Relatório 6 - Tensão superficial

Prévia do material em texto

TENSÃO SUPERFICIAL DE LÍQUIDOS
Requisito parcial de nota referente a disciplina de Físico Química Experimental I, ministrada pela prof. Dra. Juliana C. Wiggers. Entregue pelos alunos Eduarda Ballmann, Jhonatan Backes e Renata N. Schimiloski.
Toledo – Paraná
2019
 1.INTRODUÇÃO:
Os líquidos tendem a adotar formas que tornam mínima a área superficial, de modo que o número máximo de moléculas fica no interior da fase líquida, envolvidas pelas moléculas vizinhas e com elas interagindo. As gotículas de líquido, por isso, tendem a ser esféricas, pois a esfera é a forma que tem a menor área superficial para um dado volume. É possível que as outras forças também atuem sobre o líquido, conspirando para afasta-lo desta forma ideal, em particular as forças da gravidade terrestre que tendem a achatar as esferas em gotas esparramadas ou, em grandes massas, nos oceanos da terra. [1]
As moléculas na superfície de um líquido estão sujeitas a fortes forças de atração das moléculas interiores. A resultante dessas forças, cuja direção é a mesma de plano tangente à superfície, atua de maneira que a superfície líquida seja a menor possível. A grandeza desta força, que atua perpendicularmente ao plano na superfície é dita tensão superficial. [2]
A superfície de um líquido é suave, pois as forças intermoleculares tendem a puxar as moléculas juntas e para dentro. Os líquidos compostos de moléculas com forças intermoleculares altas possuem tensões superficiais altas, porque, na superfície, o puxão para o interior será forte. A tensão superficial da água é aproximadamente três vezes maior que a maioria dos líquidos comuns, por causa de suas ligações de hidrogênio fortes. Já a tensão superficial do mercúrio é ainda maior, até seis vezes maior que a da água, sugerindo que há fortes ligações entre os átomos de mercúrio no líquido.[3] 
Uma gota de líquido suspensa no ar ou em uma superfície encerada é esférica porque a tensão superficial puxa as moléculas para a forma mais compacta, uma esfera. As forças atrativas entre moléculas de água são maiores que entre água e cera, que tem bastante hidrocarbonetos.[3]
Os efeitos de superfície podem ser expressos na linguagem das energias de Helmholtz e de Gibbs. As ligações entre estas funções termodinâmicas e a área superficial se faz pelo trabalho necessário para modificar a área, pois dA e dG são iguais (em condições diferentes) ao trabalho feito para alterar a energia do sistema. Ora, o trabalho necessário para modificar a área superficial, , de uma amostra, de uma grandeza infinitesimal d, é proporcional a esta grandeza e se escreve como:
 (Equação 1)
A constante de proporcionalidade, , é a tensão superficial que tem as dimensões de energia/área e no SI é medida em joules por metro quadrado (J m-2). Os valores de também se podem registrar em newtons por metro (pois 1 N m-1 = 1 J m-2). [1]
Existem alguns fatores que podem interferir na tensão superficial, um deles é o uso de tensoativos. Os tensoativos são substâncias que possuem uma parte lipofílica e uma parte hidrofílica responsável pela adsorção de moléculas tensoativas na interface líquido-líquido, líquido-gás ou líquido-sólido. A superfície ou interface onde a tensão existe está situada entre o líquido e seu vapor saturado no ar, normalmente a pressão atmosférica. A tensão pode também existir entre dois líquidos imiscíveis, sendo então chamada de tensão interfacial.[4]
Um dos métodos mais utilizados para medir a tensão superficial é o método do peso da gota. Este método, talvez, é o mais convenientemente correto para se medir a tensão superficial de um gás-líquido ou líquido-líquido (interface). O procedimento é formar gotas do líquido no fim de um tubo, permitindo a queda dentro de um recipiente até que o suficiente tenha sido coletado, assim o peso da gota pode ser determinado corretamente.[3] 
Com observações feitas por Tate (1864), e uma expressão para o peso da gota é encontrado pela equação abaixo: 
