(Relatório 6)

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Universidade Estadual do Oeste do Paraná – UNIOESTE
Centro de Engenharias e Ciências Exatas – CECE
Campus de Toledo
Tensão Superficial
Acadêmicos: Diego Batista Messias, Edimara Zacarias dos Santos e Juliana Sbardelotto
 
Relatório parcial referente a disciplina de Laboratório de Físico-Química do curso de Química Licenciatura, 3º ano, visando a obtenção da nota parcial.
Toledo
2016
INTRODUÇÃO
Para que as moléculas de uma mesma substância permaneçam ligadas umas às outras, ou que se formem novas substâncias a partir de misturas, é necessário que haja energia. A energia de reação das moléculas para formação de novas substâncias varia em torno de 50 e 100kcal.mol-1, um valor alto pois é necessária a quebra de ligações para formação de outras. No entanto, é necessária uma energia bem menor para manter interligadas moléculas de uma mesma substância (variando entre 0,5 a 10kcal.mol-1). A força que faz com que essas moléculas permaneçam coesas são as interações intermoleculares (ROCHA, 2001).
As interações intermoleculares, ou seja, as forças de coesão, se tornam fracas à medida que as moléculas se distanciam, fazendo com que as moléculas de um líquido interajam apenas com aquelas que estão em seu “campo de coesão” (PILLING, s/a). Nesse sentido, “a tensão superficial γ0 de um líquido é definida muitas vezes como a força que atua ortogonalmente a qualquer segmento unitário imaginado na superfície do líquido” (SHAW, D. J., 1975 p. 42), ou seja, está relacionada ao desequilíbrio das forças que atuam na superfície do líquido com as que se encontram em seu interior.
As moléculas situadas no seio do líquido interagem com todas ao seu redor, enquanto que as da superfície (que estão em contato também com o gás) terão uma interação muito menor com as moléculas do gás, do que com as moléculas do líquido, resultando em uma força atrativa para o interior do líquido. Essa direção das moléculas da superfície para o interior do líquido realiza um trabalho positivo por ser uma força atrativa e, portanto, se forem consideradas infinitas variações da posição e da área da superfície, (dl e dA, respectivamente) é possível relacionar a força (F) positiva anteriormente descrita, e o trabalho infinitesimal (dw) por meio da Equação 1, que relaciona as equações de energia de Helmholtz (dA) e Gibbs (dG)
				Equação 1
onde γ representa o coeficiente de tensão superficial do líquido, e tem a unidade que relaciona energia por unidade de área, ou força por unidade de comprimento (MARQUES, J. et al., 2009).
Essa tensão superficial pode ser alterada se colocadas nos líquidos, substâncias tensoativas, que tem estruturas que resultam em propriedades que as tornam capazes de reagir não apenas com o líquido, mas também com outra substância adicionada ao líquido (MOREIRA, 2014)
De acordo com Atkins (2008, p. 78) 
O trabalho de formação de uma área superficial, a volume e temperatura constantes, pode ser igualado à variação de energia de Helmholtz [...] que quando [...] diminui, (dA < 0) se a área da superfície diminuir (dσ < 0), as superfícies têm, naturalmente, a tendência de se contraírem.[2: Anteriormente, na referência de MARQUES, J. et al. 2009, o símbolo usado fora dl.]
Por ter uma elevada relação superfície/volume e a energia potencial das moléculas das superfícies dos líquidos diminuírem quanto mais próximas estiverem, a gota comporta a menor área superficial do líquido por ter uma forma esférica (MARQUES, J. et al., 2009). 
Desse modo, pode-se associar a medida do peso da gota com a densidade do líquido a ser medido (que auxilia no encontro do fator de correção, ψ), para medir a tensão superficial de tal líquido. Essa relação se dá por meio da Equação 2, 
 		Equação 2
a qual tem os termos de y sendo a tensão superficial, m a massa da gota, g a aceleração da gravidade, r o raio da ponta da bureta e ψ o fator de correção. Os valores para o fator de correção são tabelados e para encontrá-los é necessário relacionar a densidade (ρ ou d) com o raio dividindo o volume elevado à um terço ().
