Fisico Quimica - Angulo de contato

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Universidade de São Paulo 
Instituto de Química 
 
 
 
 
 
Disciplina PAE 
QFL2453 Físico-Química Experimental 
 
 
 
 
 
Experimento Proposto: 
Ângulos de Contato 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Aluna: Thais Lucy Ogeda NºUSP: 6750982 
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Introdução 
 
Já observou que o pato entra na água e, quando sai, parece que nem se molhou? E que o cachorro, 
ao contrário, tem que se sacudir todo para se livrar da água? Não é apenas uma questão de penas e 
pêlos; é uma questão de Química de Superfície. 
Uma gota de água apresenta um formato diferente para cada superfície que se espalha, pois o 
modo como o volume de água de uma gota se acomoda depende das interações entre a água e o a 
superfície do material em que foi depositada. É, portanto, possível medir o ângulo com que uma 
gota fica na superfície e com isto caracterizar a superfície. Os ângulos de contato de uma gota de 
água numa folha, no vidro, no azulejo, etc. são todos diferentes. Ele influencia como a água fica 
numa superfície, determinando assim a molhabilidade da mesma. Uma modificação química na 
superfície, por reação ou adsorção, pode ser usada para aumenta ou diminuir o ângulo de contato, 
de acordo com a necessidade, influenciando assim na molhabilidade do sólido pelo líquido. 
O ângulo de contato inicial de um material também pode ser alterado com o tempo; por exemplo, 
um material hidrofóbico que ficou muito tempo em contato com a água tem seu ângulo de contato 
modificado, pois o mesmo “acostumou-se” com a água. Isto ocorre porque mesmo uma adsorção 
física pequena de água na superfície do sólido altera o ângulo de contato do material, tornando-o 
menos hidrofóbico. 
Inúmeras aplicações podem ser relatadas relativas à utilização do conhecimento e controle do 
ângulo de contato e, portanto, do molhamento de superfícies. Por exemplo, um pára-brisa de um 
carro, quando adequadamente limpo, deveria escorrer toda a água que nele caísse. Quando a água 
não escorre completamente de uma superfície de vidro, é sinal que existe alguma sujeira ou 
ranhura local que alterou o ângulo de contato. 
 
Teoria 
 
Dentre o estudo da físico-química de líquidos e colóides, muito se destaca a medição do ângulo de 
molhabilidade entre uma gota do líquido e a superfície no qual ela repousa. Este ângulo é definido 
como o ângulo entre um plano tangente a uma gota do líquido e um plano contendo a superfície 
onde o líquido se encontra depositado,1 conforme esquematizado na Figura 1.2 Logo, a 
molhabilidade de uma superfície depende do equilíbrio termodinâmico entre este sistema de três 
interfaces: sólido, líquido e vapor. Assim, o ângulo de contato representa uma medida quantitativa 
do processo de molhabilidade. 
Formalmente, a ângulo de contato entre uma gota de um líquido com uma tensão superficial 
conhecida e uma superfície sólida depende da relação entre as forças adesivas (que fariam a gota 
se espalhar sobre a superfície) e as forças coesivas do líquido (que querem contrair a gota a uma 
esfera com uma superfície mínima). Se a gota repousa sobre uma superfície homogênea 
perfeitamente nivelada, forma-se um ângulo de contato de equilíbrio entre o líquido e a superfície 
sólida em qualquer ponto da linha de três fases, onde se encontram o sólido, o líquido e a fase de 
vapor.1 
 
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Figura 1. Definição do ângulo de contato θ entre uma gota líquida e uma superfície. 
 
O conceito de energia de superfície pode ser mais facilmente compreendido usando um líquido 
como exemplo. Átomos e moléculas do líquido podem se mover livremente procurando ocupar 
uma posição de menor energia potencial. Ou seja, um lugar onde as forças (atrativas e repulsivas), 
que agem em todas as direções, estejam em equilíbrio.3 Por outro lado, as partículas na superfície 
do líquido experimentam apenas forças dirigidas para dentro do mesmo (Figura 2). 
 