 (Equação 2)
O procedimento usual é para aplicar um fator de correção ‘‘𝜓’’ na equação anterior, assim que W’ é encontrado por, de acordo com a equação 3:
 (Equação 3)
Harkins e Brown concluíram que o “” mostrado será uma função da razão ou , onde V é o volume da gota. Isto foi verificado experimentalmente. O volume da gota V é determinado a partir da densidade do líquido: [4]
 (Equação 4) 
2.OBJETIVO:
Determinar através do método da contagem de gotas a tensão superficial da água, do álcool e das soluções cloreto de sódio (0,25%; 0,5%; 1,0%; 1,50%) e de detergente (0,25%; 0,5%; 1,0%; 1,50%).
3.MATERIAIS E MÉTODOS
3.1 MATERIAIS:
Béqueres;
Picnômetro 25mL;
Paquímetro;
Bureta 25mL;
Garra;
Vidro de relógio;
Balança analítica;
Suporte universal;
3.2 REAGENTES:
Álcool etílico;
Água destilada;
Cloreto de sódio nas concentrações de: 0,25%, 0,50%, 1,00%, 1,50%;
Detergente nas concentrações de: 0,25%, 0,50%, 1,00%, 1,50%;
3.3 MÉTODOS:
1. Determinação da densidade 
 Em uma balança analítica pesou-se um picnômetro de 25 mL limpo e seco, e anotou-se a sua massa. Em seguida adicionou-se a este álcool etílico, e pesou-se novamente, anotando-se a massa. Realizou-se os cálculos para determinar a densidade do álcool etílico. Repetiu-se o mesmo procedimento para as seguintes soluções: Água destilada; Cloreto de sódio nas concentrações de: 0,25%, 0,50%, 1,00%, 1,50%; detergente nas concentrações de: 0,25%, 0,50%, 1,00%, 1,50%;
2. Tensão superficial de um líquido pelo método da gota
 Pesou-se um vidro de relógio limpo e seco em uma balança analítica e anotou-se a sua massa. Fixou-se uma bureta em um suporte universal, e mediu-se com auxílio de um paquímetro o seu diâmetro da parte onde escoa a solução. Em seguida adicionou-se álcool etílico na bureta, ajustando-se o menisco. Gotejou-se somente 2 mL da solução sobre o vidro relógio, fazendo-se a contagem das gotas. Após o recolhimento das gotas pesou-se o vidro de relógio novamente. Realizou-se os cálculos necessários. Repetiu-se o mesmo procedimento para as seguintes soluções: Água destilada; Cloreto de sódio nas concentrações de: 0,25%, 0,50%, 1,00%, 1,50%; Detergente nas concentrações de: 0,25%, 0,50%, 1,00%, 1,50%;
Obs.: Durante o procedimento é necessário que se adote uma velocidade de gotejamento semelhante para as soluções. Sendo também necessário utilizar-se a mesmas vidrarias (bureta e picnômetro) para o procedimento. 
4.RESULTADOS E DISCUSSÕES:
Para calcular a tensão superficial dos líquidos, etanol, água, solução de NaCl (0,25%, 0,5%, 1,0% e 1,5%) e solução de detergente (0,25%, 0,5%, 1,0% e 1,5%), foi necessário determinar a densidade destes. Para isso, utilizou-se um picnômetro de 25 mL, que consiste em uma vidraria de alta precisão e exatidão, para determinar o peso de 25 mL do líquido analisado. Os resultados obtidos experimentalmente e a densidade dos líquidos calculado com auxílio da equação 1, estão apresentados na tabela 1.
Na qual, d= densidade (g/mL), m= massa (g) e v= volume (mL).
Tabela 1: Dados obtidos experimentalmente e densidade de cada líquido.
	Solução
	Massa picnômetro vazio (g)
	Massa picnômetro + solução (g)
	Massa da solução (g)
	Volume da solução (mL)
	Densidade (g/mL)
	Etanol 
	43,1944
	22,7759
	25,4185
	25
	0,8167
	Água
	48,7736
	22,9514
	25,8222
	25
	1,0328
	NaCl 0,25%
	48,8122
	22,9433
	25,8689
	25
	1,0347
	NaCl 0,50%
	48,8356
	22,9770
	25,8586
	25
	1,0343
	NaCl 1,00%
	48,9451
	22,8921
	26,0364
	25
	1,0413
	NaCl 1,50%
	48,9451
	22,9506
	25,9945
	25
	1,0398
	Detergente 0,25%
	48,7275
	22,9051
	25,8224
	25
	1,0328
	Detergente 0,50%
	48,7047
	22,8858
	25,8189
	25
	1,0327
	Detergente 1,00%
	48,6915
	22,9172
	25,7743
	25
	1,0309
	Detergente 1,50%
	48,7187
	22,9003
	25,8184
	25
	1,0327
Os resultados apresentados na tabela 1 foram obtidos a temperatura ambiente ≈ 24 ºC, segundo o livro “Handbook of Chemistry and Physics” 1 a esta temperatura a densidade da água é igual a 0,9973g/mL¹.E assim, pode-se calcular o erro desta medida.
 para a água
 
