ENERGIA LIVRE DE SUPERFÍCIE DE SÓLIDOS

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UNIVERSIDADE FEDERAL DO PARANÁ
JONATHAN XAVIER
MARIANA FAGUNDES DOS SANTOS
PATRYCIA NADAL CORRÊA
SHELDEN MACIEL DE PAULA
ENERGIA LIVRE DE SUPERFÍCIE DE SÓLIDOS
CURITIBA
2017 
JONATHAN XAVIER
MARIANA FAGUNDES DOS SANTOS
PATRYCIA NADAL CORRÊA
SHELDEN MACIEL DE PAULA
ENERGIA LIVRE DE SUPERFÍCIE DE SÓLIDOS
Relatório técnico apresentado à disciplina de Físico-Química Experimental ll – CQ051, do departamento de Química, Universidade Federal do Paraná, como requisito parcial à aprovação na disciplina.
Profa. Maria Aparecida Biason Gomes
CURITIBA
2017
LISTA DE TABELAS
TABELA 1 – ÂNGULO DE CONTATO GLICEROL; MÉTODO ARTIGO	11
TABELA 2 – ÂNGULO DE CONTATO GLICEROL; MEDIDA CCD	11
TABELA 3 – ÂNGULO DE CONTATO ÁGUA; MÉTODO ARTIGO	12
TABELA 4 – ÂNGULO DE CONTATO ÁGUA; MEDIDA CCD	13
TABELA 5 – TENSÕES SUPERFICIAIS E COMPONENTES POLARES E DISPERSIVOS	14
TABELA 6 – ENERGIA LIVRE DE SUPERFÍCIE PARA O VIDRO	15
TABELA 7 – TRABALHOS DE ADESÃO E COESÃO	15
LISTA DE ILUSTRAÇÕES
FIGURA 1 – MOVIMENTO DA GOTA AO SE ESPALHAR PELA SUPERFÍCIE. O ESPALHAMENTO, QUANDO O EIXO X É NEGATIVO, FOI OMITIDO	7
FIGURA 2 – REAGENTES	9
FIGURA 3 – COMPARAÇÃO DO ESPALHAMENTO DAS GOTAS	10
SUMÁRIO
1.	INTRODUÇÃO................................................................................................	6
2.	OBJETIVOS....................................................................................................	8
2.1	OBJETIVO GERAL..........................................................................................	8
2.2	OBJETIVOS ESPECÍFICOS...........................................................................	8
3.	MATERIAIS E MÉTODOS...............................................................................	9
3.1	MATERIAIS.....................................................................................................	9
3.2	METODOLOGIA..............................................................................................	9
3.2.1	PRIMEIRA PARTE..........................................................................................	9
3.2.2	SEGUNDA PARTE	........................................................................................10
4.	RESULTADOS E DISCUSSÃO	.....................................................................11
4.1	ÂNGULO DE CONTATO DO GLICEROL	.....................................................11
4.2	ÂNGULO DE CONTATO DA ÁGUA	.............................................................12
4.3	CÁLCULO DOS COMPONENTES POLARES E DISPERSIVOS DA SUPERFÍCIE	..............................................................................................................13
4.4	CÁLCULO DOS TRABALHOS DE ADESÃO (Wa) E COESÃO (Wc)	...........15
5.	CONCLUSÃO	................................................................................................16
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS	...........................................................................17
INTRODUÇÃO
A tensão superficial surge nos líquidos como resultado do desequilíbrio entre as forças agindo sobre as moléculas da superfície em relação àquelas que se encontram no interior da solução. As moléculas de qualquer líquido localizadas na interface líquido/ar realizam um número menor de interações intermoleculares comparadas com as moléculas que se encontram no interior do líquido. 