 
Figura 2. Forças atuando em átomos ou moléculas no interior e na superfície de um material. 
 
Devido a isto, as superfícies são sempre regiões de maior energia. E é justamente a diferença entre 
as energias das espécies na superfície e no interior do material que se denomina energia de 
superfície ou tensão interfacial. 
De acordo com o princípio da menor energia, a natureza tende sempre a um estado de mínima 
energia. É por esta razão, por exemplo, que uma gota de água tende à forma esférica, pois esta é a 
forma geométrica de mesmo volume com a menor área superficial. Da mesma forma, a adesão de 
um material sobre outro será tanto melhor quando maiores forem as energias de superfícies 
envolvidas. 
Rigorosamente falando, γS como apresentado na Figura 1 é a energia de superfície do sólido apenas 
quando este se encontra no vácuo. A diferença é denominada pressão de espalhamento pe (pe = γS - 
γSV, onde γSV seria a energia de superfície do sólido em equilíbrio com o vapor). Todavia, é assumido 
que a adsorção de vapor em sólidos de baixa energia de superfície, como é o caso dos polímeros, é 
desprezível. Com isto, γSV = γS, representa a energia de superfície do sólido em uma atmosfera 
qualquer. Também nesta figura, γS e γLV são a energia de superfície do sólido e a tensão superficial 
do líquido em equilíbrio com o vapor, respectivamente; γSL é a energia da interface sólido-líquido. 
Considerando que a gota esteja em equilíbrio, tem-se a equação de Young:1 
 γS = γSL + γLV .cos θ (1) 
 γLV . cos θ = γS - γSL (2) 
O trabalho de adesão, Wa, entre o sólido e o líquido pode ser expressa pela equação de Dupré:
1 
 Wa = γLV + γS - γSL (3) 
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Efetuando-se a combinação algébrica das equações (2) e (3), obtém-se a equação de Young-Dupré: 
 Wa = γLV (cos θ + 1) (4) 
Esta última equação é mais útil no estudo desses sistemas físico-químicos, já que ela relaciona duas 
grandezas determináveis com relativa facilidade e precisão: θ (ângulo de contato) e a tensão 
superficial do líquido, γLV. 
Quando θ = 0, cos θ = 1 e então: 
 Wa = 2 γLV (5) 
A quantidade 2 γLV, ou seja, o dobro da tensão superficial do líquido, é denominada trabalho de 
coesão do líquido (Wc), que é relativo à energia mínima necessária para romper uma coluna líquida 
com área unitária. Quando isso acontece, observa-se que o trabalho de adesão líquido-sólido 
iguala, ou supera, o trabalho de coesão do líquido: assim, o líquido se espalha pela a superfície 
sólida (apresentando alta molhabilidade – Figura 3a, abaixo).4 
 
 
Figura 3. Ângulos de contato de líquidos com superfícies sólidas, para líquidos: (a) perfeitamente molhante; (b) 
predominantemente molhante; (c) predominantemente não-molhante; (d) não-molhante. 
 
Quando este se situar entre 0° < θ < 90° (Figura 3b), diz-se que o líquido molha a superfície do 
sólido; entre 90° < θ < 180° (Figura 3c), considera-se que o líquido não molha o sólido. Por outro 
lado, quando θ = 180°, tem-se cos θ = -1, e o trabalho de adesão líquido-sólido é zero. Este é o caso 
limite quando não há adesão entre as duas fases (o líquido não apresenta molhabilidade – Figura 
3d). 
 
Parte Experimental 
 
Materiais 
Substratos sugeridos 
� Vidro; 
� Teflon; 
� Borracha de silicona; 
� Metal; 
� Acrílico. 
Solventes sugeridos 
� Água; 
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� Glicerol; 
� Isopropanol (para limpeza). 
Outros 
� Seringa; 
 
Procedimento 
Este experimento é mais bem observado quando realizado com diversos substratos, como os 
sugeridos nos Materiais. Os substratos devem então ser ajustados aos suportes específicos para 
este fim e colocados sob uma lâmpada de um projetor de slides ou um retroprojetor (ver Figura 4). 
Toda a aparelhagem deve ser montada em algum ambiente escuro ou fracamente iluminado, a fim 
de que a gota projetada fique o mais nítida possível. 
O laboratóriode Química Geral do IQ-USP possui um projetor de slides, funcionalizado com um 
prisma e sendo utilizado em experimentos de decomposição da luz. É possível retirar o prisma e 
utilizar o suporte ali presente para a realização deste experimento. 
 
