UNIVERSIDADE FEDERAL DO PARANÁ

ANA PAULA PATIAS GUIMARÃES

DIANDRA SANCHEZ LEITNER

LAIZE CHAVES BILOTTI

LORENA PANAGE MOURA

RELATÓRIO DE FISICO-QUÍMICA EXPERIMENTAL II

TENSÃO SUPERFICIAL – PARTE 1

Trabalho referente à primeira prática sobre tensão superficial, realizada pelos alunos da bancada 04, da disciplina de Fisico-Química Experimental II, do curso de Engenharia Química, setor de Exatas da UFPR.

Profa.: Dra. Isabel Cristina Riegel

CURITIBA – PR2011

1. Introdução

Uma molécula no interior do líquido (Figura 1) sofre radialmente e, em média, igualmente em todas as direções, forças de atração das moléculas vizinhas, de modo que estas forças estão perfeitamente balanceadas. Em geral, esta atração é efetiva apenas por uma distância d, chamada de alcance molecular, que é da ordem de 10-7 cm. Para uma molécula que se encontra a uma distância da superfície do líquido menor do que d (Figura 2), as forças sobre ela se tornam desbalanceadas, uma vez que uma das metades com esse raio, abaixo dela, está preenchido totalmente com moléculas que a atraem, e a metade acima dela, por se estender além da superfície do líquido, está preenchido apenas parcialmente com moléculas que a atraem.

Figura 1 Sistema em equilíbrio.

Para uma molécula na fronteira do líquido, o desbalanceamento das forças é máximo (Figura 3). Assim, existe uma forte tendência das moléculas que se encontram dentro de uma camada superficial serem puxadas para o interior do líquido, e por isso a superfície do líquido tende a se contrair espontaneamente na direção do mesmo. Essa tendência em adotar formas que tornam mínima a sua área superficial de modo que o número máximo de moléculas fique no interior da fase explica fenômenos como a formação de gotículas esféricas. [2]

Se uma molécula se move do interior do líquido para a camada superficial, esta força realiza um trabalho negativo sobre ela. Assim, a superfície de um líquido pode ser aumentada se um certo número de moléculas passa do interior do líquido para a camada superficial, fato que só acontece pela realização de trabalho. A diminuição da superfície permite a realização de trabalho para o exterior.

A unidade SI para a tensão superficial é o N/m, que é numericamente igual à razão do aumento da energia de Gibbs superficial com a área, em J/m2.

Na Tabela 1 encontram-se alguns valores da tensão superficial.

Tabela 1 – Tensão Superficial de Líquidos

1.1 Ângulo de Contato

A tendência de partículas de água se achatarem sobre a superfície de um automóvel, por exemplo, é um indicativo que ele precisa ser lavado. Após a lavagem, gotas de água sobre a superfície teriam contornos mais esféricos, dizemos que um líquido “molha” uma superfície quando o ângulo de contato θ é menor de 90°. Por esta definição, a superfície do carro estava molhada antes da lavagem, e não molhada após a lavagem. Este é um exemplo da tensão superficial. Sempre que um líquido está em contato com outros líquidos ou gases, ou com uma superfície gás/sólido como neste exemplo, uma interface se desenvolve agindo como uma membrana elástica esticada e criando uma tensão superficial.

O ângulo de contato (θ) entre uma fase líquida e uma fase sólida depende apenas das tensões entre as faces dos três meios em contato. Ou seja, independe do formato do recipiente ou da gravidade.

Figura 2 Ilustração da formação do ângulo de Contato.

Esse equilíbrio de forças se dá entre as forças de adeção entre o líquido e os meios em contato e as forças de coesão do próprio líquido. O Qunado o equilíbrio de forças desloca-se para o sentido das forças de adesão, ocorre diminuição dos fenomenos de não molhamento, ou sejá, o algulo de contato

aumenta. Quando as forças de adesão são maiores que as de coesão, significa que o fluido é mais atraido pela superfície do que pelo próprio fluido, ocorrendo o fenômeno de molhamento.

1.2 Ascenção Capilar

O fenômeno de ascensão capilar é descrito pelo movimento acendente de fluidos dentro de tubos muito finos (capilares) por ação natural. Tal fenômeno só se observa quando as forças de adesão do fluido com o capilar são maiores que as forças de coesão do fluido, ou seja, há molhamento. Como conseqüência da tensão superficial, ao introduzir um tubo capilar em um líquido que o molhe, o líquido eleva-se pelo capilar.

