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FURB - UNIVERSIDADE REGIONAL DE BLUMENAU SEMESTRE: 2017/1 – Físico-Química – Engenharia Química e Engenharia de Alimentos Professor: Rubens Ferrari Acadêmico(a):_Luiza Bückmann Nunes__________________________________ Data:26/06/2017 3ª Trabalho – Fenômenos de Superfície OBS: Trabalho individual com data de entrega em 26/06/17. O que são colóides e quais as propriedades que permitem caracterizar sistemas coloidais? Solução coloidal é uma solução onde as partículas dispersas têm um tamanho médio compreendido entre 1 e 100 nanômetros (nm), denominadas partículas coloidais. Partículas estas que podem ser átomos, íons ou moléculas. Nesse sistema, as partículas dispersas são significativamente menores do que aquelas que podem ser percebidas a olho nu, porém, bem maiores do que as moléculas individuais, devido ao seu tamanho, as partículas coloidais são capazes de perpassar por um filtro, mas não por uma membrana semipermeável. Elas são grandes o bastante para refletir e dispersar a luz, dispersão esta conhecida como efeito Tyndall. Os coloides não sedimentam, as partículas dispersas estão em movimento constante e errático devido às moléculas do fluido estarem constantemente a colidir contra elas. É por esta razão que as partículas dispersas não se depositam no fundo do recipiente sob a ação da gravidade e, quando observados num ultramicroscópio, iluminado lateralmente, apresentam diversos pontos de luz que se movem rapidamente em ziguezague, movimento denominado movimento browniano. No nosso dia a dia, os coloides podem ser encontrados em alguns alimentos como cremes vegetais, geleias de frutas, leite, temperos, sorvete, além dos já citados; em produtos de higiene pessoal, como xampus, sabonetes, cremes dentais e de barbear, cosméticos e outros. Existem também importantes coloides biológicos como o sangue, o humor vítreo (substância gelatinosa presente no olho) e o cristalino (uma espécie de lente localizada no olho responsável pela focalização das imagens). Qual a relação da carga do íon com a coagulação de um colóide? A precipitação mútua é um mecanismo de coagulação não utilizado em saneamento devido aos grandes volumes de água a serem tratados. Ocorre quando colóides de cargas opostas são misturados. Se forem adicionados em quantidades equivalentes em termos de cargas eletrostáticas, a coagulação ocorre quase que completamente. Os colóides carregados positivamente que resultam das adições de sais de alumínio ou ferro trivalentes podem, de certa forma, agir desta maneira e remover os colóides carregados negativamente. Nas estações de tratamento de água para abastecimento público e no tratamento de certos efluentes industriais por processo físico-químico à base de coagulação e usados sais simples como o cloreto férrico e o sulfato de alumínio, que são chamados de coagulantes e funcionam como eletrólitos. Os principais mecanismos de coagulação que decorrem da ação de eletrólitos são: Compressão da camada dupla das partículas coloidais: Se uma concentração elevada de um eletrólito é adicionada a uma dispersão coloidal, a concentração de íons em sua camada difusa aumentará e sua espessura, consequentemente, diminuirá. Isto resultará em uma diminuição mais acentuada da carga com a distância à interface da partícula, resultando em um decréscimo ou, talvez, a eliminação da barreira de energia. Neutralização da carga: Uma concentração suficiente de íons monovalentes, tal qual os decorrentes da adição de NaCl, podem promover a coagulação, foi notado que sais contendo íons bivalentes de carga oposta à da partícula coloidal possuem maiores poderes de coagulação. Os sais contendo íons trivalentes de carga oposta são ainda mais eficientes. Este conceito é decorrente da regra de Schulze-Hardy: “a precipitação de um colóide é afetada pela adição de eletrólitos contendo íons de carga oposta e o efeito aumenta significativamente com a carga do íon”. Adsorção em um precipitado: Ao se precipitarem os complexos insolúveis polinucleares, que geralmente possuem carga positiva, adsorvem e neutralizam carga, ou