evolução dos conceitos da física -...
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Priscila
UNESP
Faculdade de Ciências e Tecnologia - FCT
Presidente Prudente - SP
Evolução dos Conceitos
da Física
15 de junho de 2018
E=mgV
Tensão de superfície ou tensão superficial...
T E N S Ã O S U P E R F I C I A L
Fo r ç a s c o e s i v a s e n t re m o l é c u l a s f a ze m
c o m q u e a s u p e r f í c i e d e u m l í q u i d o s e
c o n t r a i a p a r a a me n o r á re a d e
s u p e r f í c i e p o s s í ve l . E s s e e fe i t o ge r a l é
c h a m a d o t e n s ã o s u p e r f i c i a l . M o l é c u l a s
n a s u p e r f í c i e s ã o p u x a d a s p a r a d e n t ro
p o r fo r ç a s c o e s i v a s , re d u z i n d o a á re a d a
s u p e r f í c i e . M o l é c u l a s d e n t ro d o l í q u i d o
ex p e r i m e n t a m fo r ç a l í q u i d a ze ro, u m a
ve z q u e t ê m v i z i n h o s d e t o d o s o s l a d o s .
Forças atrativas entre moléculas
d+ d- d+ d-
Moléculas polares e ligações de hidrogénio:
Moléculas apolares (forças de dispersão):
d+ d- d+ d-
Polarização
Atração
Atração
d+
d-
d+
Ligações de hidrogénio
As mais fortes (ex. água)
Dipolo instantâneo-
dipolo induzido
As mais fracas
(ex. petróleo)
Dipolo-dipolo
Intermédias
(ex. acetona)
O-H
H-Od-
Atração
A intensidade das forças intermoleculares reflete-se
nas propriedades físicas das substâncias.
De um modo muito geral
Maiores forças intermoleculares
Maiores pontos de ebulição
Maiores viscosidades
Maiores energias de vaporização
Maiores tensões superficiais
....
........
....
....
....
........
Superfície livre do líquido
Moléculas no seio
do líquido
Moléculas na
superfície do líquido
As moléculas da superfície encontram-se atraídas para
o interior do líquido; comportam-se como uma película
esticada que se estende sobre o líquido.
1
Forças atrativas entre moléculas do mesmo tipo são chamadas
forças coesivas. Os líquidos podem, por exemplo, ser mantidos
em recipientes abertos porque as forças coesivas mantêm as
moléculas juntas. Forças atrativas entre moléculas de diferentes
tipos são chamadas forças adesivas. Tais forças fazem com que
gotas de líquido se agarram às janelas, por exemplo.
Observação:
superfíciear
líquido
Molécula de água
Falta molécula de água
Força F direcionada
para o interior do meio
Forças coesivas para as
moléculas vizinhas
Falta das forças coesivas
para as moléculas vizinhas
A tensão superficial é a força por unidade de
comprimento que se exerce tangente à superfície
do líquido; é a tensão desta membrana superficial.
Peso do objecto
Tensão
superficial
Resultante Tensão
superficial
Se a membrana
for cortada, abre...O peso do objecto
é equilibrado pela
tensão superficial
Tensão superficial
Qual a razão de os sabões e detergentes baixarem a
tensão superficial das soluções?
Os sabões e detergentes são constituídos por moléculas com uma parte
polar (hidrofílica) e uma parte apolar (hidrofóbica):
Polar
Parte apolar
CH3-CH2-CH2 –CH2-CH2-CH2-CH2...CH2-CH2-CH2-COO¯
CH3-CH2-CH2 –CH2-CH2-CH2-CH2...CH2-CH2-CH2- -SO3¯
Esquematicamente:
Sabão
Detergente
Hidrofílica
hidrofóbica
Amiga da água...Amiga dos lípidos...
HidrofílicaHidrofóbica
ÁGUA
Camada pouco polar (baixa tensão superficial)
A película de água é substituída por uma película
apolar ou pouco polar, de baixa tensão superficial
O detergente baixa a tensão
superficial da água
D e t e r g e n t e
Qual a razão de o detergente líquido se
espalhar rapidamente sobre a superfície
da água em contraste com o que acontece
com o óleo?
