Relatório - Físico Quimica Experimental - Método da gota

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UNIVERSIDADE DO ESTADO DO AMAZONAS – UEA
ESCOLA SUPERIOR DE TECNOLOGIA – EST
CURSO DE ENGENHARIA QUÍMICA
Disciplina: Físico-Química Experimental
MEDIDA DA TENSÃO SUPERFICIAL – MÉTODO DO PESO DA GOTA
	Data de realização do experimento: 16/06/2016
	Turma: EQM05_T01
	Prof. Responsável: Sergio Duvoisin Junior
	Aluno: Dáffiny Araújo Moura
	
	Nota do grupo:
	Aluna: Letícia Sako
	
	
	Aluna: Sandryelle Karolina Oliveira Plácido
	
	
Manaus – AM
2016
1. INTRODUÇÃO
 Definição
A tensão superficial () nasce nos líquidos resulta do desequilíbrio entre as forças e age nas moléculas presentes na superfície em relação às moléculas que se encontram na parte interna da solução. A força responsável pela atração da superfície de um determinado líquido para o interior do mesmo passa a ser o maior empecilho para que se formem bolhas, nucleação de cristais em líquidos e gotas (ADAMSON, 1997).
Determina-se a tensão superficial através de vários métodos. Esses métodos são divididos em: dinâmicos, estáticos e de separação (ou desprendimento). O método satisfatoriamente mais simples é o método do peso da gota que é uma forma de se determinar a tensão superficial embasada no desprendimento (ADAMSON, 1997).
Figura 1. Esquema da gota caindo (PILLING, 2010).
 Método do Peso da gota
Este método foi proposto por Tate em 1864 e depois foi aprimorada por Harkins e Brown e Paddy e vários outros pesquisadores. O procedimento que é seguido nesse método é o seguinte: uma quantidade de gotas que cai de um tubo capilar que possua um valor conhecido de raio e que tenha um eixo vertical é pesada. Neste método utiliza-se uma estalagmômetro, porém para líquidos que possuem baixa volatilidade um equipamento simples, como o da Figura 2, pode ser utilizado (LUZ, 2001).
Figura 2. Equipamento simples utilizado para determinar tensão superficial (LUZ, 2001).
Quando a gota é desprendida do equipamento a força aplicada pelo peso da gota (m.g) é estabilizada pela tensão superficial vezes a circunferência da gota formada (2.r). Portanto, o cálculo da tensão superficial pode ser realizado através da medida de massa, como mostra a equação abaixo (ADAMSON, 1997):
Onde:
	m: massa da gota (Kg);
	g: aceleração da gravidade (m/s2);
r: raio do tubo capilar (m);
f: fator de correção.
 Tensoativos
Tensoativos são substâncias capazes de fazer com que seja diminuída a tensão superficial de soluções aquosas. Essa capacidade é explicada pelo fato dessas substâncias serem formadas por moléculas que possuem um segmento polar que tem afinidade com a água e um segmento apolar que não apresenta afinidade com a água. Portanto, as moléculas se organizam na solução de tal maneira que a parcela polar se volta para o meio aquoso e a parte apolar se volta para o ar que também é apolar (BORSATO et al.,2004).
Figura 3. Esquema de uma molécula de um tensoativo (SOUZA, 2015).
Quando a superfície fica saturada e são adicionadas outras moléculas de tensoativos, essas moléculas quase não apresentam efeito sobre a tensão superficial, especialmente depois de já terem atingido a concentração crítica (CMC) que se dá quando ocorre a formação de espontânea de agregados moleculares que apresentam dimensões coloidais, denominadas micelas (ADAMSON, 1997).
Figura 4. Representação de um tensoativo em uma solução (PALANDI, 2012).
OBJETIVOS
 Objetivo Geral
Utilizar o método do peso da gota para calcular a tensão superficial.
 Objetivos Específicos
Compreender a definição de tensão superficial, utilizando o conceito nos surfactantes e entender como ocorre à formação de micelas; 
Determinar o fator de correção e o raio da bureta para a aplicação da Lei de Tate;
Construir um gráfico que relaciona tensão superficial com a concentração de um surfactante para que seja feita a determinação da CMC;
Comparar os resultados encontrados com os dados encontrados na literatura.