A força resultante que atrai as moléculas da superfície de um líquido para o seu interior torna-se o principal obstáculo para a formação de bolhas, gotas e a nucleação de cristais em líquidos. Como estas forças de coesão tendem a diminuir a área superficial ocupada pelo líquido, observamos frequentemente gotas adotarem a forma esférica. Pela mesma razão ocorre a formação dos meniscos, e a consequente diferença de pressões através de superfícies curvas ocasiona o efeito denominado capilaridade. 
A esta força que atua na superfície dos líquidos dá-se o nome de tensão superficial e, geralmente, quantifica-se a mesma determinando-se o trabalho necessário para aumentar a área superficial. [1]
Quando um determinado líquido se espalha ou recua por uma superfície sólida perfeitamente lisa, o deslocamento da linha de intersecção trifásica (LIT) (ar, líquido, sólido) representa este movimento. Tanto no recuo como no avanço, três tipos de interfaces estão presentes: sólido/ar (SA), líquido/sólido (LS) e líquido/ar (LA). Cada interface possui uma determinada área de contato entre as fases correspondentes, possuindo um valor único de energia superficial (γ). Determinam-se assim os valores γLA, γLS, γSA, onde os sub-índices determinam as fases envolvidas em cada interface. É importante notar que os valores de energia superficial dependem, em primeira aproximação, apenas da composição química dos interagentes em cada interface.
Se uma gota de líquido for colocada sobre o sólido, sua área superficial se deformará de acordo com os valores de energia superficial de todas as interfaces envolvidas, eventualmente chegando a um valor final (em estado de equilíbrio).
Durante esse processo, tanto a pressão entre as interfaces quanto a temperatura das três fases podem ser consideradas constantes. Sob essas condições, forma-se um sistema termodinâmico cujo estado de equilíbrio corresponde à minimização da Energia Livre de Gibbs.
Quando a superfície sólida é isotrópica e homogênea, é possível representar a LIT como circular. Além disso, pode-se apenas escolher um trecho tão pequeno quanto se queira dessa circunferência e representá-lo por um segmento de reta y′ de comprimento D, conforme a figura 1. Como a gota é uma superfície suave, então a superfície da interface líquido/ar2 próxima à LIT pode ser aproximada como um plano de dimensões L e D (fig. 1). Deste modo, o movimento local da gota é descrito por uma reta de comprimento L, perpendicular a y′, que forma um ângulo variável (θ) em relação à superfície sólida e move-se paralelamente a essa. [2]
FIGURA 1 – MOVIMENTO DA GOTA AO SE ESPALHAR PELA SUPERFÍCIE. O ESPALHAMENTO, QUANDO O EIXO X É NEGATIVO, FOI OMITIDO
OBJETIVOS
OBJETIVO GERAL
Compreender a Energia Livre de Superfícies de Sólidos a partir das interações moleculares (forças de coesão e forças de adesão) desses líquidos com superfícies diferentes.
OBJETIVOS ESPECÍFICOS
Obtenção de imagens de gotas de líquidos sobre superfícies sólidas e determinação do ângulo de contato através da análise por um software. Posteriormente, cálculo da energia livre de superfície total, bem como os componentes polar e dispersivo da energia livre de superfície, tendo como base o artigo: [3] VICENTE, ANDRÉ, FERREIRA. Simple measurement of surfasse free energy using a web cam. Revista Brasileira de Ensino de Física, v. 34, n,3, 3312 (2012). Disponível em: <www.sbfisica.org.br>. Acesso em: 07/11/2017.
MATERIAIS E MÉTODOS
MATERIAIS
1 placa de vidro;
Seringa;
Câmera fotográfica;
Reagentes: Água Destilada; Etilenoglicol; Glicerol.
METODOLOGIA
PRIMEIRA PARTE
Lavou-se com detergente, água de torneira e água destilada a placa de vidro. Secado com papel toalha. Colocado água destilada, metanol, etanol, butanol e SDS 5% m/v na placa de vidro para observar o grau de espalhamento.
	
