Físico-Química Experimental FQE001 Exp. 05 Tensão Superficial 1

Físico-Química Experimental FQE001
Exp. 05
Tensão Superficial
1. Introdução
A tensão superficial surge nos líquidos como resultado do desequilíbrio entre as forças
intermoleculares (atração de van der Waals) que agem sobre as moléculas da superfície em
relação àquelas que se encontram no interior da solução. Átomos e moléculas de um líquido
podem se mover livremente procurando ocupar uma posição de menor energia potencial. Ou
seja, um lugar onde as forças (atrativas e repulsivas), que agem em todas as direções, estejam
em equilíbrio. Por outro lado, as moléculas situadas na superfície de separação líquido – ar
estão submetidas a forças de atração não balanceadas, produzindo uma força resultante para
o interior do líquido, conforme ilustrado na Figura 1. O maior número possível de moléculas se
deslocará da superfície para o interior do líquido, e a superfície tenderá a se contrair
espontaneamente.
Figura 1: Forças de atração atuando sobre as moléculas da interface água / ar e no
interior do líquido.
Devido a isto, as superfícies são sempre regiões de maior energia. E é justamente a
diferença entre as energias das espécies na superfície e no interior do material que se
denomina energia de superfície ou tensão interfacial. De acordo com o princípio da menor
energia, a natureza tende sempre a um estado de mínima energia. Portanto, todas as
superfícies líquidas tendem a reduzir sua superfície limite a um valor mínimo adquirindo a
forma esférica. Da mesma forma, a adesão de um material sobre outro será tanto melhor
quando maiores forem as energias de superfícies envolvidas.
A tensão superficial () – ou energia livre superficial – de um líquido é definida como a
força resultante da atração entre as moléculas do interior do líquido pelas moléculas na sua
superfície, que atua ortogonalmente na superfície do líquido. É quantificada determinando o
trabalho necessário para aumentar a superfície em uma unidade de área, por um processo
isotérmico reversível.
A energia necessária para aumentar a área de interface é facilmente contabilizada
através do exemplo da Figura 2, em que existe um filme de líquido suportado por um arame.
Suponha que se pretendia aumentar o tamanho do filme, ou seja, executar um deslocamento
x no arame. Para isso é necessário aplicar uma força F no arame, relacionada com a tensão
superficial do líquido. O trabalho (w) associado a esse deslocamento é:
𝑤 = |𝐹|. ∆𝑥 = 2𝛾. 𝑙. ∆𝑥
(1)
onde o fator 2 indica a existência de duas interfaces líquido-ar, uma em cada lado do filme.
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Figura 2: Tensão superficial como energia por unidade de área de interface.
No processo, é criada uma área interfacial (A) definida por:
2 (2)
∆𝑥
Assim, o trabalho ou energia despendida por unidade de área de interface é:
∆𝐴 =
𝑤 = 𝛾. ∆𝐴 (3)
Esta observação constitui uma interpretação física alternativa de tensão superficial
que, por isso, também é designada como energia de superfície (). Estas grandezas,
equivalentes, tem dimensões de força por unidade de comprimento (N.m-1) ou energia por
unidade de área (J.m-2). A Tabela 1 mostra alguns valores de tensão superficial para vários
líquidos em contato com o ar. Repare, por exemplo, nos baixos valores para o hélio ou
nitrogênio líquidos. Esses baixos valores explicam-se pelo fato de serem moléculas apolares,
apresentando fracas interações intermoleculares. Por outro lado, líquidos metálicos e
moléculas muito polares tem, em geral, altos valores de tensão superficial devido às fortes
atrações intermoleculares.
Tabela 1: Tensões superficiais para líquidos a 20 oC.
Líquido
 / 10-3 N.m-1
Água
72,75
Benzeno
28,88
o
*Hélio líquido (-269 C)
0,12
*Nitrogênio líquido (-183 oC)
23,7
CCl4
26,8
Líquido
Etanol
n-Octanol
n-Hexano
n-Octano
Mercúrio
 / 10-3 N.m-1
22,3
27,5
18,4
21,8
485
A tensão superficial da maioria dos líquidos diminui com o aumento da temperatura,
de maneira quase linear, e se torna muito pequena nas proximidades da temperatura crítica,
onde as forças coesivas intermoleculares tendem a zero.
1.1 Tensão superficial de soluções
A adição de um soluto a um líquido altera sua tensão superficial. Na interface, as
concentrações de solvente e de soluto não são iguais às do seio da solução. Isto porque uma
das espécies deve ser preferencialmente adsorvida na interface.
A tensão superficial da solução pode ser maior ou menor que a do solvente puro.
Quando o soluto se concentra na interface, então a tensão superficial da solução é menor, e o
oposto ocorre quando o soluto evita a interface. Estes comportamentos podem ser explicados
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com base nas interações intermoleculares. Se as interações soluto-solvente são mais fortes
que as soluto-fase gasosa, então o soluto evita a interface e a tensão superficial da solução
aumenta. Se o soluto atrai fracamente o solvente, ou apenas interage favoravelmente com
uma parte da sua molécula, então a tensão superficial diminui.
Entre os solutos que aumentam a tensão superficial da água incluem-se os sais iônicos
solúveis e os glicídios. Os primeiros formam interações íon-dipolo com a água, enquanto os
glicídios, tendo muitos grupos hidroxila, formam ligações de hidrogênio. São interações fortes,
que fazem com que os solutos evitem a interface.
Os solutos que diminuem a tensão superficial são designados agentes tensoativos ou
surfactantes. Muitas moléculas anfóteras, isto é, que apresentam simultaneamente grupos
hidrofóbicos e hidrofílicos, têm essa propriedade. Por exemplo, ácidos graxos ou espécies
químicas com estrutura análoga, como as utilizadas em produtos de limpeza, baixam a tensão
superficial. Estes solutos adsorvem na interface, pois a parte hidrofóbica da molécula tende a
interagir com a fase gasosa, orientando-se neste sentido, enquanto os grupos hidrofílicos
permanecem em contato com a água, conforme mostra a Figura 3.
Figura 3: Distribuição de moléculas tensoativas nas interfaces ar – água e óleo – água.
A parte circular das moléculas representa a parte polar hidrofílica, e a parte retangular