3. MATERIAIS E MÉTODOS
3.1. Materiais Utilizados
Balão volumétrico de 100 mL (10);
Bureta de 25 mL;
Vidrinho para coleta das gotas com tampa (11);
Balança analítica;
Bureta de 50 mL;
Garra para bureta;
Suporte universal (2);
Béquer de 100 mL;
Béquer de 50 mL.
3.2. Reagentes Utilizados
Solução de SDS (Dodecil Sulfato de Sódio) (NaC12H25SO4) (50,0 mM);
Água destilada.
3.3. Procedimento Experimental
 Preparou-se 8 soluções de SDS com as seguintes concentrações: 1,0 mM; 3,0mM; 5,0 mM; 7,0mM; 8,0mM; 9,0mM; 11,0mM; 15,0mM; 18,0mM; 20,0 mM. 
Colocou-se o líquido na bureta que estava na bancada onde estávamos, iniciando pela água pura e em ordem da solução menos concentrada a mais concentrada. Ajustou-se para uma vazão de 1 gota por 6 segundos. 
Recolheu-se 10 gotas do líquido no frasco (já pesado anteriormente com a tampa). Anotou-se o volume e a massa correspondente às gotas recolhidas. 
Determinou-se o peso de uma gota, o volume de uma gota. Calculou-se r/3√V e obteve-se f. Calculou-se a tensão γ.
4. RESULTADOS E DISCUSSÃO
Através do método do peso da gota, obtém-se a medida da tensão superficial, em que o peso da gota formada na ponta da bureta será máximo no instante anterior ao seu desprendimento. Segundo a Lei de Tate, neste instante, o peso está em equilíbrio com a resultante do produto entre a tensão superficial do líquido e o perímetro da ponta da bureta, sendo então proporcionais (LIMA, 2014). Assim, a tensão superficial pode ser encontrada a partir da Equação 1 (TEIXEIRA Neto et al., 2009).
 (1)
, em que m é a massa da gota; g é a gravidade; e r é o raio de uma gota ideal.
	A Equação 1 também pode ser reescrita pela relação entre volume (V) e densidade do líquido (ρ), conforme a Equação 2 (TEIXEIRA Neto et al., 2009).
 (2)
	Inicialmente, foi necessário encontrar o raio da bureta para se chegar à tensão superficial do líquido em análise. Deste modo, utilizou-se a massa de uma gota de água, cujas propriedades são conhecidas, para determinação do raio.
	Assim, encheu-se a bureta com água e ajustou-se o fluxo de queda para 1 gota a cada 10 segundos. Em um frasco de vidro previamente pesado, recolheu-se as 5 primeiras gotas, levando para a balança analítica, anotando sua massa; o volume também foi anotado utilizando a escala da bureta. Utilizando o mesmo frasco, recolheu-se mais 10 gotas, anotando a massa total e o volume. Os valores obtidos estão dispostos na Tabela 1.
Tabela 1. Dados para determinação do raio da bureta.
	
	Frasco vazio
	Frasco com 5 gotas
	Frasco com 15 gotas
	m (g)
	13,2318
	13,5301
	14,1395
	V (mL)
	-
	0,2
	0,8
	A massa de uma gota de água foi calculada pela Equação 3, em que a diferença das medidas fornece o peso de dez gotas consideradas livres de vapor (DUVOISIN Jr, 2016).
 (3)
	Utilizando a Tabela 2 fornecida, fez-se uma interpolação dos valores próximos, determinando o raio da bureta.
Tabela 2. Massa de uma gota de água que se desprende de tubos de diferentes diâmetros.
	Massa da gota (g)
	Raio do tubo (cm)
	0,054678
	0,17750
	0,059700
	0,19666
	0,068026
	0,23052
	0,069869
	0,23790
	O volume de uma gota de água foi obtido pela Equação 4.
 (4)
	Sabe-se que o peso encontrado será sempre inferior ao peso de uma gota ideal, visto que ao formar a gota, cerca de 40% dela permanece na bureta (Figura 5).
Figura 5. Formação da gota.
Fonte: Própria.