Figure 3 Ascenção Capilar em um capilar de vridro.

2. Objetivos

Identificar a tensão superficial de vários líquidos.

Observar o fenômeno de capilaridade e estimar a tensão superficial de líquidos e soluções.

3. Procedimento Experimental

A primeira parte do procedimento experimental foi dedicada a entender as interações moleculares chamadas de forças de coesão (entre moléculas da mesma fase) e forças de adesão (entre moléculas de fases diferentes). Para isso, primeiramente uma placa de vidro foi lavada com água de torneira e água destilada e secada com papel toalha. Em seguida água, metanol, butanol e dodecil foram gotejados separadamente na placa de vidro e as amostras foram listadas em ordem crescente de ordem de espalhamento. Por fim, as amostras foram gotejadas lado a lado, na tentativa de misturá-las na placa de vidro, de modo que observou-se se elas são miscíveis, imiscíveis ou parcialmente miscíveis:

a) Água + metanol;b) Água + butanol;c) Água + dodecil;d) Butanol + metanol;e) Dodecil + metanol;f) Dodecil + butanol.

Na segunda parte do procedimento experimental, foram lavados e secados uma régua pequena e um tubo capilar. Aquela, então, foi mergulhada em um béquer o qual continha certa quantidade de água. Em seguida mergulhou-se a ponta do capilar na água e este foi colocado junto com a escala da régua. Verifica-se se o capilar está limpo abaixando-o e levantando-o, com a ponta mergulhada na água, o nível do líquido dentro do capilar deve sempre retornar à posição original. Foram feitas três medidas de alturas de água no béquer e do menisco do capilar. O procedimento foi repetido com os outros líquidos (metanol, butanol e dodecil).

4. Resultados

Na primeira parte do experimento foram obtidos os seguintes resultados:

a) Água + metanol: miscível, pois ambos compostos são polares;b) Água + butanol: parcialmente miscível, pois o butanol, apesar de ter

um grupo -OH polar e semelhante a água, possui uma cadeia carbônica longa o que faz com que a molécula possua uma parte apolar considerável;

c) Água + dodecil: solúvel, pois apesar de o dodecil possuir uma cadeia carbônica longa, ele possui uma ponta polar e é um tensoativo (reduz a tensão superficial da água);

d) Butanol + metanol: solúvel, pois ambos são alcoóis (polares), logo, são moléculas semelhantes;

e) Dodecil + metanol: parcialmente solúvelf) Dodecil + butanol: parcialmente solúvel

Na segunda parte do experimento, realizada em um tubo capilar, foram medidas as alturas de cada substância para que, a partir da mesma, fosse possível calcular a tensão superficial de cada elemento. Para calcular a tensão superficial, foi utilizada a fórmula de capilaridade representada abaixo.

γ= r . ρ. g .∆ H2

(equação 01)

Mas para calcular a tensão superficial de cada substância é preciso conhecer o raio do tubo do capilar. Para isso, vamos utilizar a mesma formula acima, empregando o valor da tensão superficial de uma substância conhecida, a água. A tensão superfícial da água foi obtida a partir da tabela 1 abaixo na temperatura ambiante resultando em um valor de 72,516 mN/m.

Tabela 1 – Densidade e Tensão Superficial da Água no Ar em Diversas Temperaturas

A partir da tensão superfícial pode-se, então, calcular o raio do tubo capilar. Os raios obtidos por cada bancada apresentam-se nas tabelas abaixo.

Tabela 2

Bancada AH2O

Δh (m)0,01230,013

Δh médio (m) 0,01265

ρ (kg.m-3 ) 998,23

γ (mN.m-1)(teorico) 72,516

r (m) 0,00118

Tabela 3

Tabela 4

Calculados os raios de cada bancada, pode-se então calcular a tensão superficial de cada substância utilizando a mesma formula apresentada acima. Os calculos foram feitos e estão representados nas tabelas abaixo.

