Relatório tensão superficial

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Universidade Estadual da Paraíba - UEPB
Centro de Ciências e Tecnologia - CCT
Departamento de Química – DQ
Componente: Físico-Química Experimental
Professor: Juracy Régis de Lucena Júnior
RELATÓRIO
TENSÃO SUPERFICIAL: MÉTODO DO PESO DA GOTA
JERÔNIMO FERREIRA SILVA
CAMPINA GRANDE/2017
Introdução
A tensão superficial é uma propriedade intrínseca dos líquidos e mesmo que não seja bem entendida, é bastante observada diariamente, seja em uma gota sob uma folha ou um inseto que caminha sob a água, entre outras situações. Esta característica depende da natureza do líquido e está relacionado com as forças intermoleculares. A tensão superficial é a principal responsável pela forma de uma gota, e sabendo disto o presente procedimento experimental pretende verificar o valor da tensão superficial de um líquido pelo método do peso da gota, sendo realizado o procedimento para também testar a propriedade dos surfactantes que são substâncias capazes de reduzir a tensão superficial, como detergente em água, aumentando assim sua molhabilidade. Através de cálculos simples foi possível determinar a tensão superficial da água destilada e confirmar ainda o poder tensoativo do surfactante.
Fundamentação
Tensão Superficial 	
Figura 2
: Resultante das forças atrativas na superfície de um líquido.Freqüentemente pode ser observado em aqüíferos certos insetos caminhando sob a água, ainda na natureza gotas de orvalho sob as folhas. Estas e outras características da água e de todas as substâncias líquidas é explicada pelo fenômeno da tensão superficial.
F
igura 1
: 
G
otículas de água em folha. 
 
Esta característica existe devido o desequilíbrio entre as forças de atração das moléculas que estão na superfície e das que estão no interior do líquido, ocorre que as moléculas de água atraem-se mutuamente, unindo-as, entretanto as moléculas que estão na superfície sofrem ação de forças em direção ao centro da massa de água devido à resultante das forças atrativas (ver figura 2), como toda a superfície de uma gota está sofrendo este processo, ela adquire uma forma esférica, pois a esfera é a forma que possui a menor relação volume/superfície.
A forma de quantificar a tensão superficial é definindo-a como o trabalho necessário para aumentar a área superficial do líquido. Esta grandeza geralmente está associada ao que se convém definir como molhabilidade, que vem a ser a capacidade de um líquido espalhar-se sob uma superfície sólida, quanto maior a molhabilidade, menor a tensão superficial, uma vez que as moléculas terão mais dificuldade de separar-se sob o sólido. Esta grandeza também é proporcional a natureza do sólido, devido às forças de adesão.
Figura 3:
 
Ilustração do fenômeno de molhabilidade.
Forças intermoleculares e surfactantes
As forças intermoleculares podem ser de natureza atrativa ou repulsiva, e dependem da natureza da substância em questão. As forças atrativas se dividem em forças de adesão, resultado da atração entre moléculas de espécies diferentes, como água e vidro, esta força é responsável pelo efeito de capilaridade, fenômeno em que um líquido sofre ascensão em um tubo muito estreito. E as forças de coesão, responsáveis por manter moléculas da mesma substância unidas entre si, e esta força responsáveis pela tensão superficial. 
As forças repulsivas ocorrem pela interação das moléculas de uma substância com outra de propriedades diferentes, polar e apolar, por exemplo, na mistura de água e gasolina, em que as substâncias repelem-se por ser a água polar e gasolina apolar.
Existem ainda moléculas que possuem natureza polar e apolar simultaneamente, permitindo assim interação tanto com substâncias polares quanto apolares, definidas como anfifílicas, um exemplo destas são os surfactantes, conhecidos como sabões. 
Estas substâncias são de importantíssimas na indústria devido à capacidade de alterar características físico-químicas do solvente de acordo com sua concentração, um exemplo é como a tensão superficial da água é reduzida na presença destas substâncias.
Figura 5
:
 Moléculas anfifílicas
 na superfície da água.
Figura 4:
 Moléculas anfifílicas.
 