Com isso, deve-se fazer o cálculo do fator de correção (f) que posteriormente é adicionado na Equação 1, resultando na Equação 5 (BEHRING et al., 2004).
 (5)
	Para encontrar o fator de correção, deve-se fazer uma relação entre o raio e o volume, conforme a equação a seguir (DUVOISIN Jr, 2016). Em seguida, utilizando os dados contidos na Tabela 3, realiza-se a interpolação dos valores, achando f.
 (6)
Tabela 3. Fator de correção para o método do peso da gota.
	
	f
	0,45
	0,6669
	0,50
	0,6515
	0,55
	0,6362
	0,60
	0,6250
Fazendo a interpolação dos dados da tabela com o obtido, encontrou-seo fator de correção f.
	Com isso, determinou-se a tensão superficial da água, pela Equação 5, encontrando valor igual a 0,07267 N/m, de acordo com o encontrado na Literatura de 0,073 N/m (ÇENGEL et al., 2015).
, em que: m = 6,094 × 10-5kg;
g = 9,8 m/s2;
π = 3,14;
r = 2,017 × 10-3m;
f = 0,6484.
	Achado os valores para a água, é possível encontrar as tensões superficiais das soluções de SDS (dodecil sulfato de sódio). Primeiramente preparou-se 10 soluções (Figura 6) em diferentes concentrações de SDS a partir de uma solução de 50,0 mM, utilizando o cálculo de diluição (Equação 7).
Figura 6. Soluções em diferentes concentrações de SDS.
Fonte: Própria.
 (7)
	Os volumes necessários para a preparação das amostras estão contidos na Tabela 4.
Tabela 4. Soluções de SDS.
	Amostra
	Concentração (mM)
	Volume (mL)
	1
	1,0
	2,0
	2
	3,0
	6,0
	3
	5,0
	10,0
	4
	7,0
	14,0
	5
	8,0
	16,0
	6
	9,0
	18,0
	7
	11,0
	22,0
	8
	15,0
	30,0
	9
	18,0
	36,0
	10
	20,0
	40,0
	Assim, realizou-se a coleta de 10 gotas de cada solução em frascos pesados anteriormente, de modo que tivessem a mesma vazão. As massas e volumes foram anotados conforme segue a Tabela 5.
Tabela 5. Massas e volumes das amostras de soluções de SDS.
	Amostra
	Massa do frasco vazio (g)
	Massa do frasco com a solução (g)
	Volume (mL)
	1
	10,5966
	11,4643
	0,4
	2
	13,1552
	13,8484
	0,6
	3
	14,2063
	14,8398
	0,6
	4
	13,0038
	13,5492
	0,6
	5
	13,0361
	13,5393
	0,5
	6
	13,1064
	13,6054
	0,5
	7
	14,7070
	15,1493
	0,4
	8
	14,4682
	14,9253
	0,4
	9
	14,5852
	15,0905
	0,5
	10
	13,2887
	13,7949
	0,5
Tendo conhecimento do raio da bureta e do fator de correção, ambos determinados pela análise da gota de água, calculou-se as tensões superficiais das soluções de SDS diluídas em água utilizando a Equação 1. Os resultados obtidos estão dispostos na Tabela 6.
Tabela 6. Dados das soluções de SDS.
	Amostra
	Concentração (mM)
	Massa de 1 gota (g)
	Tensão γ (N.m-1)
	1
	1,0
	0,08677
	0,10353
	2
	3,0
	0,06932
	0,08271
	3
	5,0
	0,06335
	0,07559
	4
	7,0
	0,05454
	0,06508
	5
	8,0
	0,05032
	0,06004
	6
	9,0
	0,04990
	0,05954
	7
	11,0
	0,04423
	0,05278
	8
	15,0
	0,04571
	0,05454
	9
	18,0
	0,05053
	0,06029
	10
	20,0
	0,05062
	0,06040
Comparando os valores das tensões superficiais das soluções de SDS com a tensão superficial encontrada para a água, γ = 0,07267 N/m; nota-se que para as concentrações de SDS menores (amostras 1 a 3), não ocorre a diminuição da tensão superficial, indicando que não ocorreu a saturação da superfície.
