Tensão Superficial 1. Introdução As moléculas situadas - udesc

FQE0001
Universidade do Estado de Santa Catarina – UDESC
Centro de Ciências Tecnológicas – CCT
Departamento de Química - DQM
Físico-Química Experimental
Exp. 07 e 08
Tensão Superficial
1. Introdução
As moléculas situadas no interior de um líquido estão sujeitas a forças de atração em
todas as direções. 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. Portanto, todas as superfícies líquidas tendem a reduzir sua superfície
limite a um valor mínimo, adquirindo a forma esférica, que apresenta a condição de volume
máximo numa superfície de área mínima.
Por definição, a tensão superficial () – ou energia livre superficial – é o trabalho
necessário para aumentar a superfície em uma unidade de área, por um processo isotérmico e
reversível. A tensão superficial pode ser expressa em erg/cm2, ou dyn/cm ou N/m. Em outras
palavras, tensão superficial também pode ser definida como a força resultante da atração entre
as moléculas do interior do líquido pelas moléculas na sua superfície. A magnitude desta
força, que atua perpendicularmente sobre um ponto a uma distância longitudinal plano da
superfície, é dada por:
onde l é o comprimento sobre o qual a força F age perpendicularmente.
A tensão superficial é uma propriedade de uma 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. Desta maneira, 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.
No método da gota, deixa-se formar uma gota na extremidade de um tubo vertical, que
pode ser o de uma bureta, 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:
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 ():
Na prática, o peso da gota obtido é sempre menor que o peso da gota ideal. A razão
disto torna-se evidente, quando o processo de formação da gota é observado mais de perto,
conforme ilustra a Figura 1. Observa-se que somente a porção mais externa da gota é que
alcança a posição de instabilidade e cai. Perto de 40% do líquido que forma a gota permanece
ligado ao tubo. Assim, torna-se ainda necessário acrescentar à equação acima um fator de
correção devido que:
i – a gota não se desprende completamente do tubo; e
ii – as forças de tensão superficial não ocorrem numa única direção.
FQE0001
Universidade do Estado de Santa Catarina – UDESC
Centro de Ciências Tecnológicas – CCT
Departamento de Química - DQM
Físico-Química Experimental
Exp. 07 e 08
Desta forma:
onde f apresenta uma relação não linear que envolve o raio e o volume da gota.
Figura 1: Processo de formação de uma gota até seu desprendimento pela ação da
gravidade.
Para contornar este problema, utiliza-se uma relação linear desenvolvida
experimentalmente entre o raio e a massa de uma gota de água destilada para a determinação
do raio a partir da pesagem de 1 gota (r = - 0,02815 + 3,81292 m). Utilizando-se a mesma
bureta, basta medir o volume de 1 gota do líquido que deseja-se medir a tensão superficial
para obter a razão
. Para esta razão, os valores de f encontram-se tabelados na Tabela 1.
Efeito da concentração de soluções na tensão superficial
A tensão superficial da água pura a 20 °C em relação ao ar é igual a 72.10 -3 N/m (72,0
dyn/cm). Esse valor é alterado pela presença de solutos na água, que podem apresentar
diferentes efeitos de acordo com a sua natureza química. Por exemplo, os sais inorgânicos têm
a tendência de aumentar a tensão superficial com o aumento da concentração, os alcoóis
apresentam um efeito oposto, enquanto que substâncias conhecidas como surfactantes
diminuem a tensão superficial até uma concentração limite, acima da qual mais nenhuma
alteração é observada.
Ao se dissolver uma substância orgânica polar, como o álcool, a interação entre as
moléculas de água e do álcool produz um aumento na tensão superficial. Esta variação é
função da concentração da substância orgânica e deve-se ao fato de haver maior concentração
do soluto na interface que no seio da solução. Diz-se, então, que há adsorção na interface. No
caso de uma solução diluída, não iônica, a relação entre a quantidade de soluto adsorvido, a
concentração da solução e a tensão superficial é dada pela Equação de Gibbs:
onde  é o excesso de concentração do soluto na camada superficial por unidade de área
(também chamado de concentração superficial), e c é a concentração no seio da solução.
Deste modo, conhecendo-se como a tensão superficial varia com a concentração,
pode-se calcular a concentração superficial:
FQE0001
Universidade do Estado de Santa Catarina – UDESC
Centro de Ciências Tecnológicas – CCT
Departamento de Química - DQM
Físico-Química Experimental
Exp. 07 e 08
Por outro lado, solutos iônicos apresentam a tendência de aumentar a tensão
superficial do solvente com o aumento da concentração. Isso ocorre devido à atração
eletrostática interaniônica, que tende a aproximar os íons de cargas opostas e,
conseqüentemente, afastá-los da superfície. Em soluções de eletrólitos, um íon está cercado
por íons de carga oposta, mas na superfície da solução, há íons que não estão completamente
envolvidos por cargas opostas. Isto causa uma força de desbalanceamento eletrostático que
tende a atrair estes íons para o interior da solução, causando uma redução da concentração do
soluto na superfície do líquido em relação ao seio da solução. Quando este efeito ocorre,
dizemos que a concentração superficial (, concentração dos íons na superfície do líquido) é
negativa em relação ao seio da solução.