Óleo Detergente líquido
O detergente líquido é uma solução aquosa de
detergente, em que as moléculas se encontram
agrupadas sob a forma de micelas, com os
extremos hidrofílicos ligados à agua:
Região apolarRegião polar
–
–
–
H2OH2O
H2O
H2O
H2O H2O
H2O
H2O
H2O
H2O
H2O
H2OH2OH2O
H2O
H2OH2O
H2O
H2O
Dissolve as
gorduras
Quando o detergente é colocado na superfície da água, as
micelas desagregam-se e as moléculas de detergente
mergulham os seus extremos polares na água:
–
–
–
... ficando os extremos apolares fóra da água, formando
uma película orgânica apolar, de baixa tensão superficial.
É esta película que, ao estender-se sobre a água,
arrasta os objetos em flutuação.
Ao óleo falta-lhe aquela “cabeça” polar e, por isso, não se
mistura com a água.
As forças atractivas entre as moléculas de água são
demasiado fortes para permitir que as moléculas de óleo se
metam no meio delas.
–
DetergenteÓleo
H2O
H2O
H2O
H2OH2O
H2O
H2O
H2O
H2O
H2OH2O
H2O
Água e óleo
são imiscíveis
Líquido Temperatura (°C)Tensão superficial
(mN/m)
Ácido acético 20 27,6
Acetona 20 23,7
Éter etílico 20 17
Etanol 20 22,27
Glicerina 20 63
Hexano 20 18,4
Ácido clorídrico em
solução aquosa20 65,95
Isopropanol 20 21,7
Mercúrio 15 487
Álcool metílico 20 22,6
Octano 20 21,8
Solução aquosa de cloreto
de sódio20 82,55
Sacarose + água 20 76,45
Água 0 75,64
Água 25 71,97
Água 50 67,91
Água 100 58,85
Geralmente, um sistema sob a influência de
forças move-se em direção a uma configuração
de equilíbrio que corresponde à energia
potencial mínima. A esfera contém o maior
volume para a menor área → energia potencial
de superfície mínima. Não há gotas de chuva
cúbicas.
Suminagashi "floating ink" in Japanese
Primeira referência em um poema do séc XII
Benjamin Franklin
(Boston, 17 de janeiro de 1706 — Filadélfia, 17 de abril de 1790) foi um jornalista,
editor, autor, filantropo, abolicionista, funcionário público, cientista, diplomata,
inventor e enxadrista estadunidense.
Foi um dos líderes da Revolução Americana, conhecido por suas citações e
experiências com a eletricidade.
Um cálculo usando os dados anotados por B. Franklin,
da área coberta por um volume de óleo, levariam a um
filme com espessura de 10Å (1x10-10m)!!!
Sobre a acalmia das ondas por meio de
óleo. Extraído de diversas cartas entre...
Rayleigh repetiu algumas experiências de B. Franklin e concluiu que os
filmes de óleo sobre água eram de apenas uma molécula de espessura.
Ele também obteve um valor para o tamanho de uma molécula de
surfactante numa altura em que muitos cientistas não acreditam na
existência de átomos. O valor encontrado foi 16Å
Lord Rayleigh
▪ Matemático e físico inglês, conhecido por suas
pesquisas em fenômenos ondulatórios
▪ Foi o segundo professor sênior na Universidade de
Cambridge em sequencia a James Clerk Maxwell
▪ Recebeu o Nobel de Física, em 1904, por pesquisas
sobre a densidade dos gases mais importantes e
pela descoberta do argônio
Estamos em 1774!!! A teoria atômica de Dalton foi proposta em 1803.
A primeira a fazer medições reprodutíveis em monocamadas foi Agnes Pockels.
Ela desenvolveu técnicas para examinar filmes na superfície da água. Ela
percebeu, ao empurrar um filme de sabão por barreiras móveis na interface ar-
água, que a pressão do filme aumentou fortemente abaixo de uma determinada
área e resumiu seus resultados em uma carta a Lord Rayleigh, que apoiou a sua
publicação em 1891.
Pioneira nas Ciências de Superfície (Surface Science)
Agnes Pockels
Pockels descobriu a influência de impurezas sobre a
tensão superficial de fluidos lavando louça em sua
própria cozinha
Pockels publicou 14 artigos em 35 anos.