 
Figura 4. Esquema representando um projetor de slides e sua imagem em tela. 
 
Os substratos devem ser sempre limpos com isopropanol. As gotas do líquido de interesse na 
superfície devem ser sempre de mesmo volume, e depositadas com o auxílio de uma seringa. 
Em cada um dos substratos devem ser depositados os líquidos citados: água (polar) e glicerol 
(apolar) – sendo o perfil de cada uma das gotas imediatamente desenhado em uma folha de sulfite 
contra a parede (na “tela” da Figura 4, acima) ou obtido com o auxílio de uma máquina fotográfica. 
Os ângulos de contato entre o líquido e a superfície sólida, de ambos os lados, podem ser 
calculados com a ajuda de um transferidor (no caso do papel) ou do programa Corel Draw (no caso 
da fotografia). 
Com os ângulos medidos, é possível o cálculo dos respectivos trabalhos de adesão, que irão 
permitir a caracterização de cada um dos substratos estudados. 
 
 
 
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Considerações Finais 
 
Uma das principais vantagens deste experimento é a geração de resíduos praticamente 
inexistentes, já que não é preciso que cada grupo de alunos no laboratório realize seu experimento 
isoladamente. Devido à presença de apenas um projetor de slides, o experimento deve ser 
conduzido por um professor/monitor com o auxílio dos alunos, sendo que estes, ao final, devem 
possuir uma cópia de cada gota formada para a confecção de seu relatório. Assim sendo, trata-se 
também de um experimento rápido (aproximadamente 40 minutos), podendo ser realizado em 
conjunto com algum outro experimento curto no laboratório de Físico-Química Experimental. 
Há, entretanto, a necessidade de um ambiente escuro para a realização do mesmo. Os laboratórios 
de ensino do IQ-USP possuem algumas salas que se ajustam bem a essa necessidade; porém, uma 
reserva deverá ser feita. 
Dentre os conceitos envolvidos neste experimento, ele atua em conjunto com o experimento de 
Tensão Superficial (através do método de destacamento do anel de du Nouy), que introduz o aluno 
às propriedades de superfície de líquidos bem como estas são alteradas. O experimento de Ângulos 
de Contato completa os conceitos apresentados através de um aumento nas variáveis presentes. O 
primeiro experimento lida apenas com a interface líquido-ar e suas interações intermoleculares; o 
segundo, além disso, introduz a interação do líquido com o sólido no qual ele se deposita. 
Relacionados com a tensão de superfície dos materiais, temos uma série de fenômenos físico-
químicos relevantes em comum, como a molhabilidade, espalhamento e capilaridade. 
Alguns conceitos importantes envolvidos são os de trabalho de superfície, energia livre de Gibbs, 
entropia, isoterma de adsorção de Gibbs, tensões superficiais e interfaciais, interações hidrofóbicas 
e hidrofílicas, além de interações intermoleculares. 
 
 
Bibliografia 
 
1
 Shaw, D. J., Introdução à Química de Colóides e Superfícies; Editora Edgard Blucher/Edusp, 
1ª Ed., 1975, S.P.; 
 
2
 Adamson, A. W., Gast, A. P., Physical Chemistry of Surfaces; A Wiley-Interscience Publication, 
6ª Ed., 1997, N.Y.; 
 
3
 Silverstein, T. P., Polarity, miscibility and surface tension of liquids, J. Chem. Edu., 1993, 70, 
253. 
 
4
 Karmanov, I., Wetting or non-wetting liquid?, Phys. Edu., 2000, 77, 58.