Dá-se o nome de agentes tensoativos, agentes de superfície, anfifílicos, surfactantes ou
simplesmente tensoativos, às substâncias que, colocadas em solução, são capazes de
modificar as propriedades superficiais do solvente. A atividade superficial destas substâncias
é conseqüência de sua estrutura química. Todas elas possuem, em uma mesma molécula,
grupos polares e grupos não polares, ou seja, uma parte hidrofílica e outra hidrofóbica. A
porção hidrofóbica é, geralmente, constituída por cadeias alifáticas ou, menos
freqüentemente, por heterocíclicos ou sistemas de anéis aromáticos. A porção hidrofílica pode
ser constituída por grupamentos funcionais, cuja estrutura condiciona a afinidade pela água
(carboxilas, hidroxilas, grupamentos sulfúricos, etc.).
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 2.
Figura 2: Variação da tensão superficial com a concentração de detergente.
2. Objetivos
Medir a tensão superficial de diferentes substâncias utilizando o método da gota, a
partir do valor conhecido de tensão superficial da água.
Medir a influência de eletrólitos presentes numa solução nos valores de tensão
superficial
Observar a variação da tensão superficial em soluções contendo detergente.
FQE0001
Universidade do Estado de Santa Catarina – UDESC
Centro de Ciências Tecnológicas – CCT
Departamento de Química - DQM
Físico-Química Experimental
Exp. 07 e 08
3. Procedimento Experimental
3.1 Material









Bureta de 25 mL
Vidro de relógio
06 Béquer de 50 mL
Proveta de 100 mL
Água destilada
Solução de NaCl em concentrações de 2% a 16% (m/V)
Detergente
Pipeta de Pasteur
Balança de precisão
3.2 Procedimento 1 (Tensão superficial pelo método da gota)
Inicialmente, determina-se o raio da bureta medindo-se a massa de uma gota de água
destilada e aplicando este resultado na relação linear entre o raio e a massa da gota. Para isso,
pesa-se o vidro de relógio vazio, adiciona-se 20 gotas de água destilada através da bureta, e
pesa-se o vidro de relógio novamente.
Meça na bureta o volume das 20 gotas de água e utilize o volume de 1 gota para
calcular a relação
e utilize os valores da Tabela 1 para determinar f.
Prepare 6 soluções de NaCl nas concentrações entre 2% e 16% (m/V) utilizando os
béquers e a proveta.
Repita os procedimentos anteriores para determinar as tensões superficiais das
diferentes soluções de NaCl. Comece da solução mais diluída para a mais concentrada.
Tabela 1: Valores experimentais de correção do peso da gota
FQE0001
Universidade do Estado de Santa Catarina – UDESC
Centro de Ciências Tecnológicas – CCT
Departamento de Química - DQM
Físico-Química Experimental
Exp. 07 e 08
3.3 Procedimento 2 (Estudo do comportamento da tensão superficial em soluções de
detergentes)
Prepare soluções de detergente, colocando aproximadamente as seguintes quantidades
e completando o volume para 100 mL de solução: 0,25g; 0,5g; 1,0g; 1,5g e 2,0g. Meça a
tensão superficial da água pura e das cinco soluções utilizando o mesmo método do
procedimento 1.
4. Discussão dos Resultados
Represente graficamente os valores de tensão superficial pela concentração através de
gráficos de  vs. c e  vs. ln c, onde c é a concentração em % de massa. Observe como a
tensão superficial varia para soluções salinas e para soluções de detergente. Para o
Procedimento 2, determine a concentração a partir da qual a tensão superficial permanece
constante.
5. Questões
No gráfico de γ vs. ln c para o Procedimento 2, calcule a concentração superficial a
partir do coeficiente angular da reta obtida. Para isso use R = 8,314 J/K.mol (1 J = 1 N.m) e a
temperatura em Kelvin. Aproveite os dados experimentais obtidos para calcular a área
ocupada por uma molécula* de detergente em Å2 (1 Å = 10-10 m).
*Área ocupada por uma molécula (w):
, onde N = 6,02.1023 moléculas/mol
6. Referências Bibliográficas
1. Souza, N.J.Mello de; Martins Filho, H.P.; Experimentos em Físico-Química. Segunda
Edição. Neoprinte Ltda:Curitiba. 1995.
2. Atkins, P; de Paula, J.; Físico-Química. Vols. 1-2. Nona Edição. LTC:Rio de Janeiro.
2012.
3. Shoemaker, D. P.; Garland, C. W.; Nibler, J. W. Experiments in Physical Chemistry.
Fifth Edition. New York:McGraw-Hill, 1989.
4. Behring, J.L; Lucas, M.; Machado, C.; Barcellos, I.O.; “Adaptação no método do peso
da gota para determinação da tensão superficial: um método simplificado para a
quantificação da CMC de surfactantes no ensino da química.” Quim. Nova, Vol. 27,
492 – 495, 2004.