Se observarmos a figura 5 fica mais claro esta situação, acontece que a parte apolar do surfactante tende a “fugir” das moléculas de água, sendo assim se aglomeram onde há menos moléculas de água, que é na superfície do líquido, quando isto ocorre, as moléculas do surfactante dificultam a interação entre as moléculas de água, diminuindo as forças atrativas e assim reduzindo a força da tensão superficial. Esta característica se acentua com o aumento da concentração do surfactante até certo ponto, quando se inicia o processo de formação de micelas, este ponto chama-se cmc – concentração micelar crítica.
O método do peso da gota
 
1.0Existem alguns métodos para se determinar a intensidade da tensão superficial, um dos mais antigos e simples é o método do peso da gota. Este método simples se baseia na força necessária para manter a forma de uma gota no orifício de um tubo fino. No exato momento de desprendimento, a força exercida pelo peso da gota () é equilibrada pela tensão superficial () multiplicada pela circunferência () da gota formada. Desta forma, a tensão superficial pode ser calculada pela medida da massa () de uma gota do líquido, ou mesmo, pelo volume da gota () e a densidade do líquido (), de acordo com a Equação 1.
Na prática a quantidade de líquido desprendido é sempre menor que o real, devido à gota ao se desprender do tubo abandonar uma parte de si, correspondente a cerca de 40% de sua totalidade, fato este melhor observado na figura 6, onde podemos acompanhar o processo passo a passo.
Figura 6
:
 
Gota de água abandonando a ponta de uma bureta, foto em câmera lenta.
 
Diante de tal fato torna-se necessário uma correção, para isto se utiliza o fator de correção , ele relaciona o raio do tubo e a massa da gota abandonada. Este valor encontra-se tabelas definidas experimentalmente que trazem a relaçao massa da gota raio do tubo com o fator de correção apropriado, então basta inserir o fator encontrado na equação 1.0, tornando-a da seguinte forma.
A unidade de medida da tensão superficial é o N/m (Newton por metro).
2.0Metodologia
Os materiais e reagentes utilizados no experimento estão descritos na tabela 1. 
Tabela 1
. Materiais utilizados para o experimento de determinação da tensão superficial.
	Materiais
	Reagentes
	Bureta
	Água destilada
	Béquer
	Detergente
Para determinar a tensão superficial de um líquido inicialmente toma-se um becker previamente limpo e determina-se sua massa, em seguida prepara-se uma bureta com o líquido problema e ajusta a vazão de forma que seja liberada aproximadamente uma gota por minuto, então basta posicionar o becker junto à bureta e recolher 10 gotas, determinar novamente a massa, desta forma será encontrado a massa de 10 gotas, que por uma razão matemática pode-se encontrar a massa média de uma gota. 
Existe a necessidade ainda de determinar o raio do tubo, para isso será feito uso de tabelas de valores da razão massa da gota/raio do tubo, da substância padrão (neste caso a água pura).
Por último será adicionado algumas gotas de detergente à água da bureta e após a homogeneização da mistura o procedimento anterior será repetido e os valores tabelados. 
Resultados e Discussão
Com uma balança analítica foi determinado o peso de dez gotas, a partir de operações matemáticas em anexo foi determinado o peso de uma gota, e de posse destes valores e da densidade da água à temperatura do ambiente, que era de 23°C, foi possível chegar aos valores de volume da gota e raio. Que estão nas tabelas e cujo cálculo está em anexo.
Tabela 2:
 Valores encontrados para cada componentepesado.
	Substância
	Becker vazio
	Becker + 10 gotas
	10 gotas (g)
	Água destilada
	33,3407
	33,7240
	0,3833
	Água destilada + detergente
	33,0744
	33,3450
	0,2706
Tabela 3:
 Valores encontrados para cada componente pesado.
	Substância
	Massa de 1 gota (g)
	Raio do tubo (cm)
	Água destilada
	0,03833
	0,116239352
	Água + detergente
	0,02706
	0,116239352
Foi observado até este ponto que a gota de água destilada demora certo tempo para cair, que foi maior que a gota contendo água com detergente, também foi observado que o diâmetro da gota de água pura é maior que o da mistura água/detergente, isto se da pelo fato de que as forças de coesão do líquido são maiores na água pura do que na mistura, por isso a água pura pode formar gotas maiores e sustentar-se na ponta da bureta mais tempo.
Gráfico 1:
 Relação massa da gota/raio do tubo, utilizando os valores da tabela 4
 em anexo
 para determinar o raio do tubo correspondente à massa da gota encontrada.
Utilizando a equação gerada pelo gráfico 1 é possível determinar o valor do raio do tubo correspondente, neste caso determinou-se ser de 0,11624 cm aproximadamente.
3.0Após se determinar a massa da gota existe um entrave, ocorre que ao se desprender da ponta da bureta a gota “abandona” parte de si (como visto na figura 6), que corresponde a cerca de 40% de sua totalidade, isto ocorre devido às forças atrativas presente no líquido que não fazia parte da gota e também das forças de adesão entre a gota e o orifício da bureta, para contornar esta situação é necessário calcular o fator de correção () que pode ser determinado utilizando a equação 3.0 e em seguida consultado a tabela 5 para identificar o respectivo fator de correção, apresentado na tabela 6.
Depois de realizado os cálculos chegamos aos valores de tensão superficial encontrados na tabela 6, onde observamos a já esperada diferença entre a tensão superficial da água pura (0, 04116) e da mistura água + detergente (0,03346), devido ao fato do detergente ser um tensoativo, propriedade esta que o permite diminuir a tensão superficial da água, devido à migração de moléculas para a superfície da gota,provocando a diminuição das interações entre as moléculas e assim reduzindo a força da tensão superficial, permitindo assim que o trabalho necessário para aumentar a área superficial do líquido diminua consideravelmente, e a intensidade se reflete ainda mais no fato de que foi adicionado pouquíssima quantidade de detergente á água, apenas algumas unidades de gotas de detergente em um volume relativamente grande de água.
Gráfico 2: gráfico construído com a tabela 5 para determinar o fator de correção para as amostras.
 Em vermelho valor de para a água destilada e em azul valor de para a mistura água + detergente.
Tabela 6: Valores encontrados com os respectivos cálculos com a finalidade de obtenção da tensão superficial de cada componente analisado.
	Substância
	r/V1/3 (cm)
	Fator de correção ()
	Tensão superficial (N/m)
	Valor teórico
	Erro relativo (%)
	Água destilada
	0,3445
	0,7085
	
