Fenomenos de superficie
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Fenomenos de superficie


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FFENÔMENOS DEENÔMENOS DE
SUPERFÍCIESUPERFÍCIE
UNIVERSIDADE FEDERAL DE OURO PRETO
INSTITUTO DE CIÊNCIAS EXATAS E BIOLÓGICAS
DEPARTAMENTO DE QUÍMICA
Data: 30/11/2010
SUPERFÍCIESUPERFÍCIE
QUIQUI 116116
Interação entre as moléculas de um 
As interações entre as moléculas no interior da fase condensada são diferentes das
interações existentes entre as moléculas da superfície dessa fase em contato com
outra fase (gasosa, líquida ou sólida).
Resultante das 
forças é igual a zero
Resultante das forças é 
diferente de zero
Por que as propriedades da superfície são diferentes das propriedades do interior
do material?
Interação entre as moléculas de um 
sistema condensado (líquido ou sólido)
Força (F) exercida por unidade de distância (l):
\u3b3=
l
F \u3b3 = tensão superficial do líquido, devido a esse 
desbalanceamento da resultante das forças 
na superfície.
A tensão superficial atua como uma força que se opõe ao 
aumento da área do líquido
Um líquido pode se espalhar, formando uma camada (filme) monoatômica ou
monomolecular, com uma área (superfície) definida, que depende do número de moléculas ou
átomos presentes.
Um filme com mais de uma camada também pode se formar.
Fl
TENSÃO SUPERFICIAL
Para aumentar a área superficial de um líquido é
necessário levar moléculas do interior do líquido para a
superfície, por isso trabalho será realizado sobre a
superfície.
dxFdW .=
dx
Considerando que a força necessária para aumentar a superfície seja a força
exercida por unidade de distância:
lF
l
F
.\u3b3\u3b3 =\u2192=
dAdG \u3b3=
Dessa forma:
A área Um processo espontâneo ocorre com uma
Sabe-se que para um processo espontâneo, deve ocorrer uma diminuição da energia de
Gibbs. A tensão superficial de um líquido é sempre positiva.
Dessa forma:
dxldW ..\u3b3=
Assim, a energia de Gibbs do filme aumenta de:
0<dG
A área 
superficial deve 
diminuir
Um processo espontâneo ocorre com uma
diminuição correspondente na área
superficial
AG \u2206=\u2206 \u3b3
Do ponto de vista energético, o líquido terá
maior tendência a formar uma só gota, do
que se dividir em várias pequenas gotas.
pTG
A
,
\uf8f7
\uf8f8
\uf8f6
\uf8ec
\uf8ed
\uf8eb
\u2202
\u2202
=\u3b3 ou
DIFERENÇA DE PRESSÃO INTERNA E EXTERNA EM UMA GOTA
\uf8f7\uf8f7
\uf8f8
\uf8f6
\uf8ec\uf8ec
\uf8ed
\uf8eb
=\u2212
I
III
dV
dA
pp \u3b3)(
Equação de Young-Laplace
\u3b3\u3b3\u3b3\u3b3 é sempre positivo 
\uf8f7\uf8f7
\uf8f8
\uf8f6
\uf8ec\uf8ec
\uf8ed
\uf8eb
IdV
dA
é sempre positivo
\u2234\u2234\u2234\u2234 pI > pII
A pressão interna da gota é 
maior do que a sua pressão 
externa
r
dr
dA
rAr
dr
dV
rV \u3c0\u3c0\u3c0\u3c0 843
3
4
3
4 223 =\u2192=\u2192=\u2192=
r
p
\u3b32
=\u2206
Equação de Young-Laplace 
para superfície esférica
EFEITO DA TENSÃO SUPERFICIAL EM CAPILARES
r
p
\u3b32
=\u2206
AhV
A
Vg
p
V
m
sendo
A
mg
p
A
F
p
=\u2192=
==\u2192=
\u3c1
\u3c1
hgp
A
hAg
p
\u2206=\u2206
\u2206
=\u2206
\u3c1
\u3c1
r
hg
\u3b3
\u3c1
2
=\u2206
É necessário levar em consideração a curvatura da coluna de líquido - menisco
hg
\u3b3
\u3c1
2
=\u2206 \u3b8cos
2rrrr =\u2192= Onde:
r
hg
\u3b3
\u3c1
2
=\u2206 \u3b8
\u3b8
cos
cos 22
r
rrr =\u2192=
2
cos2
gr
h
\u3c1
\u3b8\u3b3
=\u2206
Ascensão capilar\u2192 \u2206\u2206\u2206\u2206h é +\u2192 líquido molha o capilar
Depressão capilar\u2192 \u2206\u2206\u2206\u2206h é -\u2192 líquido não molha o capilar
A elevação capilar aumenta com a diminuição do raio
Onde:
r = raio da esfera
r2 = raio do capilar
INTERFACE ENTRE DUAS FASES LÍQUIDAS
W \u3b1\u3b2 = trabalho de adesão 
\u3b1\u3b2\u3b2\u3b1
\u3b1\u3b2 \u3b3\u3b3\u3b3 \u2212+= vvAW
WA\u3b1\u3b2 = trabalho de adesão 
entre dois líquidos
Quando \u3b3\u3b3\u3b3\u3b3\u3b1\u3b2\u3b1\u3b2\u3b1\u3b2\u3b1\u3b2 = 0, não há resistência ao
aumento da interface entre as fases \u3b1\u3b1\u3b1\u3b1
e \u3b2\u3b2\u3b2\u3b2, dessa forma, os dois líquidos se
misturam espontaneamente.