representa a cadeia carbônica não-polar.
Os tensoativos tendem a migrar até a superfície da solução e originar ali películas
orientadas. Quando a concentração aumenta, certas moléculas tendem a tomar a mesma
orientação que na superfície, formando verdadeiros agregados coloidais, as micelas.
Normalmente o filme superficial formado é bem homogêneo e não aceita mais nenhuma
molécula quando a solução atinge uma determinada concentração, chamada de concentração
micelar crítica (CMC). Se continuarmos a aumentar a concentração, acima dessa concentração
crítica, notaremos que a tensão superficial continuará constante, conforme mostra o gráfico
da Figura 4.
Figura 4: Variação da tensão superficial com a concentração de detergente.
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Os fenômenos associados à tensão superficial e aos agentes tensoativos estão
inerentes a uma imensidão de produtos comerciais: produtos de limpeza e cosméticos, tintas,
adesivos, lubrificantes, revestimentos, espumas e aerossóis, etc. Assim, uma clara
compreensão destes fenômenos torna-se essencial na formação em ciências físico-químicas.
2. Objetivos
Compreender a influência das forças intermoleculares nas propriedades e
compatibilidades de diferentes materiais.
Observar a variação da tensão superficial em com a concentração de um sal ou em
soluções contendo surfactante através de medidas da tensão superficial pelo método da gota
pendente e pela variação do ângulo de contato.
3. Metodologia
A tensão superficial é uma propriedade de interface. Desta maneira, ela é medida
fazendo-se um balanceamento entre a força de atração superficial numa linha limítrofe contra
uma força igual que se pode medir. São três os métodos mais utilizados para a determinação
de : o método do arrancamento (onde é medida a força necessária para romper um filme
líquido), o método capilar (onde se mede a ascensão capilar do líquido contra a ação da
gravidade) e o método da gota pendente.
3.1 Medida da tensão superficial pelo método da gota pendente
No método da gota pendente, deixa-se formar uma gota na extremidade de um tubo
vertical, cujo raio externo (2πr) é considerado como linha limítrofe. A gota cai exatamente no
momento em que seu peso gera uma força de atração gravitacional (mg) maior que a força
decorrente da tensão superficial aplicada à linha de contato da mesma com o perímetro do
bico do qual ela cai (2πrγ). Ou seja, neste momento:
𝑚𝑔 = 2𝜋𝑟𝛾 (4)
sendo m a massa da gota ideal, g a aceleração da gravidade e r o raio da ponta da bureta.
Para o cálculo da tensão superficial do líquido a partir do volume da gota, basta utilizar
a relação entre volume e massa, ou seja, a densidade do líquido ():
𝛾=
𝑚𝑔 𝑉𝜌𝑔
=
2𝜋𝑟 2𝜋𝑟 (5)
3.2 Determinação da molhabilidade através de medidas de ângulo de contato
Outra metodologia para a visualização da tensão superficial é a medida do ângulo de
contato da gota formada pelo líquido numa superfície sólida conhecida. Formalmente, o
ângulo de contato entre uma gota de um líquido e uma superfície sólida depende da relação
entre as forças adesivas (que fariam a gota se espalhar sobre a superfície) e as forças coesivas
do líquido (que querem contrair a gota a uma esfera com uma superfície mínima). Se a gota
repousa sobre uma superfície homogênea perfeitamente nivelada, forma-se um ângulo de
contato de equilíbrio entre o líquido e a superfície sólida em qualquer ponto da linha de três
fases, onde se encontram o sólido, o líquido e a fase de vapor, conforme mostra a Figura 5.
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Figura 5: Tensões superficiais nas interfaces entre três fases distintas.
O comportamento de uma gota em uma superfície pode ser diverso: podem ter a
tendência de se espalhar pela superfície em contato (como a água sobre o vidro), ou podem
ter a tendência de minimizar o contato com essa superfície (como o mercúrio sobre o vidro). O
resultado depende das forças intermoleculares que se estabelecem entre as fases. No caso da
água sobre o vidro, formam-se interações fortes entre as moléculas polares da água e os
grupos também polares (sílica e alumina) do vidro. Assim, devido a essas fortes forças de
adesão, a água se espalha, ou molha, essa superfície. Por outro lado, o mercúrio segmenta-se
em pequenas esferas, com zonas de contato com o vidro muito restritas. Diz-se que o mercúrio
não molha o vidro. Esse comportamento deve-se ao fato de que os átomos de Hg preferem
interagir entre si, com fortes forças de coesão, ao invés de interagir com as substâncias do
vidro.
A Figura 5 mostra que o líquido forma um ângulo de contato () entre a superfície
sólida e o plano tangencial à superfície líquida. Formalmente, o ângulo de contato () entre
uma gota de um líquido com uma tensão superficial conhecida e uma superfície sólida
depende da relação entre as forças adesivas (que fariam a gota se espalhar sobre a superfície)
e as forças coesivas do líquido (que querem contrair a gota a uma esfera com uma superfície
mínima). Se a gota repousa sobre uma superfície homogênea perfeitamente nivelada, formase um ângulo de contato de equilíbrio entre o líquido e a superfície sólida em qualquer ponto
da linha de três fases, onde se encontram o sólido, o líquido e a fase de vapor. Assim, o ângulo
de contato representa uma medida quantitativa do processo de molhabilidade.
A Figura 6 sistematiza as diferentes possibilidades para . Se 0o <  < 90o, o líquido tem
a tendência de molhar a superfície, e o oposto ocorre para 90o <  < 180o. A água e o mercúrio
em vidro formam ângulos de contato muito próximos de 0o e de 140o, respectivamente. Por
outro lado, quando  = 180°, tem-se cos  = -1, e o trabalho de adesão líquido-sólido é zero.
Este é o caso limite quando não há adesão entre as duas fases (o líquido não apresenta
molhabilidade; Figura 4d).
Figura 6: Ângulos de contato de líquidos com superfícies sólidas para líquido: (a)
perfeitamente molhante; (b) predominantemente molhante; (c) predominantemente nãomolhante; (d) não-molhante.
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4. Procedimento Experimental
Materiais



