Apostila Modulo 5

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Laboratório de Físico-Química - Período 2021.1 
Módulo 5: Tensão superficial. Determinação da concentração micelar crítica de um 
surfactante 
OBJETIVOS: 
Observar e discutir fenômenos superficiais e coloidais tais como a tensão superficial, a 
capilaridade e o comportamento dos surfactantes em solução. Determinar a concentração 
micelar crítica de um surfactante usando medidas de tensão superficial. 
INTRODUÇÃO TEÓRICA: 
Os fenômenos de superfície são extremamente importantes em diversas áreas, desde 
atividades do cotidiano até fenômenos biológicos. Esses fenômenos são difíceis de 
estudar, pois apenas poucas moléculas formam uma superfície. Se consideramos, por 
exemplo, o interior de um volume de água, cada molécula de água sofre forte atração das 
moléculas vizinhas, mas a soma vetorial das forças de atração tem uma resultante nula, já 
que há vizinhas por todos os lados. No entanto, isso não ocorre com as moléculas de água 
que estão na superfície (Figura 1). 
 
Figura 1. Desequilíbrio das forças resultantes da atração entre as moléculas do meio do 
líquido e da superfície 
As moléculas de água localizadas na superfície sofrem a atração das moléculas 
abaixo delas, mas não há moléculas de água acima delas, pelo qual ocorre um 
desequilíbrio de forças com uma força resultante de atração perpendicular à superfície 
que está permanentemente puxando essas moléculas para dentro do líquido. Quanto mais 
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forte a força de atração entre as moléculas do líquido, maior a intensidade da força 
resultando e maior será esta tendência. Isso explica por que as gotas de líquidos de 
compostos fortemente polares tendem a adquirir o formato semelhante a esferas (forma 
geométrica de menor relação área/volume). A forma das gotas seria perfeitamente 
esférica se não fosse pela força peso e pela resistência do ar. 
A força que deve ser vencida para o aumento de uma superfície líquida é conhecida 
como tensão superficial, γ [N m-1]. Compostos com forças de atração intermoleculares 
mais altas (como os compostos polares) apresentam maior tensão superficial. Para 
grandes volumes de líquido, a tensão superficial pouco influencia no seu comportamento, 
mas em volumes pequenos, como o de uma gota, a tensão superficial é uma característica 
físico-química de grande importância. 
Relacionado às forças da tensão superficial temos o termo molhabilidade, que 
descreve o quanto uma gota de líquido se espalha sobre uma superfície. Compostos de 
elevada tensão superficial tendem a se comportar como gotas esféricas sobre uma 
superfície apolar, espalhando-se pouco, já que as moléculas apresentam forte atração 
entre si e tendem a se manter juntas. Ou seja, os líquidos de alta tensão superficial têm 
baixa molhabilidade. Quando a tensão superficial é menor, o líquido se espalha mais sobre 
esta superfície, adquirindo um formato chamado de lente. Essa lente apresenta um 
determinado ângulo de contato com a superfície sólida que depende diretamente da tensão 
superficial do líquido (Figura 2). 
 
 
Figura 2. Ângulo de contato entre uma gota de líquido e uma superfície sólida. 
O alto valor de tensão superficial da água faz com que água forme gotas na superfície 
do vidro de uma vidraça após a chuva que, com o tempo, secam e mancham os vidros. O 
álcool etílico apresenta tensão superficial muito menor que a da água, tendo menos 
tendência para formação de gotas sobre a superfície do vidro que a água (Figura 2). É por 
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isto que muitas pessoas limpam vidros utilizando papel umedecido com álcool. Como a 
formação de gotas é diminuída, existe menor chance de manchar os vidros após a 
secagem. 
Outro fenômeno interessante relacionado à tensão superficial é a capilaridade. Ao 
colocarmos uma das extremidades de um tubo capilar de vidro (relativamente polar) 
dentro de um recipiente com água, observa-se que a água sobe no tubo e entra em repouso 
a uma determinada altura acima da superfície da água no recipiente. Se ao invés de água 
utilizarmos mercúrio, observa-se que o nível de mercúrio dentro do tubo capilar se 
estabiliza a uma distância abaixo do seu nível no recipiente. No primeiro caso, ocorre 
uma ascensão capilar e no segundo uma depressão capilar. A capacidade da água de 
molhar o vidro é muito maior do que a do mercúrio (Figura 3). 
 