FIGURA 2 – REAGENTES 
FIGURA 3 – COMPARAÇÃO DO ESPALHAMENTO DAS GOTAS 
SEGUNDA PARTE	
Utilizando a seringa com etilenoglicol, foi adicionado algumas gotas na placa de vidro e fotografado. Após isso, limpado a placa de vidro com água da torneira e com água destilada e seco com papel toalha, com outra seringa foi feito o mesmo procedimento com água destilada e glicerol para então realizar-se os cálculos, 
O método StaticSessileDrop foi utilizado para a medição do ângulo de contato e é baseado na análise de uma imagem óptica de uma gota sobre uma superfície e medição do ângulo pelo programa LB-ADSA (Low Bond Axisymmetric Drop Shape Analisys).
RESULTADOS E DISCUSSÃO
ÂNGULO DE CONTATO DOGLICEROL 
	Ângulo de contato direito Glicerol
	Ângulo de contato esquerdo Glicerol
	
	47,900
	45,113
	
	36,001
	40,777
	
	50,896
	51,029
	
	46,369
	40,478
	
	40,637
	46,020
	
	42,119
	44,422
	
	49,376
	51,362
	MÉDIA
	44,756
	45,600
	Desvio Padrão
	5,426
	4,358
 Valores obtidos Anexo(1)
TABELA 1 – ÂNGULO DE CONTATO GLICEROL; MÉTODO ARTIGO
	
	Ângulo de contato direito Glicerol
	Ângulo de contato esquerdo Glicerol
	
	56,7
	52,7
	
	37,0
	38,6
	
	43,2
	42,8
	
	52,0
	42,1
	MÉDIA
	47,225
	44,05
	Desvio Padrão
	8,819
	6,052
Valores obtidos Anexo(2)
TABELA 2 – ÂNGULO DE CONTATO GLICEROL; MEDIDA CCD
Ao compararmos os resultados entre as medidas do ângulo de contato do Glicerol feitas pelo método reproduzido com base no artigo texto e as medidas feitas pelo equipamento CDC, pode se notar que os resultados são coerentes e dentro de uma faixa de resultados aceitáveis, com desvio padrão menores que os tidos valores mais precisos. Porém deve se notar que a quantidade de medida realizada no CCD foi menor que no outro método, podendo ser justificado o maior desvio padrão pelo menor número de análise e também foram utilizadas as melhores imagens para as medidas no programa. 
Considerando o valor médio dos ângulos de contato direito e esquerdo obtido no CCD como real:
	100% x 45,60 = 103,58%
44,05
	100% x 44,756 = 93,32%
47,225
Direito Esquerdo
Os resultados médios estão dentro de uma exatidão de 93,32% e 103,58 muito próximos dos valores verdadeiros.
ÂNGULO DE CONTATO DA ÁGUA
	Ângulo de contato direito Água
	Ângulo de contato esquerdo Água
	
	27,865
	25,696
	
	24,843
	25,853
	
	29,424
	27,486
	
	28,284
	27,563
	MÉDIA
	27,604
	26,6495
	Desvio Padrão
	1,954
	1,012
Valores obtidos Anexo(3)
TABELA 3 – ÂNGULO DE CONTATO ÁGUA; MÉTODO ARTIGO
	
	Ângulo de contato direito Água
	Ângulo de contato esquerdo Água
	
	26,6
	27,2
	
	27,4
	27,5
	
	21,2
	21,2
	MÉDIA
	25,0
	25,3
	Desvio Padrão
	3,372
	3,553
Valores obtidos Anexo(4)
TABELA 4 – ÂNGULO DE CONTATO ÁGUA; MEDIDA CCD
A água obteve resultados satisfatórios manteve o mesmo comportamento que os resultados obtidos para o Glicerol. Podendo ser realizado as mesmas considerações.
	100% x 26,64 = 105,29%
25,3
	100% x 27,60 = 110,41%
25,0
Direito	 Esquerdo
CÁLCULO DOS COMPONENTES POLARES E DISPERSIVOS DA SUPERFÍCIE
 	Os trabalhos de adesão (Wa) e coesão (Wc) estão relacionados com a energia livre de superfície entre o líquido e o vapor (ar) (LV), sólido e vapor (SV) e sólido e líquido(SL) através das equações:
					(1)
						(2)
Pela Equação de Young, tem-se a relação com o ângulo de contato:
θ) 				(3)
No equilíbrio, o coeficiente de espalhamento é dado pela diferença entre o trabalho de adesão e o trabalho de coesão. Para contribuições do vapor relativamente pequenas, pode-se assumir que a energia livre de superfície na interface de um liquido-vapor é igual a energia livre de superfície do líquido (). Do mesmo modo para a interface sólido-vapor ().
A contribuição polar e dispersiva para sólidos e líquidos é expressa nas equações 4 e 5:
					(4)
					(5)
Em líquidos puros, a interação entre o líquido e sólido pode ser escrita em termos de trabalho de adesão reversível:
					(6)
Relacionando-se as equações 1, 3 e 6, tem-se uma relação linear que permite calcular componentes dispersivos e polar.
					(7)
Dessa forma, foi realizada a regressão linear entre a variável dependente (em função da variável independente (). Os valores de e estão contidos na tabela 5.
	