Para abordar o conteúdo de tensão superficial no ensino médio, pode-se utilizar de exemplos, indagando os estudantes sobre como é possível que pequenos insetos caminhem sobre a água, sobre a formação das gotas nas superfícies sólidas, ou ainda sobre a ação do detergente de louças ao auxiliar na limpeza de gorduras. 
A ação do detergente pode ser observada por meio de um experimento simples utilizando de um copo com água, uma pinça, uma agulha e detergente. Com o auxílio da pinça coloca-se a agulha na superfície da água, onde ela ficará sobreposta, e depois adiciona-se algumas gotas de detergente, que fará com que a agulha afunde.
OBJETIVOS
Determinar a tensão superficial de líquidos e soluções pelo método da gota; Comparar os valores obtidos e explicar o efeito da adição de alguns solventes na tensão superficial e; Relacionar os resultados obtidos com forças intermoleculares.
MATERIAIS E MÉTODOS
Os materiais (reagentes, vidrarias e demais utensílios) necessários para a realização do experimento estão descritos na tabela a seguir (Tabela 1).
Tabela 1. Materiais necessários para realização do experimento.
	Reagentes
	Vidrarias e demais utensílios
	Água destilada
	Bureta de 25mL
	Etanol
	Garra para bureta
	Solução de cloreto de sódio (NaCl) 0,25%
	Suporte Universal
	Solução de cloreto de sódio (NaCl) 0,50%
	Vidro de relógio
	Solução de cloreto de sódio (NaCl) 1,0%
	10 béqueres de 100mL
	Solução de cloreto de sódio (NaCl) 1,5%
	1 béquer de 250mL
	Solução de detergente 0,25%
	Termômetro
	Solução de detergente 0,50%
	Paquímetro
	Solução de detergente 1,0%
	Picnômetro de 25mL
	Solução de detergente 1,5%
	Balança Analítica
Os métodos utilizados, bem como os resultados e discussões serão divididos em duas partes para uma melhor organização.
Determinar a densidade das soluções
Para que pudesse ser determinada a densidade dos líquidos, foi necessária a utilização do picnômetro, da balança analítica e do termômetro.
O picnômetro foi pesado e sua massa anotada (com o cuidado de não haver a interferência do peso da gordura das mãos ao manusea-lo). Depois disso, mediu-se a temperatura da água destilada, e esta foi adicionada ao picnômetro até que transbordasse. Todo excesso de água por fora do picnômetro foi seco e este foi novamente pesado para que, com a diferença das massas a densidade pudesse ser medida.
Esse procedimento foi repetido para todas as soluções contidas na Tabela 1, tomando-se o cuidado para que a cada mudança de substância o picnômetro fosse ambientalizado com a substância que seria adicionada e pesado todas as vezes, antes e depois da adição da substância.
Utilização do método da gota para medição da tensão superficial
Para a realização desse procedimento, primeiramente foi necessário que se medisse, com um paquímetro, o diâmetro da ponta da bureta de onde sairiam as gotas. Depois disso, o vidro de relógio no qual seria gotejada a substância da bureta foi pesado, (com o cuidado de não haver a interferência da gordura das mãos) e 2mL da amostra a ser medida foi adicionada à bureta. Após o início do gotejamento, todas as gotas referentes aos 2mL foram contadas e recolhidas no vidro de relógio já pesado. Essa quantidade de gotas foi anotada e o vidro de relógio pesado novamente com a substância. Os valores obtidos foram utilizados na realização dos cálculos.
O mesmo procedimento se repetiu para todas as substâncias.
RESULTADOS E DISCUSSÕES
Inicialmente, determinou-se a densidade de cada uma das soluções a serem utilizadas na prática experimental, para isso utilizou-se um picnômetro de 25 mL para verificar as massas das respectivas soluções. A densidade é definida pela equação 3 a seguir, na qual m é a massa da solução e V é o volume do picnômetro. É comum encontrarmos na literatura valores de densidades obtidos a 1 atm e 20 ou 25ºC, o importante é saber que a densidade varia de acordo com atemperatura para cada material.