 
Figura 3. Capilaridade de dois líquidos puros. 
 
A força de adesão é a atração entre moléculas diferentes, ou seja, a afinidade das 
moléculas do líquido com as moléculas do tubo sólido. Atua no sentido de o líquido 
molhar o sólido. A força de coesão é a atração intermolecular entre moléculas 
semelhantes, ou seja, a afinidade entre as moléculas do líquido. Atua no sentido de manter 
o líquido em sua forma original. Se a força de adesão for superior à de coesão, o líquido 
vai interagir favoravelmente com o sólido, molhando-o, e formando um menisco. Se a 
superfície sólida for um tubo de raio pequeno, como um capilar de vidro, a afinidade com 
o sólido é tão grande que líquido sobe pelo capilar. No caso do mercúrio, acontece o 
contrário, pois este não tem afinidade com o vidro e possui uma força de coesão (e tensão 
superficial) muito maior que a da água. 
https://pt.wikipedia.org/wiki/For%C3%A7a_de_ades%C3%A3o
https://pt.wikipedia.org/wiki/Menisco
https://pt.wikipedia.org/wiki/Merc%C3%BArio_(elemento_qu%C3%ADmico)
https://pt.wikipedia.org/wiki/Vidro
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E como podemos alterar a tensão superficial de um líquido? Para isso, precisamos 
dos surfactantes ou tensoativos, que são um tipo de moléculas que apresentam uma parte 
polar e outra apolar, nas quais a parte polar é hidrofílica, e interage com a água, enquanto 
a parte apolar é hidrofóbica e tende a afastar-se da água, sendo a sua interação 
desfavorável em termos de entropia e entalpia. Para representar esse tipo de molécula, 
usa-se tradicionalmente a figura de uma barra/cauda (que representa a parte apolar da 
molécula – portanto solúvel em hidrocarbonetos, óleos e gorduras) e uma cabeça/círculo 
(que representa a sua parte polar, solúvel em água), como representado na Figura 4. 
 
 
Figura 4. Representação esquemática de uma molécula de surfactante. 
 
Os surfactantes tendem a se concentrar nas superfícies e interfaces, formando uma 
camada de moléculas (monocamada) na superfície da água, com a parte polar orientada 
para o interior e a parte apolar para o exterior, diminuindo assim a interação da parte 
apolar com a água. Isto reduz também o contato das moléculas de água com as moléculas 
do ar e, portanto, reduz a tensão superficial e favorece o aumento da área superficial. 
Por outro lado, quando as moléculas de surfactante são solubilizadas em água, existe um 
balanço de forças, já que a parte polar (hidrofílica) da molécula auxilia na sua 
solubilização, enquanto a parte apolar (hidrofóbica) diminui sua solubilidade. À medida 
que aumenta a concentração de surfactante em solução, mais densa será a monocamada 
superficial e menor será a tensão superficial, até ser alcançada uma dada concentração 
crítica de surfactante (concentração micelar critica - CMC), em que começa a formação 
de micelas no bulk da solução. As micelas são agregados de moléculas de surfactante, 
geralmente de forma esférica, com a parte apolar do surfactante orientada para o interior, 
sendo a superfície constituída pela parte polar que interage com a água, minimizando 
desta forma as interações repulsivas. 
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Portanto, uma das formas de determinação da CMC do surfactante é através de 
medidas da tensão superficial da solução, , usando o aparelho chamado tensiômetro de 
DuNoüy. O funcionamento do mesmo baseia-se no princípio de mergulhar um anel de 
platina horizontalmente no líquido e depois, vagarosamente, retirá-lo. A força Fs da 
tensão superficial é igual 2×2R (2 × 2 R, duas interface: interna e externa). A força F 
necessária para retirar o anel, com certas correções, é proporcional à tensão superficial 
()do líquido, que então pode ser determinada da seguinte forma: 
F = Fs + Panel 
F = 4R + manelg 
 = (F - mg) / 4  R 
(Panel = peso do anel; R = raio do anel; manel = massa do anel; g = aceleração da gravidade) 
 