 
Portanto o erro desta medida foi de 3,56%, sendo este um erro baixo, portanto pode-se considerar este valor para o cálculo da tensão superficial. Enquanto para o etanol o livro “Fundamentos de Química Experimental Vol. 53”2 afirma que a densidade deste é igual a 0.7894g/mL,2 sendo assim calculou-se o erro desta medida da mesma maneira apresentada acima, e obteve-se como resultado 3,45 % de erro. Este erro pode ser devido a perca de precisão e exatidão da vidraria e erros do manipulador.
As densidades das soluções de cloreto de sódio e detergente estão próximas a densidade da água, isso é esperado, pois essas contêm pequenas quantidades dos solutos, com isso a densidade tende-se a aproximar da densidade do líquido em maior quantidade. 
No entanto observou-se que a densidade das soluções de NaCl aumenta razoavelmente e as soluções de detergente diminui, isso acontece devido as interações entre o soluto e o solvente. Pois a solução entre água e NaCl apresenta interações muito forte devido a carga apresentada pelo sal, tornando assim a interação mais efetiva, enquanto a solução entre água e detergente apresenta interações mais fracas, isso ocorre porque o detergente apresenta forças de Van der Waals, e portanto, interações mais fracas.
Com as densidades dos líquidos definidas, realizou-se o experimento para determinar a massa de uma gota de água, que será utilizado posteriormente para o cálculo da tensão superficial. Os resultados obtidos estão apresentados na tabela 2.
Tabela 2: determinação da massa de uma gota de cada líquido analisado.
	Solução 
	Massa vidro de relógio vazio (g)
	Massa vidro de relógio + solução (g)
	Massa da solução (g)
	Quantidade de gotas
	Massa de uma gota (kg)
	Etanol 
	37,2144
	35,6630
	1,5514
	141
	1,10 . 10-5
	Água
	37,6842
	35,6632
	2,021
	52
	3,88 . 10-5
	NaCl 0,25%
	37,5511
	35,6633
	1,8878
	63
	2,99. 10-5
	NaCl 0,50%
	37,8081
	35,6633
	2,1448
	58
	3,69. 10-5
	NaCl 1,00%
	37,6765
	35,6639
	2,0126
	51
	3,94. 10-5
	NaCl 1,50%
	37,6774
	35,6644
	2,0130
	50
	4,03. 10-5
	Detergente 0,25%
	37,7130
	35,6660
	2,0470
	63
	3,25. 10-5
	Detergente 0,50%
	37,6782
	35,6633
	2,0149
	86
	2,34. 10-5
	Detergente 1,00%
	37,6675
	35,6634
	2,0041
	112
	1,78. 10-5
	Detergente 1,50%
	37,7014
	35,6630
	2,0384
	146
	1,4. 10-5
Feito isso, calculou-se a tensão superficial de cada solução. A tensão superficial é responsável pela formação de gotas de líquido. Embora facilmente deformáveis, as gotas de água tendem a se manter na forma esférica pelas forças coesivas da camada superficial. O método da contagem do número de gotas baseia-se na Lei de Tate para determinar a tensão superficial. Então, primeiramente encontrou-se o fator de correção para as medidas, utilizando a equação 2. 
O raio da bureta utilizada foi medido com um paquímetro e obteve-se 3,1 mm de diâmetro (0,00155 m de raio). Em seguida, encontrou-se o volume de cada gota. Para isso utilizou-se a equação 1, utilizando a massa da gota em cada solução, como demonstrado a seguir para a solução de etanol.
𝑣 == 0,013 mL
Então, descobre-se o fator de correção:
 (6)
 = 6,59 ≈ 6,5
Para este resultado, o fator de correção utilizado é 0,6171, como mostra a Tabela 3.
Tabela 3: Fator de correção para medidas de Tensão Superficial.
Esse fator de correção é utilizado pelo fato da gota não se desprender por completo do tubo e pelas forças de tensão superficial serem raramente verticais. 
Após determinar o fator de correção, utilizou-se então a equação da Lei de Tate (equação 3) para determinar a tensão superficial de cada solução:
 (4)
Sendo, 𝛾 = Tensão Superficial (Nm-1) 
m = massa (kg) 
r = raio da bureta (m) 
𝜓 = fator de correção
 para o etanol
Os resultados de tensão superficial para cada solução estão expressos na Tabela 4.
Tabela 4: Tensão Superficial de cada solução.
	Solução 
	Raio da bureta (m)
	Massa de uma gota (kg) 
	Volume da gota (mL) 
	Desvio (ѱ) 
	Tensão Superficial (Nm-1) 
	Etanol 
	