	0,07423
	45,66
	Água+ detergente
	 0,3869
	 0,6906
	
	—
	—
Foi encontrado um erro relativo de 44,55% para a tensão superficial da água, mesmo este erro sendo elevado é compreensível, uma vez que o padrão é a água pura, e não destilada, havendo ainda a possibilidade de impurezas na água de forma que diminui sem a tensão superficial da água
Considerações finais
Ao termino do experimento foi registrado um erro relativo de cerca de 44,55% para a tensão superficial, entretanto o experimento foi satisfatório, uma vez que cumpriu os objetivos, tendo determinando o valor da tensão superficial da água destilada e principalmente comprovando o poder tensoativo do detergente, reduzindo bastante a tensão superficial da água.
Referências
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. Disponível em: <http://www.scielo.br/scielo.php?script=sci_arttext&pid=S0100-40422004000300021&lng=pt&nrm=iso&tlng=pt > Acesso em: 21 de julho de 2017.
TENSÃO SUPERFICIAL. In: UDESC, Universidade Estadual de Santa Catarina, 2016. Disponível em: <http://www.joinville.udesc.br/portal/professores/carlad/materiais/07_08_TensaoSuperficial.pdf >. Acesso em 23 de julho de 2017.
SURFACE TENSION. In: Chem LibriTexts, 2016. Disponível em: < http://chem.libretexts.org/Core/Physical_and_Theoretical_Chemistry/Physical_Properties_of_Matter/Bulk_Properties/Surface_Tension >. Acesso em 23 de julho de 2017.
SURFACE TENSION. In: USP, Universidade de São Paulo, 2016. Disponível em: < https://disciplinas.stoa.usp.br/pluginfile.php/1982952/mod_resource/content/1/TENS%C3%83O%20SUPERFICIAL%20E%20CAPILARIDADE.pdf>. Acesso em 23 de julho de 2017
TENSÃO SUPERFICIAL. In: USP, Universidade de São Paulo, 2016. Disponível em: <https://disciplinas.stoa.usp.br/pluginfile.php/1982952/mod_resource/content/1/TENS%C3%83O%20SUPERFICIAL%20E%20CAPILARIDADE.pdf>. Acesso em 21 de julho de 2017
DAL-BÓ, A. G. Associação de Micelas Mistas de Superfactantes Aniônicos com o Polímero Hidrofobicamente Modificado Etil (Hidroxietil) Celulose (Ethec). In: UFSC, Universidade Federal de Santa Catarina, 2016. Disponível em: < https://repositorio.ufsc.br/bitstream/handle/123456789/90097/238445.pdf?sequence=1>. Acesso em 23 de julho de 2017.
ANEXO
Tabela 4:
 Valores para determinação do raio do tubo de acordo com a massa encontrada
Tabela 5: 
Valores para determinação do fator de correção da gota. 
Fórmulas
 
 
Cálculos para água destilada
Cálculos para água destilada com detergente