 Equação 3
Tabela 2: Valores de volumes e massas utilizados para o cálculo de densidade. 
	Solução
	Massa picnômetro vazio (g)
	Massa picnômetro + solução (g)
	Massa da solução (g)
	Volume da solução (mL)
	Densidade (g/mL)
	Álcool
	49,2614
	24,1115
	25,1499
	25
	1,006
	Água
	56,1208
	24,0285
	32,0923
	25
	1,284
	NaCl 0,25%
	56,1455
	24,1269
	32,0186
	25
	1,281
	NaCl 0,50%
	56,2042
	24,1107
	32,0935
	25
	1,284
	NaCl 1,00%
	56,3208
	26,1640
	30,1568
	25
	1,206
	NaCl 1,50%
	56,4666
	24,2136
	32,2530
	25
	1,290
	Detergente 0,25%
	56,1206
	24,1515
	31,9691
	25
	1,279
	Detergente 0,50%
	56,1344
	24,1694
	31,9650
	25
	1,279
	Detergente 1,00%
	56,1348
	24,1979
	31,9369
	25
	1,277
	Detergente 1,50%
	56,1326
	24,2028
	31,9298
	25
	1,277
Percebe-se que a densidade é inversamente proporcional ao volume, então se o volume aumenta com o aumento da temperatura, consequentemente, a densidade diminui, em alguns casos como o da água, entre 0 e 4 ºC, a densidade aumenta com o aumento da temperatura, isso por que à quebra e rearranjo das interações levando à diminuição do volume. (RODRIGUES, 2016). 
Na literatura, a água em temperatura ambiente (22ºC) possui uma densidade de 1 g/mL, com os cálculos efetuados observou-se que a densidade foi de 1,284 g/mL. A temperatura no dia estava de 29ºC, o que faria com que o volume aumentasse, fazendo assim com que a densidade diminuísse, algo que não ocorreu, pois a densidade aumentou. A densidade da água para esta temperatura é de 0,995944 g/mL, observando que a densidade calculada foi superior ao da literatura.
O álcool usado foi o etanol (álcool etílico), este tendo uma densidade de 0,789 g/mL, no experimento observou-se que a densidade estava superior a da literatura, o que não deveria ter ocorrido, pois como a temperatura estava superior a 22ºC, a densidade deveria ter diminuído.
Observou-se pela equação 4, que o erro para o álcool e para a água foram de 28,92% e 27,50%, respectivamente. 
 Equação 4
Os erros para o etanol e a água apesar de serem significativos, os resultados obtidos podem ser considerados verdadeiros. Esses erros podem ser justificados pelo manuseio dos instrumentos de medida, ao pesar o álcool com o picnômetro, anteriormente a solução de água havia sido pesada, fazendo com que restasse um pouco de água dentro do picnômetro e, assim, influenciando no peso do álcool. 
Segundo Saint’Pierre (s/a, p.09), quando quantidades diferentes de componentes são misturadas, a densidade do material resultante seria uma média ponderada das densidades de cada componente. De acordo com a literatura, nas soluções que contêm NaCl em diferentes proporções, conforme o aumento da concentração de cloreto de sódio a densidade aumenta. Segundo a tabela 2, isto pode ser observado, pois ao aumentar a concentração de NaCl na solução a densidade também aumenta, confirmando assim a teoria.
Nas soluções com diferentes concentrações de detergente é possível observar que a densidade diminui, ao contrario do que acontece nas soluções com cloreto de sódio. O detergente é um tensoativo o que faz com que a sua parte lipofílica ocupe a parte superior do líquido, diminuindo as interações e, consequentemente, a tensão superficial.