A determinação da CMC do surfactante pode ser feita construindo um gráfico 
apartir dos dados de tensão superficial obtidos antes e depois do início da formação de 
micelas. A região de concentrações antes da formação de micelas corresponde à 
incorporação crescente de moléculas de surfactante na monocamada localizada na 
interface e, portanto, com uma diminuição da tensão superficial à medida que aumenta a 
concentração de surfactante. Uma vez que a tensão não muda mais com a adição de 
surfactante, podemos dizer que a monocamada superficial alcançou o valor máximo de 
empacotamento, marcando o início da formação de micelas no bulk. A interseção do 
ajuste linear dessas duas regiões permite o cálculo da CMC do surfactante (Figura 5). 
 
Figura 5. Método gráfico de determinação da CMC por tensiometria. 
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MATERIAIS E MÉTODOS: 
 
Parte 1: Observação de fenômenos de superfície e da ação da tensão superficial 
 Água da torneira 
 Pimenta-do-reino ou canela em pó 
 Detergente comum (líquido, de lavar louça) 
 Folha 
 Garrafa PET 
 Conta-gotas (ou similar) 
 Recipiente com água 
 Tela de malha ou esparadrapo (ou similar) e borracha 
 Moedas (o mais limpas possível, sem poeira ou gordura) 
 Superfície hidrofóbica (por exemplo, superfícies de plástico não poroso) 
 Varinha plástica (pode ser um cotonete/bastonete sem o algodão) 
 
Parte 2. Determinação da concentração micelar crítica de um surfactante 
 Tensiômetro de anel (tensiômetro de DuNoüy - Figura 6) 
 Pipetas 
 Beaker ou cubeta de tensiômetro 
 Solução de surfactante (0,05 mol/L) 
 Solução de KCl (0,2 mol/L) 
Figura 6: Tensiômetro usado para determinar a concentração micelar crítica (CMC) 
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ROTEIRO EXPERIMENTAL: 
Parte 1: Observação de fenômenos de superfície e da ação da tensão superficial 
Experiência 1 (pode fazer em casa também) 
1. Coloque uma moeda limpa e seca sobre papel. Adicione água com um conta-gotas, 
lentamente e com cuidado, sobre a superfície da moeda (semelhante ao vídeo do 
experimento). Observe o formato do líquido acumulado na moeda. Conte o número de 
gotas que podem ser adicionados antes que a água se derrame no papel. 
2. Seque a moeda. 
3. Repita o mesmo experimento substituindo água por uma solução aquosa de surfactante 
(diluir um pouco do detergente em água). (Depois disto, lave bem com água o conta-
gotas para evitar contaminação com resíduos de surfactante) 
4. Compare o número de gotas e o formato adquirido pelo líquido, comentando no 
Relatório suas observações com base no fenômeno de tensão superficial. 
 
Experiência 2 (pode fazer em casa também) 
1. Goteje lentamente uma pequena quantidade de água destilada (cerca de 4-5 gotas), 
formando uma pequena poça no centro de uma placa de Teflon ou de uma superfície 
de plástico não poroso (de forma semelhante ao mostrado no vídeo do experimento). 
2. Observe o formato da poça. 
3. Submerja a ponta de uma pequena varinha plástica (pode ser um cotonete/bastonete 
sem o algodão) em uma pequena quantidade de detergente comum e toque 
cuidadosamente com a ponta a superfície da água. Anote as suas observações e 
comente no Relatório o resultado com base na ação do detergente. Por que o detergente 
comum de lavar louça faz que a água “molhe” melhor? 
 