simplesmente aprisionam partículas coloidais que se sedimentam conjuntamente. A quantidade de hidróxidos metálicos positivamente carregados geralmente é maior que a necessária para reagir com as partículas coloidais negativas que tenham escapado da neutralização de carga pelos cátions metálicos trivalentes. O excesso de hidróxido metálico coloidal deve ser coagulado então os ânions associados aos comprimem a camada difusa do colóide e ajudam a completar a coagulação do sistema. O entrelaçamento do colóide original no sal metálico enquanto coagula e se sedimenta, serve para promover uma remoção adicional dos colóides. Em que consistem as espumas? Qual a função do agente espumante? Espuma é um sistema coloidal constituído de bolhas de gás muito pequenas dispersas em um meio líquido, como no caso da espuma de sabão, ou em um meio sólido, como a espuma de poli(estireno) conhecida como isopor®. As bolhas podem coalescer, isto é, colidirem umas com as outras, e do encontro de duas formar uma bolha maior. Esse processo de coalescência causa a quebra da espuma, o que determina a instabilidade do sistema coloidal. É por isso que as espumas de combate a incêndio são feitas com bolhas de gás carbônico provenientes de carbonato de sódio e sulfato de alumínio e estabilizadas com proteínas (sangue seco, gomas) ou mais recentemente substâncias tensoativas, conhecidas como detergentes, que previnem a coalescência (Figueiredo et al., 1999; Ferreira, 1999). As proteínas são bons estabilizantes de espumas em alimentos, tais como clara de ovo batida em neve, marshmallow e creme chantili. Por outro lado, espumas podem ser indesejáveis; por exemplo, os efluentes de matadouros não-tratados adequadamente contêm grande quantidade de proteínas (sangue, tecidos animais) que, se despejados nos rios, podem misturar-se com água contendo detergentes e formar espuma devido à correnteza, causando transtornos ambientais. No entanto, espumas podem ser quebradas pela adição de álcoois ou de formulações à base de óleo de silicone. Um agente espumante é um surfactante, o qual quando presente em pequenas quantidades, facilita a formação de espuma, ou aumenta sua estabilidade coloidal inibir a coalescência das bolhas. Os agentes espumantes são basicamente de dois tipos: agentes de neutralização e de redox. O primeiro inclui os sais que se decompõem emitindo gases, o segundo normalmente são materiais portadores de carbono como coque, grafite, antracito entre outros. Os agentes espumantes podem ser sólidos ou líquidos, com os agentes sólido é difícil de criar uma porosidade ultrafina isolada, por conta da aglomeração do agente espumante, já na liquida não, como a parafina por exemplo, não acontece esse problema. O que é uma emulsão A/O e O/A? Emulsões cuja fase externa é água e a interna é óleo são do tipo (O/A), àquela cuja fase externa é o óleo e a interna é a água são do tipo (A/O). O tipo O/A é uma dispersão de um líquido imiscível ou solução, sempre chamado de óleo (O), em fase aquosa (A). O óleo nesse caso é a fase dispersa (interna) enquanto que a fase aquosa é a fase contínua (externa). O tipo A/O é uma dispersão de água ou uma solução aquosa (A) de um líquido imiscível em óleo (O). Há também as emulsões múltiplas em que as partículas estão dispersas na fase dispersa, podendo ser O/A/O ou A/O/A. Além da proporção das fases aquosa e orgânica, a natureza hidrofóbica/hidrofílica do emulsificante determina a formação de emulsão água/óleo ou óleo/água. Diferentes fenômenos ocorrem em emulsão, tais como: i) cremeação (creaming), que resulta da flutuação das gotas dispersas para a superfície da emulsão; ii) coagulação das gotas, que causa a formação de agregados constituídos de gotas individuais, processo este que também aumenta o creme, iii) coalescência das gotas individuais, que formam gotas maiores até estender a fase finamente dispersa a ponto de quebrar a emulsão. Exemplo de coalescênciaé a coagulação das gotas de gordura pela ação de ácido acético (vinagre) seguida da precipitação de caseína (proteína do leite). Termodinamicamente, o que significa coalescência e estabilização de