As forças intermoleculares de coesão (atração e repulsão) são as que determinam as intensidades deste efeito em cada substância. Segundo Rossi et al. (1999 apud Vaz et al., 2013), quanto maiores essas forças, maior a sua concentração por unidade de volume e maior a dificuldade de movimento das partículas, determinando assim a densidade de cada solução. 
Em seguida, foi realizado a contagem das gotas de 2 mL de cada solução pelo método da gota, para isso calculou-se as massas de todas as soluções, de acordo com a seguinte equação:
mSolução = mVidro de relógio + Solução(g) - mVidro de relógio vazio(g)	Equação 5
	 Observe o exemplo para a solução de etanol:
mEtanol = 37,4464 g -35,8941 g
mEtanol= 1,5523 g
	Em seguida, calculou-se a massa de uma gota de todas as soluções, conforme a equação destacada a seguir:
mUmagota = mSolução(g)/ Quantidade de gotas Equação 6
	
Observe o exemplo para a solução de etanol:
mUmagota de etanol= 1,5523 g/130 gotas
mUmagota de etanol=0,011940769 g/gota x 1 Kg / 1000 g) = 1,194076923 x 10-5 Kg/gota 
mUmagota de etanol ≈1,1941 x 10-5 Kg/gota
	Os resultados obtidos para as massas de todas as soluções e para a massa de uma gota de todas as soluções, são apresentados na tabela 3.
Tabela 3: Contagem de gotas das soluções.
	Solução
	mvidro de relógio + solução (g)
	mvidro de relógio vazio (g)
	msolução (g)
	Quantidadesde gotas
	Massa de uma gota (Kg)
	Álcool
	37,4464
	35,8941
	1,5523
	130
	1,1941x10-5
	Água
	37,8395
	35,8949
	1,9446
	43
	4,5223x10-5
	NaCl 0,25%
	37,8252
	35,8944
	1,9308
	45
	4,2907x10-5
	NaCl 0,50%
	37,9244
	35,8939
	2,0305
	46
	4,4141x10-5
	NaCl 1,00%
	37,8633
	35,8949
	1,9684
	44
	4,4736x10-5
	NaCl 1,50%
	37,8859
	35,8962
	1,9897
	42
	4,7374x10-5
	Detergente 0,25%
	37,9745
	35,8968
	2,0777
	52
	3,9956x10-5
	Detergente 0,50%
	37,7932
	35,8938
	1,8994
	85
	2,2346x10-5
	Detergente 1,00%
	37,8800
	35,8937
	1,9863
	108
	1,8392x10-5
	Detergente 1,50%
	37,9154
	35,8924
	2,023
	86
	2,3523x10-5
Por meio dos cálculos acima destacados e da tabela 3, concluiu-se que a solução de etanol era a solução menos viscosa (130 gotas), pois apresentou o maior número de gotas em 2 mL de solução, isso porque o etanol possui uma calda apolar (CH3CH2OH), o que fez com que o líquido fluísse mais rapidamente. 
Já a água pura possui a ligação de hidrogênio, entre os átomos de hidrogênio e o oxigênio, ou seja, a água possui o tipo mais forte de força intermolecular, o que foi possível concluir experimentalmente, pois, essa solução era a solução mais viscosa (43 gotas), uma vez que apresentou o menor número de gotas em 2 mL de solução.
As soluções de NaCl possuem interações intermoleculares íon-dipolo, onde, a ligação de moléculas de água aos íons é chamada de hidratação. Interações íon-dipolo são fortes para íons pequenos altamente carregados, o que foi possível visualizar experimentalmente, pois, as soluções de NaCl apresentaram viscosidades próximas à da água em 2 mL de solução.
A presença de detergente em água quebra as ligações de hidrogênio, entre os átomos de hidrogênio e oxigênio, o que foi possível visualizar experimentalmente, uma vez que as soluções de detergente apresentaram uma grande quantidade de gotas em 2 mL de solução e menor viscosidades do que as soluções de NaCl.