Experiência 3 (observar vídeo do experimento) 
1. Identifique um copinho contendo água destilada com uma gota de corante verde e outro 
copinho com solução de surfactante e uma gota do corante azul. 
2. Coloque um tubo capilar de vidro aberto em cada recipiente. Lentamente, retire o tubo 
capilar. Compare a altura que o líquido alcançou em cada tubo e comente no Relatório 
suas observações, com base no fenômeno de capilaridade. 
3. Aguarde alguns segundos para observar se (e como) ocorre o gotejamento de cada 
líquido. 
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Experiência 4 (pode fazer em casa também) 
1. Coloque água destilada em uma placa de Petri. Adicione cuidadosamente pimenta-do-
reino ou canela em pó sobre a superfície da água (de forma semelhante ao mostrado 
no vídeo do experimento). 
2. Submerja a ponta de uma pequena varinha plástica (pode ser um cotonete/bastonete 
sem o algodão) em uma pequena quantidade de detergente comum e toque 
cuidadosamente com a ponta a superfície da água. Anote as suas observações e 
comente o resultado no Relatório com base na ação do detergente. 
 
Experiência 5 (pode fazer em casa também) 
1. Coloque água destilada em um recipiente. 
2. Com uma folha pode fazer um desenho, no caso do vídeo é um peixinho ou barquinho 
com um pequeno rasgo bem fino e uma bolinha no meio da folha. 
3. Submerja a ponta de uma pequena varinha plástica (pode ser um cotonete/bastonete 
sem o algodão) em uma pequena quantidade de detergente comum e toque 
cuidadosamente à folha com o desenho que você escolheu. Anote as suas observações 
e comente o resultado no Relatório com base na ação do detergente. 
 
Experiência 6 (observar vídeo do experimento) 
1. Realizar todo o experimento acima de um recipiente de descarte ou na pia. 
2. Use um pissette com água destilada para preencher cerca de 2/3 de um tubo de 
centrífuga tampado com uma rede (através da rede). 
3. Coloque o quadrado de papel acima da rede e inverta o tubo cuidadosamente até a 
posição vertical. 
4. Remova cuidadosamente o papel. Anote as observações e explique as mesmas com 
base nas forças de adesão e coesão. 
5. Incline o tubo, observe o que acontece e explique todas suas observações no Relatório. 
 
 
 
 
 
 
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Parte 2: Determinação da concentração micelar crítica do surfactante dodecil sulfato de 
sódio (SDS) 
a) Determinação da tensão superficial da água 
1. Coloque 50 mL de água destilada no copo de medida. 
2. Meça a tensão superficial três vezes e complete a tabela no seu relatório. (Considere, 
a modo de comparação, que a tensão superficial da água a 25 ºC é 0,072 N/m). 
3. Calcule o fator de correção (F
t
) da medida de tensão superficial (γexperimental) usando a 
seguinte fórmula: 
𝐹𝑡 =
0,072 𝑁/𝑚
𝛾á𝑔𝑢𝑎_𝑒𝑥𝑝𝑒𝑟𝑖𝑚𝑒𝑛𝑡𝑎𝑙
 
 
 
b) Determinação da concentração crítica micelar crítica do surfactante dodecil sulfato 
de sódio (SDS) 
1. Coloque 50 mL da solução de KCl 0,2 mol/L no béquer e meça a tensão superficial. 
2. Adicione, sob agitação manual, alíquotas de 0,1 mL da solução de surfactante (SDS, 
0,05 mol/L) até alcançar o volume total de 2,8 mL. Meça a tensão superficial após 
cada adição, e corrija o valor da medida usando a fórmula: 
𝛾𝑐𝑜𝑟𝑟𝑖𝑔𝑖𝑑𝑜 = 𝛾 × 𝐹𝑡 
3. Complete a tabela do seu relatório. Lembre-se de corrigir (recalcular) as concentrações 
do surfactante a cada adição, considerando o volume total da solução. 
4. Construa um gráfico de tensão superficial (γ, N/m) vs logaritmo da concentração de 
surfactante (logC). Copie a figura do gráfico no seu relatório e/ou anexe o arquivo de 
Excel contendo o mesmo. 
5. Ajuste as duas tendências lineares obtidas e ache o ponto de interseção (CMC). 
Escreva no relatório as equações de ajuste e os coeficientes de correlação (R2), assim 
como o valor obtido para a CMC, em mol/L. 
 
CONCLUSÔES 
No final de experimento, você deverá escrever suas conclusões, considerando o objetivo 
da prática e os resultados obtidos, assim como as possíveis fontes de erro.