Relatório Cinética - Tensão Superficial

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Experimento 01: Determinação da Tensão Superficial de Líquidos Puros e de Soluções
Objetivos
- Medir a tensão superficial relativa de líquidos puros e de soluções pelo método da gota e utilizando o tensiômetro. Comparar os valores da tensão superficial de líquidos puros obtidos por ambos os métodos e relacionar com os valores da literatura especializada.
- Verificar o efeito de tensoativo sobre a tensão superficial da água, determinar a concentração micelar crítica.
Introdução
O fenômeno da tensão superficial e interfacial é explicado em termos das forças de atração de curta distância responsáveis pela existência do estado líquido. As moléculas localizadas no interior do líquido estão, em média, sujeitas as forças atrativas iguais em todas as direções, já as moléculas localizadas na superfície, ou seja, na interface líquido/ar estão sujeitas a forças atrativas desbalanceadas resultando em um empuxo para o interior do líquido. Como muitas moléculas deixam a superfície do líquido migrando para o interior a superfície irá contrair espontaneamente.
A tensão superficial de um líquido () é definida como o trabalho necessário para aumentar a área da superfície em uma unidade, isotermicamente e de forma reversível.
 (1)
onde w é o trabalho realizado, é a constante de proporcionalidade chamada tensão superficial e é a área superficial.
Como trabalho realizado a temperatura e pressão constante é igual a energia livre, a tensão superficial pode ser definida de forma mais fundamental como a energia livre de superfície:
As dimensões da tensão superficial são força por unidade de comprimento, no sistema SI = N/m. A Tabela 1 mostra os valores de tensão superficial para algumas substâncias puras a 25°C.
Tabela 1- Tensões superficiais de alguns líquidos a 25o C.
	Substância
	Literatura (N m-1)
	Água
	71,99 x 10-3
	Etanol
	21,97 x 10-3
	Etileno glicol
	47,99 x 10-3
	
As implicações deste fenômeno são bem amplas e estão diretamente relacionadas a muitas situações industriais, como os processos de fermentação, formação de gelo durante o resfriamento de alimentos e estabilidade de emulsões e espuma, bem como às funções vitais, como a tensão superficial nos pulmões. Em muitas destas situações a aplicação de tensoativos, ou surfactantes são utilizados devido a propriedade de reduzir a tensão superficial.
A condução de experimentos que possibilitem a quantificação da tensão superficial, bem como o acompanhamento do efeito de tensoativos sobre esta propriedade, é fundamental em cursos de química, engenharia química e farmácia. São diversos os métodos que podem ser empregados para a determinação da tensão superficial e estes são classificados em estáticos, dinâmicos e de desprendimento (ou separação). Nesta prática vamos trabalhar um método estático e um de desprendimento.
Método da gota (desprendimento).
Um dos métodos utilizados para medir tensão superficial é o método do peso da gota. Este método, assim como todos aqueles que envolvem separação de duas superfícies, depende da suposição de que a circunferência multiplicada pela tensão superficial é a força que mantém juntas as duas partes de uma coluna líquida. Quando esta força está equilibrada pela massa da porção inferior, a gota se desprende.
No método do peso da gota, geralmente emprega-se uma vidraria especial. No entanto, o experimento pode ser realizado com o uso de uma bureta, como apresentado na Figura 1 A. O método se baseia na ação de forças sobre a gota. No exato momento de desprendimento, a força exercida pelo peso da gota (m.g) é equilibrada pela tensão superficial () multiplicada pela circunferência (2..r) da gota formada. Desta forma, a tensão superficial pode ser calculada pela medida da massa (m) de uma gota do líquido ou pelo volume da gota (V) e a densidade do líquido (), de acordo com a Equação 3.
 (3)
Na prática, o peso da gota obtido, é sempre menor que o peso da gota ideal. A razão disto torna-se evidente quando o processo de formação da gota é observado mais de perto. A Figura 1B, ilustra que somente a porção mais externa da gota é que alcança a posição de instabilidade e cai. Uma parte permanece ligada ao tubo. 
	A
	B
Figura 1. A) Esquema experimental para a determinação da tensão superficial pelo método da gota. B) Esquema de uma gota caindo.
Para encontrar a tensão superficial dos líquidos que serão estudados é necessário determinar o raio do tubo. O raio do tubo pode ser obtido através da medida direta com um paquímetro ou através da relação linear entre a massa da gota de um líquido padrão e o raio da extremidade onde a gota se formou. Esta relação pode ser obtida a partir determinação do raio usando água como líquido padrão, para isto é necessário conhecer os valores de tensão superficial da água em várias temperaturas, conforme dados apresentados na figura 2.
Figura 2. Valores de tensão de superficial da água em função da temperatura.
Método do Tensiômetro Du Nouy (estático)
O equipamento a ser usado é o tensiômetro de Du Nouy, ilustrado na Figura 3. Uma força é medida em um anel imediatamente antes de um filme líquido desprender da superfície do líquido, utilizando um medidor de torção. A tensão superficial é calculada do diâmetro do anel e da força aplicada:
Onde: F é a força que atua ao longo da aresta de comprimento L tangencial à superfície, e se o raio do anel é r, então L = 2. 2r (o fator 2 indica a existência de duas películas). 
Materiais Necessários
Reagentes
- Solventes: álcool etílico, acetato de etila, tolueno;
- Surfactante: Dodecil sulfato de sódio (PM. 288,38);
Solução estoque 0,02 mol/L
Volume = 500 mL – massa= 2,90 g
Volume = 250 mL – massa= 1,442 g
Volume = 100 mL – massa= 0,58 g
- 5 balões volumétricos de 50 mL;
- (1:1) Pipetas graduadas de 5,0 e 10,0 mL, conforme diluições calculadas para o preparo das soluções;
- água destilada;
Vidrarias e utensílios 
- Balança analítica 0,001g.
- Tensiômetro
- 10 béqueres de 50 e 25 mL (5:5)
- Pipeta de Pasteur
- Paquímetro 
- Estufa 80ºC
- Descarte 
- Termômetro
- Cronômetro
- bureta de 10,0 mL;
- suporte universal;
- Garra borboleta
- 8 erlenmeyers 125 mL;
Procedimento
Uma série de experimentos será feita, à temperatura constante, para determinar a tensão superficial de líquidos:
- Meça a temperatura ambiente;
Determinação da tensão superficial pelo método da gota
A bureta deverá ser fixada em um suporte universal e acoplada a um erlenmeyer, de forma que a parte inferior da torneira fique toda dentro do recipiente coletor. Desta forma, evita-se a influência de correntes de ar sobre a formação da gota.
Medir o raio da bureta com um paquímetro.
Encher a bureta com água destilada.
Ajustar a queda das gotas de forma que esta seja lenta, uma gota a cada 10 s.
Determinar a massa de 10 gotas de água destilada e calcular o raio do tubo usando a equação 1. Lembre-se de utilizar a massa de uma gota e o valor da tensão superficial da água dado neste roteiro. 
Repetir o mesmo procedimento para os líquidos abaixo: Álcool etílico, Acetato de etila e tolueno. Calcular os valores da tensão superficial de cada substância utilizando o raio calculado no item 5.
Comparar os valores obtidos com os valores obtidos na literatura.
Determinação da tensão superficial utilizando o tensiômetro
O anel de medida deve estar devidamente limpo antes do uso em cada líquido diferente. 
- Efetue a limpeza do anel: para isto, desengordure-o com álcool etílico, depois o lave copiosamente com água destilada e seque-o;
O anel deve ser colocado no equipamento segundo a figura 3.O líquido sob investigação é colocado no recipiente completamente limpo. 
 