Conforme o que era esperado a água que possui a ligação de hidrogênio era a solução mais viscosa, as soluções de NaCl que possuem forças do tipo íon-dipolo eram menos viscosas do que a água, as soluções de detergente que reduzem as forças de coesão entre as moléculas de água eram menos viscosas do que as soluções de NaCl e o etanol por possuir uma calda apolar ligada a hidroxila (OH), ou seja, por possuir uma calda que apresenta força de London ou forças fracas, era a solução menos viscosa. Logo, concluiu-se que grandes forças intermoleculares mantêm as moléculas unidas e não as deixam movimentar-se entre si com facilidade (Atkins, 2001).
Obteve-se 0,32 cm (0,0032 m) de diâmetro para a bureta utilizada no experimento. A partir desse dado, calculou-se o raio da bureta, conforme a equação a seguir:
 rbureta = d / 2 Equação 7
rbureta = 0,0032 m / 2
rbureta = 0,0016 m = 1,6 mm
	A partir das densidades (Kg/mL) e das massas de uma gota (Kg) de todas as soluções, determinou-se o volume de todas as soluções, por meio da seguinte equação:
 V = m / d Equação 8
Observe o exemplo para a solução de etanol:
VEtanol= 1,1941 x 10-5 Kg / 0,0010 Kg/mL
VEtanol = 1,1870 x 10-2 MlPor meio da seguinte equação se pode calcular o fator de correção para todas as soluções: 
Ψ = rBureta(mm) / 3√Volume de uma gota(mL) Equação 9
	Observe o exemplo para a solução de etanol:
ΨEtanol = 1,6 mm / 3√ 1,1870 x 10 -2mL
ΨEtanol = 7,014064302 mm/mL≈7,014 mm/mL
	A partir dos resultados de fatores de correções para todas soluções, encontrou-se o desvio (Ψ), ou seja, os valores de fatores de correções da literatura para medidas de tensão superficial, por exemplo, o ΨEtanol = 7,014064302 mm/mL, logo o seu desvio (Ψ) é 0,6093. Os valores de desvios (Ψ) para todas as soluções são destacados na tabela 4.
	Levando-se em conta os valores de contrações da literatura, também chamado de fatores de correções da literatura, se pode calcular a tensão superficial, de acordo com a Lei de Tate:
 γ = m x g / 2 x π x r x ΨLiteratura Equação 10
Observe o exemplo para a solução de etanol:
γEtanol = 1,1941 x 10-5 Kg x 9,81 m/s2 / 2 x π x 0,0016 m x 0,6093
γEtanol = 1,1714121 x 10-4 N/ 6,125351692 x 10-3 m
γEtanol = 0,019123997 N/m ≈ 0,0191 N/m
	A partir dos resultados obtidos por meio das equações 8, 9 e 10 construiu-se a tabela 4:
Tabela 4: Fator de correção e desvio das soluções.
	
Solução
	Raio da bureta (m)
	Massa de uma gota (Kg)
	Volume de uma gota (mL)
	Fator de correção experimental (mm/ml)
	Desvio (Ψ)
	Tensão superficial (N/m)
	Álcool
	0,0016
	1,1941x10-5
	1,1870x10-2
	7,014
	0,6093
	0,0191
	Água
	0,0016
	4,5223x10-5
	3,5229x10-2
	4,8807
	0,6515
	0,0677
	NaCl 0,25%
	0,0016
	4,2907x10-5
	3,3503x10-2
	4,9632
	0,6515
	0,0643
	NaCl 0,50%
	0,0016
	4,4141x10-5
	3,4386x10-2
	4,9203
	0,6515
	0,0661
	NaCl 1,00%
	0,0016
	4,4736x10-5
	3,7086x10-2
	4,7979
	0,6515
	0,0670
	NaCl 1,50%
	0,0016
	4,7374x10-5
	3,6721x10-2
	4,8137
	0,6515
	0,0710
	Detergente 0,25%
	0,0016
	3,9956x10-5
	3,1245x10-2
	5,0800
	0,6515
	0,0599
	Detergente 0,50%
	0,0016
	2,2346x10-5
	1,7477x10-2
	6,1654
	0,6250
	0,0349
	Detergente 1,00%
	0,0016
	1,8392x10-5
	1,4397x10-2
	6,5770
	0,6171
	0,0291
	Detergente 1,50%
	0,0016
	2,3523x10-5
	1,8418x10-2
	6,0586
	0,6250
	0,0367
Com base nos cálculos acima destacados e da tabela 4, concluiu-se que a solução de etanol era a solução com menor tensão superficial, pois apresentou o maior número de gotas em 2 mL de solução, isso porque o etanol possui uma calda apolar (CH3CH2OH), o que fez com que o líquido fluísse mais rapidamente. Já a água pura possui a ligação de hidrogênio, entre os átomos de hidrogênio e o oxigênio, ou seja, a água possui o tipo mais forte de força intermolecular, o que foi possível concluir experimentalmente, pois, essa solução era a solução com a maior tensão superficial, ou seja, a gota era mais definida.
