidade Federal de Uberlândia

Prática 12 – Determinação da energia de superfície pelo método de ângulo de contato

Relatório desenvolvido por alunos do curso de graduação em química industrial, como parte integrante da avaliação em Físico-Química Experimental.

Alunos:

David Ramos – 11311QID038 Diego Godina – 11311QID014 Juliana Reis – 11111QID017

Leonardo Furlan – 11311QID003 Thaís Lima - 11311QID032

William Soté – 11311QID005

Julho 2017

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1. RESULTADOS E DISCUSSÃO

A determinação da energia de superfície pelo método do ângulo de contato se dá pelo estudo entre as interações físicas entre uma superfície e um determinado líquido, através do ângulo de contato θ gerado entre eles, conforme ilustra a Figura 1.

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Figura 1. Representação ilustrativa das energias superficiais presentes em um sistema sólido-líquido. FONTE: Roteiro de Físico-química Experimental 2017.

A energia de superfície é concebida pela diferença de energia entre as espécies presentes na superfície e interior do material. O sistema ilustrado se constitui de três contatos superficiais distintos: sólido-líquido, líquido-vapor e sólido-vapor, cada um com sua respectiva energia/tensão de superfície γ; γSL, γLV e γSV. Assume-se que a adsorção de vapor em sólidos de baixa energia superficial, como polímeros, é desprezível, de maneira que γSV = γS. Em outras palavras, assume- se que γS é a energia de superfície de um sólido de baixa energia em uma atmosfera qualquer. Em qualquer outro sistema, γS  corresponderá a energia de superfície de um sólido no vácuo.

Portanto, uma vez que a gota da Figura 1 se encontre em equilíbrio com sua vizinhança, tem-se a Equação de Young:

γSL  + γLV cos θ − γS  = 0        (1.1)

γS  = γSL  + γLV  cos θ        (1.2)

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Conforme ilustra a Figura 1, quando duas superfícies estão em contato, além das tensões superficiais próprias de cada superfície, cria-se uma tensão interfacial entre elas. Estas três tensões, em equilíbrio, também podem ser associadas pela equação do trabalho de adesão ou Equação de Dupré:

wSL  = γLV  + γS − γSL        (2)

Combinando-se (2) em (1.2), obtém-se a Equação de Young-Dupré:

wSL  = γLV  (cosθ + 1)        (3)

Esta nova equação é considerada mais prática que suas componentes separadas pois relaciona parâmetros experimentalmente fáceis de se medir, ângulo de contato e tensão interfacial líquido-vapor.

Considerando a tensão interfacial líquido-vapor como trabalho de coesão do líquido, a equação permite concluir que quando o ângulo de contato entre as superfícies sólida e líquida é zero, o trabalho de adesão equivale a duas vezes o trabalho de coesão do líquido. Fisicamente, isso significa que a força de adesão sólido-líquido supera a força de atração líquido-líquido e resulta no espalhamento do líquido pela superfície e não formação da bolha. Por outro lado, quando o ângulo de contato entre as superfícies é de 180˚, o trabalho de adesão é zero e, consequentemente, não há adesão entre as duas fases. Estas são as condições de contorno mínima e máxima para o ângulo de contato.

Para o cálculo da energia livre de superfície, Fowkes incialmente propõe que as forças interfaciais (forças dispersivas, polares, ligações de hidrogênio, van der Waals etc.) do sistema são todas aditivas, ou seja, se somam

γt  = γd  + γp  + γh  + γw  + ⋯        (4)

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Onde        d = força de dispersão p = força polar

h = força de ligação de hidrogênio w = força de van der Waals

Desta forma, a partir da Equação de Young-Dupré, o trabalho de adesão poderia ser calculado como o somatório de cada contribuição e cada contribuição seria a média geométrica de cada constituinte. Assim,

d    + wp    + wh    + ww  + ⋯        (5.1)

wSL = wSL        SL

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SL        SL

[pic 3]        [pic 4]

𝐝    = 2√γdγd        ; 𝐰𝐩  = 2√γpγp        ;  ...        (5.2)

𝐰𝐒𝐋

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S   LV

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𝐒𝐋

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S   LV

Englobando-se todas as interações não-dispersivas em um único termo chamado de interação polar (p) – diferente do mostrado em (4), uma vez que esse engloba todas as outras forças diferentes das de dispersão – e substituindo (5.2) e (5.1) em (3), tem-se a equação de Owens- Wendt:

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d  d        p  p

wSL  = γLV (cosθ + 1) = 2√γSγLV + 2√γSγLV