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):

γ=
l

F γ = 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
.γγ =→=

dAdG γ=

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 ..γ=

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 ∆=∆ γ

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

,









∂

∂
=γ ou

DIFERENÇA DE PRESSÃO INTERNA E EXTERNA EM UMA GOTA









=−

I

III
dV

dA
pp γ)(

Equação de Young-Laplace

γγγγ é sempre positivo










IdV

dA
é sempre positivo

∴∴∴∴ pI > pII
A pressão interna da gota é

maior do que a sua pressão
externa

r
dr

dA
rAr

dr

dV
rV ππππ 843

3

4

3

4 223 =→=→=→=
r

p
γ2

=∆

Equação de Young-Laplace
para superfície esférica

EFEITO DA TENSÃO SUPERFICIAL EM CAPILARES

r
p

γ2
=∆

AhV
A

Vg
p

V

m
sendo

A

mg
p

A

F
p

=→=

==→=

ρ

ρ

hgp

A

hAg
p

∆=∆

∆
=∆

ρ

ρ

r
hg

γ
ρ

2
=∆

É necessário levar em consideração a curvatura da coluna de líquido - menisco

hg
γ

ρ
2

=∆ θcos
2rrrr =→= Onde:

r
hg

γ
ρ

2
=∆ θ

θ
cos

cos 22
r

rrr =→=

2

cos2

gr
h

ρ
θγ

=∆

Ascensão capilar→ ∆∆∆∆h é +→ líquido molha o capilar
Depressão capilar→ ∆∆∆∆h é -→ 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 αβ = trabalho de adesão

αββα
αβ γγγ −+= vvAW

WAαβ = trabalho de adesão
entre dois líquidos

Quando γγγγαβαβαβαβ = 0, não há resistência ao
aumento da interface entre as fases αααα
e ββββ, dessa forma, os dois líquidos se

misturam espontaneamente.

vCW α
α γ2=

vCW β
β γ2=

WCα = trabalho de coesão de α
WCβ = trabalho de coesão de β

INTERFACES ENTRE FASES LÍQUIDA E SÓLIDA

Molhabilidade
Aumentando-se um pouco a área da

superfície líquida, a interface sólido-
líquido aumenta de dA sl:

θcossllv

svsl

dAdA

e

dAdA

=

−=

)cos(

cos

)cos()(

θγγγ

γθγγ

γθγγ

γγγ

lvsvslsl

slslsllvslsv

slslsllvslsv

slsllvlvsvsv

dAdG

dAdAdAdG

dAdAdAdG

dAdAdAdG

+−=

++−=

++−=

++=

θcossllv dAdA =

Considerando a situação de
equilíbrio, dG = 0, então:

0cos =+− θγγγ lvsvsl
Equação de Young-Dupré

A variação da energia livre de Gibbs da interface sólido-líquido será:

sl

sl
dA

dG
−=σ

Considerando uma situação em que o sistema não está no estado de
equilíbrio, dG ≠0, então:

σsl = coeficiente de espalhamento
para o líquido sobre o sólido

Se:

slσ
dA

dG
é zero é zero O sistema está em equilíbrio

slσ
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.

slσ
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 −=+−= σθγγγ )cos(

sl

sllvsv

sl

A

W

W

γγγ

γγγ

−=−

−+=Como: Temos:

)cos1(

cos

θγσ

θγγσ

+−=

−−=
sl

lvlv

sl

Asl

W

W

θγγγσ

θγγγσ

cos

)cos(

lvslsvsl

lvsvslsl

−−=

+−=−

slsvlv

sl

AW γγγ −=− )cos1( θγσ +−= lvAsl W

Se o líquido for estável quanto às variações em sua área, estará em equilíbrio:

σsl = 0

)cos1( θγ += lv
sl

AW (Eliminou γγγγsv e γγγγsl)

Estas equações também podem ser usadas para determinar o
espalhamento de um líquido sobre outro

Se θθθθ = 0 cos θθθθ = 1

Se θθθθ = 180o cos θθθθ = -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 γ2=

0=slAW

Se a 20 oC, γ = 50,76 mJ.m-2 para o CH2I2 puro, γ = 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 θ = 0o.
R: -23,9 x 10-3 J.m-2

O coeficiente de espalhamento do CH2I2 sobre a água é:

222222222 // ICHOHICHOHOHICH
γγγσ −−=

Dessa forma, pode-se determinar o σCH2I2/H2O.

σA partir do resultado obtido, verifica-se que σCH2I2/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

� Substância adsorvida: adsorvato
� Superfície sólida onde ocorrerá a adsorção: adsorvente ou substrato

A extensão de adsorção é dada pelo grau de recobrimento, θ:

Experimentalmente observa-se que:
� Expondo um sólido finamente dividido a um gás de baixa pressão, esta decresce;
� 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, θ:

∞

==
V

V

adsorçãoparasdisponíveisítiosdenúmero

ocupadossítiosdenúmero
θ

Volume de adsorvato adsorvido.

Volume correspondente ao
recobrimento completo da
superfície sólida por uma
monocamada molecular.

Quando:
θ= 0 → nenhum sítio adsorvido

θ = 1 → todos os sítios estão ocupados

667,0
9

6
==θ 333,0

9

3
==θ

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) – 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 θ 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 Chacon fez um comentário
  • Muito bom.
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