Tabela 5

Bancada BH2O

Δh (m)0,0250,0260,024

Δh médio (m) 0,025

ρ (kg.m-3 ) 998,23

γ (mN.m-1)(teorico) 72,075

r (m) 0,00059

Bancada CH2O

Δh (m)0,0260,0250,026

Δh médio (m) 0,02567

ρ (kg.m-3 ) 998

γ (mN.m-1)(teorico) 72,075

r (m) 0,00058

Bancada AAlturas medias dos liquidos nos capilares (m)

Substância Metanol1-Butanol Dodecil

Δh (m)0,013 0,012 0,0080,014 0,011 0,011

Δh (m) 0,0135 0,0115 0,0095ρ (kg.m-3 ) 790 810 1100γ (mN.m-1)(exp) 61,2454 53,49283 60,011γ (mN.m-1)(teorico) 22,07 24,93 25,28Erro Relativo 178% 115% 137%

Tabela 6

Bancada CAlturas medias dos liquidos nos capilares (m)

Substância Metanol1-Butanol Dodecil

Δh (m)0,009 0,011 0,0140,01 0,012 0,0130,008 0,01 0,015

Δh médio (m) 0,009 0,011 0,014ρ (kg.m-3 ) 790 810 1100γ (mN.m-1)(exp) 20,5345 25,73308 44,477γ (mN.m-1)(teorico) 22,07 24,93 25,28Erro Relativo 7% 3% 76%

Tabela 7

Bancada DAlturas medias dos liquidos nos capilares (m)

Substância Metanol1-Butanol Dodecil

Δh (m)0,011 0,01 0,0130,011 0,009 0,0130,011 0,01 0,012

Δh médio (m) 0,011 0,009667 0,0127

ρ (kg.m-3 ) 790 810 1100

γ (mN.m-1)(exp) 24,4514 22,03162 39,205

γ (mN.m-1)(teorico) 22,07 24,93 25,28Erro Relativo 11% 12% 55%

5. Discussão

Os resultados obtidos na primeira parte podem ser resumidamente explicados pela frase: “semelhante dissolve semelhante”. Isto é, vimos que moléculas polares são miscíveis com outras moléculas polares, como é o caso da água com o metanol. Do mesmo jeito, moléculas apolares normalmente se misturam com moléculas apolares. No caso da água com o butanol, por exemplo, a miscibilidade é apenas parcial, isso ocorre pois apesar das duas moléculas seres polares, o butanol possui uma cadeia carbônica razoavelmente longa (com quatro carbonos) o que corresponde a uma parte apolar da molécula, diminuindo assim a sua solubilidade com a água, que é uma molécula pequena e completamente polar.

Com o dodecil, tem-se um caso atípico. Isto acontece pois ele é um tensoativo, ou seja, uma substância que reduz a tensão superficial da água ou a tensão superficial de dois líquidos não miscíveis entre si, o que favorece a miscibilidade.

Na etapa em que as alturas foram medidas para a determinação da tensão superficial, o valor da tensão superficial obtido pela bancada “A” apresenta erros absurdamente altos para todas as substâncias. Isso se deve ao erro de medida das altura pois, para a determinação do ∆H, foi utilizado uma régua, cuja imprecisão é muito alta. Em relação às bancadas “B” e “C”, os erros encontrados são bem menores, tornando-se mais coerentes.

6. Conclusão

Através do experimento realizado observou-se o comportamento das substâncias em questão quando isoladas e quando interagem umas com as outras, pode-se ainda calcular e entender a tensão superficial de um fluido e sua relação com o grau de espalhamento e o ângulo de contato em uma superfície.

Foi possível, tambêm, determinar a tensão superficial do butanol, metanol e dodecil, porem com uma imprecisão muito grande no caso do Dodecil.

7. Referências Bibliográficas

[1] RANGEL, R.N., Práticas de Físico-Química, 2006. 3ed. São Paulo-SP. Ed. Edgard Blucher Ltda.

[2]  ATKINS, P., PAULA, J. Atkins Physical Chemistry.  8ed. Nova York: Oxford Press. 2006

[3] DE SOUZA, N. J. M., Experimentos em Físico Química, 1995. 2ed. Curitiba-PR. Neoprinte Ltda.

[4] <http://www.qgsquimica.com.br/qgs/det_comunicacao.php?id=55&det_comunic=3> acessado em 09/10/2011