➔ Nasceu em 31/01/1881 na cidade de Nova Iorque
➔ Em 1903 graduou-se em engenharia metalúrgicapela escola de Minas da Universidade de Columbia
➔ Em 1906 recebeu o título de Doutor pelaUniversidade de Göttingen na Alemanha
➔ Em 1909 mudou-se para Schenectady, NY, paratrabalhar no laboratório de pesquisas da GE
➔ Estudos desenvolvidos na área de química desuperfícies
➔ Em 1917 desenvolve um aparato experimental que permitia o estudo de filmesultrafinos → Filmes de Langmuir
➔ Morreu em 1957
➔ Em 1932 recebe o Premio Nobel
➔ Em 1935 em parceria com a pesquisadora Katherine B. Blodgett → Filmes LB
➔ Em 1938 em parceria com o pesquisadorVincent J. Schaefer→ Filmes LS
Irving Langmuir
* Obtenção dos primeiros filmes de Langmuir por volta de 1917
Langmuir, I; JACS 39; 1848-1906 (jul 1917)
DOI: 10.1021/ja02254a006
1927
Langmuir-Blodgett (LB)
Katharine Burr Blodgett (10 de janeiro de 1898 Schenectady, Nova York - 12 de
outubro de 1979) foi a primeira mulher a receber um Ph.D. em física pela Universidade de
Cambridge em 1926. Depois de receber seu mestrado, ela foi contratada pela General
Electric.
Blodgett foi contratada pela General Electric como cientista de
pesquisa assim que recebeu seu mestrado em 1920. Ela foi a
primeira mulher a trabalhar como cientista da General Electric
Laboratory em Schenectady, NY. Durante sua pesquisa, muitas vezes
trabalhou com Langmuir, que havia trabalhado com o seu pai.
Blodgett e Langmuir trabalharam em revestimentos
monomoleculares projetados para cobrir superfícies de água, metal
ou vidro. Esses revestimentos especiais eram oleosos e podiam ser
depositados em camadas de apenas alguns nanômetros de espessura.
Em 1935, a Blodgett desenvolveu um método para espalhar esses revestimentos
monomoleculares um de cada vez em vidro ou metal. Ela usou um filme de estearato de
bário para cobrir um substrato de vidro com 44 camadas monomoleculares que tornaram o
vidro mais de 99% transmissivo, criando vidro "invisível".
* Obtenção dos primeiros Filmes LB por volta de 1935
Langmuir-Blodgett (LB)
Langmuir-Blodgett (LB)
Langmuir-Schaefer (LS)
Press
ão d
e s
uperf
ície
(m
N/m
)
Área molecular média (Å)
Fase líquida
Fase condensada
Fase gasosa
Filmes de Langmuir e LB
Filmes de Langmuir
Irving Langmuir (1881-1957)
Premio Nobel - 1932 Cuba de Langmuir
barreirabarreira
sensor de Wilhelmy
dipper
1916/1917
Filmes de Langmuir
Key factor:
Moléculas com caráter anfifílico
Caracterização in-situ:
- pressão de superfície ( x A)
- potencial de superfície (V x A)
- BAM
- UV-vis, fluorescência, elipsometria
Reprodutibilidade:
- cautela
- ambiente
- água ultrapura
ácido esteárico
15 20 25 30 35 40 45
0
10
20
30
40
50
60
Pre
ssão
de
super
fíci
e (
mN
/m)
Área molecular média (Å)
fase condensada
fase líquida
fase gasosa
colapso
Aext
grupo apolar: flotação
grupo polar: dispersão
Filmes de Langmuir
Cálculo da área por molécula (eixo X)
( )
AvogadroN
mol
gMM
LVL
gC
moléculasN .)(
).(
=
Área (S)
Área por
molécula (A)
ácido esteárico
15 20 25 30 35 40 45
0
10
20
30
40
50
60
Pre
ssão
de
super
fíci
e (
mN
/m)
Área molecular média (Å)
fase condensada
fase líquida
fase gasosa
colapso
Aext
Eletrobalança
Sensor de
Wilhelmy
Pressão de superfície da monocamada = 0 -
Tensão de superfície da água =72 mN/m
Tensão de superfície da água + monocamada
Cálculo da pressão de superfície (eixo Y)
ácido esteárico
15 20 25 30 35 40 45
0
10
20
30
40
50
60
Pre
ssão
de
super
fíci
e (
mN
/m)
Área molecular média (Å)
fase condensada
fase líquida
fase gasosa
colapso
Aext
Substrato
Subfase
aquosa
Subfase
aquosa
SubstratoTipo X
Tipo Z
Tipo Y
Filmes de Langmuir-Blodgett (LB)
Evolução dos equipamentos
➔ Cuba de Langmuir comercializada na década de 80
➔Substituição dos controles manuais pordispositivos eletrônicos, porém...
➔Construção de salas limpas
Evolução dos equipamentos
BAM
FTIR
Evolução dos equipamentos