vCW \u3b1
\u3b1 \u3b32=
vCW \u3b2
\u3b2 \u3b32=
WC\u3b1 = trabalho de coesão de \u3b1
WC\u3b2 = trabalho de coesão de \u3b2
INTERFACES ENTRE FASES LÍQUIDA E SÓLIDA
Molhabilidade
Aumentando-se um pouco a área da
superfície líquida, a interface sólido-
líquido aumenta de dA sl:
\u3b8cossllv
svsl
dAdA
e
dAdA
=
\u2212=
)cos(
cos
)cos()(
\u3b8\u3b3\u3b3\u3b3
\u3b3\u3b8\u3b3\u3b3
\u3b3\u3b8\u3b3\u3b3
\u3b3\u3b3\u3b3
lvsvslsl
slslsllvslsv
slslsllvslsv
slsllvlvsvsv
dAdG
dAdAdAdG
dAdAdAdG
dAdAdAdG
+\u2212=
++\u2212=
++\u2212=
++=
\u3b8cossllv dAdA =
Considerando a situação de 
equilíbrio, dG = 0, então:
0cos =+\u2212 \u3b8\u3b3\u3b3\u3b3 lvsvsl
Equação de Young-Dupré
A variação da energia livre de Gibbs da interface sólido-líquido será:
sl
sl
dA
dG
\u2212=\u3c3
Considerando uma situação em que o sistema não está no estado de
equilíbrio, dG \u22600, então:
\u3c3sl = coeficiente de espalhamento 
para o líquido sobre o sólido
Se:
sl\u3c3
dA
dG
é zero é zero O sistema está em equilíbrio
sl\u3c3
sldA
dG
é positivo é negativo
a energia de Gibbs diminuirá à
medida que a interface sólido-
líquido aumentar.
Dessa forma, o líquido se espalhará
espontaneamente.
sl\u3c3
sldA
dG
é negativo é positivo
a energia de Gibbs aumentará à
medida que a interface sólido-líquido
aumentar.
Dessa forma, o líquido se contrai e
diminui Asl espontaneamente.
sldA
Combinando:
sl
sllvsvslsl
dA
dG
edAdG \u2212=+\u2212= \u3c3\u3b8\u3b3\u3b3\u3b3 )cos(
sl
sllvsv
sl
A
W
W
\u3b3\u3b3\u3b3
\u3b3\u3b3\u3b3
\u2212=\u2212
\u2212+=Como: Temos:
)cos1(
cos
\u3b8\u3b3\u3c3
\u3b8\u3b3\u3b3\u3c3
+\u2212=
\u2212\u2212=
sl
lvlv
sl
Asl
W
W
\u3b8\u3b3\u3b3\u3b3\u3c3
\u3b8\u3b3\u3b3\u3b3\u3c3
cos
)cos(
lvslsvsl
lvsvslsl
\u2212\u2212=
+\u2212=\u2212
slsvlv
sl
AW \u3b3\u3b3\u3b3 \u2212=\u2212 )cos1( \u3b8\u3b3\u3c3 +\u2212= lvAsl W
Se o líquido for estável quanto às variações em sua área, estará em equilíbrio:
\u3c3sl = 0
)cos1( \u3b8\u3b3 += lv
sl
AW (Eliminou \u3b3\u3b3\u3b3\u3b3sv e \u3b3\u3b3\u3b3\u3b3sl)
Estas equações também podem ser usadas para determinar o 
espalhamento de um líquido sobre outro
Se \u3b8\u3b8\u3b8\u3b8 = 0 cos \u3b8\u3b8\u3b8\u3b8 = 1
Se \u3b8\u3b8\u3b8\u3b8 = 180o cos \u3b8\u3b8\u3b8\u3b8 = -1
Ocorre espalhamento, pois o trabalho
de adesão entre o sólido e o líquido é
igual ao trabalho de coesão do
líquido.