Água destilada
NaCl
Solução de Dodecilsulfato de sódio
(SDS), 50 mmol/L




06 balões volumétricos de 5 mL
Proveta de 10 mL
Pipeta
Balança de precisão
Procedimento
Neste experimento a turma será dividida em duas equipes:
Equipe A
Prepare 6 soluções de NaCl nas concentrações entre 2% e 16% (m/V) utilizando os
balões volumétricos e a proveta.
No equipamento apropriado, meça a tensão superficial da água deionizada no volume
apropriado para formar a gota pendente. Em seguida, meça o ângulo de contato formado por
uma gota de 5 µL.
Repita o procedimento para as diferentes soluções de NaCl, começando pela solução
mais diluída.
Equipe B
No equipamento apropriado, meça a tensão superficial da água deionizada no volume
apropriado para formar a gota pendente. Em seguida, meça o ângulo de contato formado por
uma gota de 5 µL.
Repita o procedimento para as diferentes soluções de SDS, começando pela solução
mais diluída.
5. Discussão dos Resultados
Utilize os dados da Equipe A e Equipe B para representar graficamente os valores de
tensão superficial pela concentração. Faça um gráfico de  vs. c e outro  vs. ln c, onde c é a
concentração em % de massa. Observe como a tensão superficial varia para soluções salinas e
para soluções de detergentes.
Observe a variação do ângulo de contato ao comparar a água pura com as soluções de
NaCl e SDS. Faça um gráfico da variação do ângulo de contato com a concentração das duas
soluções estudadas.
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Resultados Experimentais
Nome:
1. Equipe A: Variação da tensão superficial de soluções salinas
Tabela 1: Valores tensão superficial e ângulo de contato de soluções de NaCl em
diferentes concentrações.
Concentração
de NaCl / %
0 (água)
Observações:
 / 10-3 N.m-1

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Figura 1: Variação da tensão superficial de soluções salinas com a concentração de
NaCl.
Figura 2: Variação do logaritmo natural da tensão superficial (ln ) com a concentração
de NaCl
*Entregar os gráficos em papel separado.
Observações:
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2. Equipe B: Tensão superficial de soluções de surfactante.
Tabela 2: Valores tensão superficial e ângulo de contato de soluções de SDS em
diferentes concentrações.
Concentração
de SDS / g.mL-1
0 (água)
Observações:
 / 10-3 N.m-1

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Figura 3: Variação da tensão superficial de soluções salinas com a concentração de
NaCl.
Figura 4: Variação do logaritmo natural da tensão superficial (ln ) com a concentração
de NaCl
*Entregar os gráficos em papel separado.
Observações:
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Pré-Laboratório
Nome:
1. Explique o que são tensoativos e procure como eles são classificados.
2. Procure por tesoativos aniônicos, catiônicos e não-iônicos comerciais e indique onde são
utilizados.