0,00155
	1,10 x 10-5 
	0,013
	0,6171
	0,018
	Água 
	
	3,88 x 10-5 
	0,037
	0,6669
	0,059
	NaCl 0,25% 
	
	2,99 x 10-5 
	0,029
	0,6515
	0,046
	NaCl 0,50% 
	
	3,69 x 10-5 
	0,036
	0,6669
	0,056
	NaCl 1,00% 
	
	3,94 x 10-5 
	0,037
	0,6669
	0,060
	NaCl 1,50% 
	
	4,03 x 10-5 
	0,038
	0,6669
	0,061
	Detergente 0,25% 
	
	3,25 x 10-5 
	0,031
	0,6515
	0,050
	Detergente 0,50% 
	
	2,34 x 10-5 
	0,023
	0,6362
	0,037
	Detergente 1,00% 
	
	1,78 x 10-5 
	0,017
	0,6250
	0,029
	Detergente 1,50% 
	
	1,40 x 10-5 
	0,013
	0,6171
	0,023
A partir dos resultados obtidos, pode-se fazer uma relação entre as tensões superficiais dos líquidos, sendo: 𝛾𝑁𝑎𝐶𝑙 >𝛾Á𝑔𝑢𝑎 >𝛾𝐷𝑒𝑡𝑒𝑟𝑔𝑒𝑛𝑡𝑒 >𝛾Á𝑙𝑐𝑜𝑜𝑙.
Sabe-se que as forças coesivas entre as moléculas de um líquido estão relacionadas com a tensão superficial, assim, analisa-se as forças coesivas presentes nas soluções. O alto valor de tensão superficial do NaCl se dá pelo fato de sua interação ocorrer como íon-dipolo com a água, sendo esta a interação mais forte dentre as existentes. Já o valor da tensão superficial da água se deve a atração das ligações de hidrogênio entre as moléculas de sua superfície, sendo esta a segunda interação mais forte, por isso o valor de tensão superficial da água é menor que do NaCl e maior que das demais soluções. 
O detergente possui interações moleculares fracas, forças de Van der Waals e ligação de hidrogênio, e tem uma grande cadeia apolar em sua estrutura. Ao adicionar detergente na solução, o mesmo ficará sobre a superfície, de modo que a parte polar reagirá com a água e a parte apolar ficará na extremidade da solução. Assim, as moléculas que ficarão na superfície, sofrerão forças somente na parte de baixo, diminuindo a tensão superficial. Observa-se que o álcool possui uma tensão superficial bem menor, devido a um menor número de ligações de hidrogênio entre suas moléculas, logo, consequentemente, há menor coesão entre as moléculas.
Segundo Moore (1976), os valores para tensão superficial da água e do álcool são 72,75 𝑥 10−3𝑁 .𝑚−1 𝑒 22,28 𝑥 10−3𝑁. 𝑚−1, respectivamente. Comparando os valores tabelados com os experimentais, o experimento apresenta valores bem próximos daquele tabelado, considerando os erros instrumentais, sendo este calculado da seguinte forma:
 para o etanol 
 para a água
5. CONCLUSÃO:
Com base nos experimentos realizados, pode-se verificar que quanto maior as interações intermoleculares das soluções, maior será a sua tensão superficial, como analisado ao aumentar a concentração de NaCl que ocasionou uma maior tensão superficial devido a presença dos íons em solução, enquanto o detergente diminui a tensão superficial pelo fato dele ser surfactante. 
6. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS:
[1] ATKINS, P. W.; Físico-Química, vol. 3. Editora LTC – Livros Técnicos e Científicos Editora S.A; 6ª edição, 1978;
[2] DRAGUSKI, D.C. Manual de Aulas Práticas. 2019;
[3] ATKINS, P.W.; JONES, Loretta. Princípios de química: questionando a vida moderna e o meio ambiente. 3 ª ed. Porto Alegre: Bookman, 2006;
[4] Shawn D.J. Introdução à química dos coloides e de superfícies. Editora Edgard Blucher: 1975.