Tensão Superficial

UNIVERSIDADE FEDERAL DO PARANÁ

TENSÃO SUPERFICIAL PELO MÉTODO DO PESO DA GOTA

Relatório Prática 02 – Tensão Superficial

Relatório apresentado como requisito parcial da disciplina CQ118 Termodinâmica e Cinética Experimental

CURITIBA

2014

 

I. INTRODUÇÃO

A polaridade de uma molécula é resultado das suas ligações químicas, as quais são polares ou não, e de sua estrutura. Um exemplo típico de composto polar é a água, em virtude da forma angular da molécula e da grande diferença de eletronegatividade entre o hidrogênio e o oxigênio. No caso das moléculas polares, as forças de atração eletrostática são fortes e permanentes (forças de dipolo forte), pois existem polos negativos e positivos bem definidos em cada molécula. Além disso, a forte polaridade faz com que existam entre as moléculas de água as chamadas ligações de hidrogênio, gerando mais forças de atração entre elas. Essas forças, somadas às forças de Van der Waals, fazem com que seja mais difícil separar as moléculas de compostos polares do que aquelas de compostos apolares.

Nesse contexto, cada molécula de água tem um número de moléculas vizinhas que a atraem, mas a soma vetorial das forças de atração tem uma resultante nula, já que há vizinhas por todos os lados. No entanto, isso não ocorre com as moléculas de água que estão na superfície, pois elas sofrem a atração das moléculas abaixo delas, mas não têm moléculas de água acima delas. Isto faz com que as moléculas da superfície estejam “desbalanceadas”, ou seja, com uma força resultante de atração perpendicular à superfície e voltada para dentro do líquido. Esta força está permanentemente puxando as moléculas de água da superfície para dentro do líquido. Qualquer movimento do líquido que resulte no aumento da superfície resulta em um número maior de moléculas do meio do líquido que devem ir para superfície, se movimentando contrariamente a essa força. O que naturalmente ocorre é a tendência de redução do número de moléculas que estão na superfície, fazendo com que as forças superficiais se tornem menores e o sistema mais estável. Isso explica por que as gotas de líquidos de compostos fortemente polares tendem a adquirir o formato semelhante a esferas, não é esférica apenas em virtude da força peso e da resistência do ar. Essa força que deve ser vencida para o aumento de uma superfície líquida é conhecida como tensão superficial. Compostos com forças de atração intermoleculares mais altas, como os compostos polares, apresentam maior tensão superficial.

Na formação de uma gota em um conta-gotas, quanto maiores as forças de atração entre as moléculas do líquido, maior deverá ser o tamanho da gota para que ela se destaque do conta-gotas. Portanto, líquidos de densidade semelhante que apresentem tensão superficial elevada formam gotas maiores que líquidos de tensão superficial baixa.

II. HISTÓRICO

Segundo J. C. Poggendorff, Leonardo da Vinci deve ser considerado como o descobridor dos fenômenos capilares, mas as primeiras observações precisas da ação capilar de tubos e chapas de vidro foram feitas por Francis Hawksbee, que atribuiu uma ação e uma atração entre o vidro e o líquido. O Dr. James Jurin mostrou que a altura em que o líquido é suspenso depende da seção do tubo na posição do menisco, e é independente da forma da parte inferior. Isaac Newton dedicou seu livro conhecido como “31st Query” ao estudo das forças moleculares, e mostrou vários exemplos de coesão dos líquidos, tais como a suspensão de mercúrio num tubo de barômetro, onde a partir da sua adesão ao tubo a parte superior do mercúrio mantém uma tensão considerável, ou a pressão negativa, sem a separação das suas partes. Ele considerou que os fenômenos capilares são do mesmo tipo, mas a explicação não é suficientemente explícita no que diz respeito à natureza e os limites da ação da força atrativa.

Alexis Claude Clairault parece ter sido o primeiro a mostrar a necessidade de tomar em consideração a atração entre as partes do próprio fluido, a fim de explicar os fenômenos. Ele, no entanto, não reconheceu o fato de que a distância a que a atração é sensível não é apenas pequena, mas totalmente insensível.

J. A. von Segner introduziu o conceito muito importante da tensão superficial dos líquidos. Segner é responsável também pelas palavras: tensão superficial. Ele teve a grande distinção de tornar-se o primeiro professor de matemática em Goettingen, ocupando a cadeira em 1735. Ele foi o primeiro a preencher o que viria a se tornar uma das cadeiras mais importantes da matemática no mundo, a cadeira ocupada mais tarde por Gauss, outro contribuinte a teoria capilaridade. Em 1751, Segner introduziu o conceito de tensão superficial de líquidos e fez uma tentativa de dar uma descrição matemática de ação capilar. Ele viu as forças capilares como causadas por uma tensão das cordas dispostas sobre a superfície de um líquido. A mesma ideia mecânica de tensão superficial era usada por Young. Em 1756, J. G. Leidenfrost mostrou que uma bolha de sabão tende a se contrair, de modo que se o tubo com que foi soprado é deixado aberto a bolha vai diminuir de tamanho e vai expulsar através do tubo o ar que contém.

Em 1804, Thomas Young fundou a teoria dos fenômenos capilares no princípio da tensão superficial. Ele também observou a presença do ângulo de contato da superfície do líquido com um sólido, e mostrou como deduzir os fenômenos da ação capilar a partir desses princípios. Seu estudo contém a solução de um grande número de casos, incluindo a maioria deles resolvidos por Laplace, posteriormente.

Em 1805, houve a elucidação das leis da capilaridade por Thomas Young e Pierre-Simon Marquis de Laplace. O próximo grande passo no tratamento do assunto foi feito por C. F. Gauss, o princípio que ele adotou é o de velocidades virtuais, um princípio que sob suas mãos foi gradualmente transformando-se no que é hoje conhecido como o princípio da conservação da energia. Em 1831, Simeon