Figura 3. Valores de tensão de superficial da água em função da temperatura, 220V.
Calibração do Tensiômetro 
Para realizar a calibração do tensiômetro deve seguir os seguintes passos:
1) Aperte o primeiro botão, como mostrado na figura 4.
2) Meas. Parameters: mudar a densidade caso o solvente não seja a água.
3) Tare/ stable:
Colocar o anel, tarar e esperar o apito
4) Calibrate/ stable: colocar o peso junto com o anel e esperar apitar
5) Em seguida clicar no quadradinho e depois no botão “ligar”
 6) Para realização da medida, o anel é totalmente submerso no líquido, esperar o valor da tensão chegar no zero e subir até atingir o máximo. A medida (torção) é feita até no momento em que o filme líquido no anel é arrancado da superfície do líquido. Se lê o valor referente no visor, anotando simultaneamente a temperatura do líquido na hora da medida. Durante todo o procedimento de medida assegure-se que o aparato não esteja sujeito a vibrações e esteja bem nivelado. A operação é repetida para várias concentrações e/ou temperaturas.
Repetir o mesmo procedimento para os líquidos: Álcool etílico, Acetato de etila e tolueno. 
Determinar o efeito da concentração de surfactantes sobre a tensão superficial da água. Preparar soluções aquosas de um surfactante comercial (Dodecil sulfato de sódio) variando de 0,001 a 0,015 mol.L-1 (preparar no mínimo 5 soluções).
Diluições:
Pipetar 2,5 mL da solução estoque 0,02 mol/L e adicionar 50 mL de solvente. Concentração final = 0,001 mo/L.
Pipetar 12,5 mL da solução estoque 0,02 mol/L e adicionar 50 mL de solvente. Concentração final = 0,005 mo/L.
Pipetar 25 mL da solução estoque 0,02 mol/L e adicionar 50 mL de solvente. Concentração final = 0,01 mo/L.
Pipetar 30,0 mL da solução estoque 0,02 mol/L e adicionar 50 mL de solvente. Concentração final = 0,012 mo/L.
Pipetar 37,5 mL da solução estoque 0,02 mol/L e adicionar 50 mL de solvente. Concentração final = 0,015 mo/L.
Repetir o procedimento para determinação da tensão superficial dos líquidos puros para todas as soluções preparadas.
Resultados
-Determinar a massa de uma gota
-Calcular utilizando a Eq.3 
- Fazer uma tabela com os valores , analisar e comparar os valores de experimentais dos líquidos puros obtidos pelos dois métodos com os valores esperados (literatura), não se esqueça da temperatura em que foi realizado o experimento!
-Com os valores de tensão superficial, medidos experimentalmente, construa os gráficos de em função da concentração e determinar a concentração micelar critica. Discuta os resultados obtidos em relação ao comportamento previsto pela teoria.
Bibliografia
1-Behing, J.L.; Lucas, M.; Machado, C.; Barcellos, I.O. Quim. Nova, 27, 492, 2004.
2-Shaw, D.J. Introduction of colloid and surface chemistry. Oxford. Butterworth-Heinemann, 1992. 
3-Atkins, P. W. Físico-Química. 8ª ed. Tradução: Horácio Macedo. Rio de Janeiro. Livros Técnicos e Científicos, 2008.