	
	
	
	Água
	72,10
	51,4
	20,3
	Glicerol
	60,1
	38,6
	29,5
TABELA 5 – TENSÕES SUPERFICIAIS E COMPONENTES POLARES E DISPERSIVOS
A energia livre de superfície () pode ser especificada para o vidro e comparada com valores encontrados na literatura [3].
	
	
	
	
	Valor experimental
	54
	39,4
	19,6
	Valor teórico (literatura)
	59
	37,1
	21,9
	Erro (%)
	5,366
	3,465
	2,458
TABELA 6 – ENERGIA LIVRE DE SUPERFÍCIE PARA O VIDRO
CÁLCULO DOS TRABALHOS DE ADESÃO (Wa) E COESÃO (Wc)
Utilizando as equações (1) e (2), foram obtidos os seguintes resultados:
	
	
	Wa
	Wc
	Água
	123,9
	143,4
	Glicerol
	102,2
	96,0
TABELA 7 – TRABALHOS DE ADESÃO E COESÃO
CONCLUSÃO
Através do experimento proposto, observa-se que, quando a força de adesão é maior que a força de coesão, o líquido molha a superfície e, quando o oposto ocorre, a superfície é considerada hidrofóbica e o líquido não consegue se espalhar por ela. O coeficiente de espalhamento do líquido pode ser definido, portanto, como a diferença entre o trabalho de adesão (Wa) e o trabalho de coesão (Wc) e para um espalhamento espontâneo ocorrer é necessário que o coeficiente de espalhamento seja negativo. Em geral, superfícies sólidas com altos valores de energia livre de superfície () são facilmente molhadas pela maioria dos líquidos, enquanto sólidos com baixo (ligações por forças de Van der Wall, maior contribuição do componente dispersivo) tendem a ser difícilmente molhadas por esses líquidos.
	Uma forma de obter dados mais próximos aos da literatura seria através da execução do experimento com equipamentos mais precisos e minimizando possíveis erros experimentais. Por exemplo, a preparação da placa de vidro condizente a metodologia do artigo utilizado como base para a realização do experimento, isto é, a utilização de um limpador ultrassônico com acetona e etanol. Além disso, a imobilização completa da câmera e do suporte das placas, melhor iluminação e qualidade das imagens, e o máximo de cuidado no manuseio das plaquetas de vidro a fim de evitar a contaminação da lamina pela gordura da mão, são cuidados essenciais a serem tomados. 
Por fim, pode-se concluir que apesar de ser um experimento de simples execução, seus resultados são satisfatórios, já os valores encontrados foram próximos aos encontrados na literatura, fazendo desta uma ótima experiência prática no estudo das energias livres das superfícies. 
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
[1] Behring, J.,B., 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. Quimica Nova, v. 27, n. 3, p 492-495, 2004. Disponível em: <http://submission.quimicanova.sbq.org.br/qn/qnol/2004/vol27n3/20-ED03174.pdf> Acesso em 08/11/2017.
[2] WAINBERG, R. Molhabilidade e rugosidade de superfícies: Caracterização interferométrica e sua correlação com a rugosidade. 2014. 37f. Trabalho de Conclusão de Cursos (Bacharel em Física- Pesquisa Básica) - Universidade Federal do Rio Grande do Sul, Porto Alegre, 2014. Disponível em: <https://www.lume.ufrgs.br/bitstream/handle/10183/109774/000951388.pdf?sequence=1>. Acesso em 08/11/2017.
[3] VICENTE, ANDRÉ, FERREIRA. Simple measurement of surfasse free energy using a web cam. Revista Brasileira de Ensino de Física, v. 34, n,3, 3312 (2012). Disponível em: <www.sbfisica.org.br>. Acesso em: 07/11/2017.
ANEXO 1
	
ANEXO 2
	
	
ANEXO 3
	
ANEXO 4