Neste estado, as moléculas ficam dispostas em equilíbrio formando um filme superficial, em que a parte polar (“cabeça hidrofílica”) da molécula está voltada para o líquido e a parte apolar (“cauda hidrofóbica”) para fora, conforme a Figura 6 (NETZ et al., 2008).
Figura 6. Moléculas do tensoativo em forma de filme superficial.
Fonte: UFSM.
Conforme o aumento da concentração do tensoativo SDS na solução, a partir da amostra 4, pôde-se perceber a diminuição da tensão superficial. Isto ocorre, pois, as moléculas de água na superfície começam a permanecer mais afastadas umas das outras, diminuindo as forças de tensão (BEHRING et al., 2004).
Assim, com o acréscimo da concentração do tensoativo, a superfície da água alcança um ponto de saturação (Figura 3), levando a uma diminuição da tensão superficial, observado na Tabela 6 (BEHRING et al., 2004).
Figura 7. Saturação da superfície da água por tensoativo.
Fonte: UFSM.
Quando se adiciona uma solução de SDS de maior concentração, ocorre a saturação no líquido como um todo, atingindo a Concentração Crítica Micelar (CMC), caracterizada pelo surgimento de micelas, conforme mostra a Figura 4 (NETZ et al., 2008; PITOMBO et al., 2005). As micelas consistem em agregados moleculares, em que a parte apolar das moléculas se voltam para dentro e a polar, para fora em contato com a água (BITTENCOURT Filha et al., 1999; BEHRING et al., 2004).
Figura 8. Formação de micelas.
Fonte: UFSM.
Utilizando os resultados obtidos para as tensões das soluções de SDS e suas concentrações, montou-se um gráfico da tensão pela concentração a fim de determinar o CMC, através da estimativa de retas tangentes à curva obtida (MARTÍNEZ, 2012).
Figura 9. Gráfico para determinação da CMC.
Fonte: Própria.
O valor encontrado para o CMC pelo gráfico foi de aproximadamente 8,0 mM, estando de acordo com o valor teórico (MORAES et al., 2004; WEINBERGER, 1993). Nota-se que inicialmente ocorre a diminuição da tensão superficial do líquido, até que este atinge o CMC, com formação das micelas. Passado este ponto, percebe-se que o aumento da concentração de tensoativo não gera grandes variações na tensão superficial, visto que o líquido permanece saturado levando ao valor mínimo das forças de tensão (BEHRING et al., 2004).
5. CONCLUSÃO
Esta prática possibilitou o estudo sobre a Tensão Superficial utilizando uma técnica simples, porém bastante eficiente para a determinação da força de tensão superficial apesar de fatores que podem resultar em erros, como o fluxo de gotejamento variável. Foi possível determinar inicialmente a tensão superficial da água, levando a um valor próximo ao descrito na Literatura. Com isso, conseguiu-se analisar a influência do aumento da concentração do surfactante SDS na diminuição das interações superficiais da água e realizar a plotagem do gráfico obtendo o ponto da Concentração Crítica Micelar, CMC, onde ocorre a formação de micelas no líquido devido a saturação da solução aquosa.
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
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BORSATO, D.; MOREIRA, I.; GALÃO, O. F.; Detergentes naturais e Sintéticos: um guia técnico, 2ª edição revisada. Editora da Universidade Estadual de Londrina: Eduel, 2004. 
SOUZA, H. C.; Apostila teórica de cosmetologia. Disponível em: < http://pt.slid eshare.net/herbert_farma/apostila-cosmetologia-terica-2015-02>, acessado em junho de 2016.
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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. Química Nova, v. 27, n. 3, p. 492-495, 2004.
BITTENCOURT Filha, A. M. B.; COSTA, V. G.; BIZZO, H. R. Avaliação da qualidade de detergentes a partir do volume de espuma formado. Química Nova na Escola, n. 9, p. 43-45, 1999.
ÇENGEL, Y. A.; CIMBALA, J. M. Mecânica dos fluidos: fundamentos e aplicações. 3. ed. Porto Alegre: AMGH, 2015.
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NETZ, P. A.; ORTEGA, G. G. Fundamentos de físico-química: uma abordagem conceitual para as ciências farmacêuticas. Porto Alegre: Artmed, 2008.
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