Não ocorre espalhamento.
lv
sl
AW \u3b32=
0=slAW
Se a 20 oC, \u3b3 = 50,76 mJ.m-2 para o CH2I2 puro, \u3b3 = 72,75 mJ.m-2 para a água pura 
e a tensão interfacial é 45,9 mJ.m-2, calcule o coeficiente de espalhamento do 
CH2I2 sobre a água. Considere \u3b8 = 0o.
R: -23,9 x 10-3 J.m-2
O coeficiente de espalhamento do CH2I2 sobre a água é:
222222222 // ICHOHICHOHOHICH
\u3b3\u3b3\u3b3\u3c3 \u2212\u2212=
Dessa forma, pode-se determinar o \u3c3CH2I2/H2O.
\u3c3A partir do resultado obtido, verifica-se que \u3c3CH2I2/H2O é negativo, e
consequentemente, a energia de Gibbs é positiva. Deste modo, a energia de
Gibbs aumentará à medida que a interface CH2I2/H2O aumentar. Assim, o
processo espontâneo é o CH2I2 contrair-se sobre a superfície de água.
INTERFACES ENTRE FASES SÓLIDA/GASOSA E SÓLIDA/LÍQUIDA
ADSORÇÃO: Processo no qual partículas se ligam à superfície de um sólido
\ufffd Substância adsorvida: adsorvato
\ufffd Superfície sólida onde ocorrerá a adsorção: adsorvente ou substrato
A extensão de adsorção é dada pelo grau de recobrimento, \u3b8:
Experimentalmente observa-se que:
\ufffd Expondo um sólido finamente dividido a um gás de baixa pressão, esta decresce;
\ufffd Quando se mistura um sólido finamente dividido em uma solução diluída, a 
concentração do soluto na solução diminui.
A extensão de adsorção é dada pelo grau de recobrimento, \u3b8:
\u221e
==
V
V
adsorçãoparasdisponíveisítiosdenúmero
ocupadossítiosdenúmero
\u3b8
Volume de adsorvato adsorvido.
Volume correspondente ao
recobrimento completo da
superfície sólida por uma
monocamada molecular.
Quando:
\u3b8= 0 \u2192 nenhum sítio adsorvido
\u3b8 = 1 \u2192 todos os sítios estão ocupados
667,0
9
6
==\u3b8 333,0
9
3
==\u3b8
ADSORÇÃO FÍSICA E QUÍMICA
Adsorção física: ocorrem interações fracas entre o
adsorvato e o adsorvente (van der Waals, dipolo-dipolo);
baixa energia de interação (< 100 kJ.mol-1) \u2013 energia
insuficiente para que ocorra ligação química;
O adsorvato pode se desprender da superfície do sólido
adsorvente.
Adsorção química: o adsorvato liga-se mais
fortemente à superfície do sólido adsorvente;fortemente à superfície do sólido adsorvente;
Há energia suficiente para que ocorra a formação de
ligação química (> 200 kJ.mol-1);
O adsorvato se desprende da superfície do sólido
adsorvente somente se a ligação química for rompida.
Dessorção: Processo contrário ao da adsorção
ISOTERMA DE ADSORÇÃO
O gás livre e o gás adsorvido sobre o sólido estão em equilíbrio dinâmico, e o grau
de recobrimento da superfície depende da pressão do gás livre.
A variação de \u3b8 com a pressão, a uma temperatura constante, é chamada de
isoterma de adsorção.
Isoterma de Langmuir
Considerando que um gás seja o adsorvato e que a adsorção seja física, pode-se
Vinicius
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Muito bom.
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