Por possuir interações intermoleculares íon-dipolo, as soluções de NaCl, apresentaram tensões superficiais próximas à da água.
A presença de detergente em água quebrou as ligações de hidrogênio, entre os átomos de hidrogênio e oxigênio, o que foi possível visualizar experimentalmente, uma vez que as soluções de detergente apresentaram uma grande quantidade de gotas em 2 mL de solução e tensões superficiais menores do que as das soluções de NaCl.
Conforme o que era esperado a água que possui a ligação de hidrogênio era a solução com maior tensão superficial, as soluções de NaCl que possuem forças do tipo íon-dipolo apresentaram tensões superficiais menores do que as da água, as soluções de detergente que reduzem as forças de coesão entre as moléculas de água apresentaram tensões superficiais menores do que as das soluções de NaCl e o etanol por possuir uma calda apolar ligada a hidroxila (OH), ou seja, por possuir uma calda que apresenta força de London ou forças fracas era a solução com menor tensão superficial. Logo, concluiu-se que a tensão superficial é o puxão na direção interior de um líquido, portanto, quanto mais fortes as interações intermoleculares, maior a tensão superficial que puxa as moléculas para a forma mais compacta e mais esférica é a gota (Atkins, 2001).
As tensões superficiais obtidas experimentalmente se divergiram das tensões superficiais da literatura, devido as limitações do observador no momento da contagem das gotas dos líquidos e das soluções, conforme a tabela 4 acima.
	Vale aqui destacar que houve divergências entre os resultados que se referiam as porcentagens de NaCl e detergente nas soluções, pois, quanto maior a porcentagem de NaCl ou detergente maior deveria ser o número de gotas e menor a tensão superficial. Esse erro se refere as limitações do observador no momento das análises.
CONCLUSÕES
Por meio dos itens materiais e procedimento, determinou-se a tensão superficial dos líquidos e das soluções pelo método da gota, compreendeu-se que quanto maior a viscosidade de um líquido mais lentamente ele flui e que a tensão superficial surge do desequilíbrio de forças intermoleculares na superfície de líquidos e soluções, sendo ela responsável pela tendência de formar gotas e pelos efeitos de capilaridade.
REFERÊNCIAS
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ATKINS, Peter. Princípios de química: questionando a vida e o meio ambiente / Peter Atkins e Loretta Jones; Trad. Ignez Caracelli ... [et al.]. – Porto Alegre: Bookman, 2001, p. 297-309;
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MOREIRA, R., O que são tensoativos?. 2014. Disponível em: <http://www.quimicalegal.com/tensoativos-o-que-sao/> Acessado em: 07 de dezembro de 2016.
PILLING, S. Físico-Química Experimental 1. Disponível em: <http://www1.univap.br/spilling/FQE1/FQE1_EXP5_TensaoSuperficialGota.pdf> Acessado em: 05 de dezembro de 2016.
ROCHA, W. R., Interações Intermoleculares. 2001. Disponível em: <http://qnesc.sbq.org.br/online/cadernos/04/interac.pdf> Acessado em: 05 de dezembro de 2016.
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