emulsões? Uma das propriedades de emulsões é a estabilidade que usualmente se refere à resistência delas à coalescência de gotas da fase dispersa. A taxa de coalescência das gotas em uma emulsão é a única medida quantitativa de estabilidade. Essa medida pode ser feita pela contagem do número de monodispersa polidispersa assimétrica bimodal gotas por unidade de volume de emulsão em função do tempo. O conceito de estabilidade de uma emulsão está sempre ligado ou à persistência ou ao decaimento de um sistema disperso sob determinadas circunstâncias. um sistema emulsionado é dito estável quando não sofre alteração em seus aspectos por mais de três anos, e instável se sofre separação de fases após alguns minutos. A estabilidade pode ser empregada com relação a três fenômenos essencialmente diferentes: sedimentação, floculação, e quebra por conta da coalescência das gotículas dispersas. A sedimentação resulta da diferença de densidade das duas fases, e não é acompanhada necessariamente pela floculação das gotículas. Colisões das partículas podem provocar floculação, que por sua vez pode levar a coalescência e formação de glóbulos maiores, a fase dispersa pode tornar-se uma fase continua, separada do meio de dispersão por uma única interface. As emulsões contam também com agentes emulsionantes para torna-las mais estáveis. Quais as características de composição e tamanho de película de: sistema coloidal, emulsões e suspensões. Dê exemplos para cada caso. Os coloides, ou sistemas coloidais, são misturas em que as partículas dispersas têm um diâmetro compreendido entre 1 nanômetro e 1 micrometro, partículas estas que podem ser átomos, íons ou moléculas. As substâncias não se separam sob a ação da gravidade, mas é possível separá-las usando filtros extremamente finos ou centrifugadoras extremamente potentes. Leite, temperos, sorvete, xampus, sabonetes, cremes dentais e de barbear são alguns dos exemplos do sistema coloidal. Temos cinco tipos de coloides, que são: 1- Espuma: Gás disperso em sólido ou líquido. Exemplos: pedra-pome, clara em neve, chantilly, esponja. 2- Emulsão: Líquido disperso em outro líquido ou sólido. Exemplos: leite, maionese, queijo e manteiga. 3- Sol: Sólido disperso num líquido. Exemplos: sangue, rubis, pérolas e solução de goma. 4- Gel: Líquido disperso num sólido. Exemplos: gel de cabelo, gelatina. 5- Aerossol: Sólido ou líquido disperso em gás. Exemplos: fumaça, neblina, nevoeiros, spray e umidificador de ar. Emulsão e microemulsão são dispersões coloidais de um líquido em outro, geralmente estabilizadas por um terceiro componente tensoativo (emulsificante) que se localiza na interface entre as fases líquidas. Esta fase dispersa consiste em gotas entre 0,1 e 100 µm. Entre os emulsificantes mais usados pode-se citar proteínas (ovoalbumina, caseína), gomas (gelatina), sabões e detergentes, argilas e óxidos hidratados. As principais propriedades das emulsões são: condutividade elétrica, tamanho de gotas, viscosidade e estabilidade. O tipo de emulsão é determinado pela medida de condutividade, pois na maioria dos casos na fase aquosa estão presentes um ou vários eletrólitos, que conduzem eletricidade, o que não ocorre na fase óleo. Há dois tipos de emulsão, conforme a proporção das fases: água em óleo, com gotículas de água dispersas na fase contínua óleo, e óleo em água, gotículas de óleo dispersas em água. O termo óleo refere-se à fase orgânica e água à fase aquosa. Esse sistema coloidal é vastamente utilizado na apresentação de produtos farmacêuticos (cremes), alimentícios (maionese, margarina, leite), industriais (petróleo, lubrificantes, asfalto). Suspensões são sistemas heterogêneos, nos quais, mesmo a olho nu, é possível visualizar suas partículas que são aglomerados de moléculas ou íons e possuem dimensão maior que 1000nm. Alguns exemplos são: areia na água, argila na água, leite de magnésia e calamina. Os coloides, ou sistemas coloidais, são misturas em que as partículas dispersas têm um diâmetro compreendido entre 1 nanômetro e 1 micrometro, partículas estas que podem ser átomos, íons ou moléculas. São classificados em: Aerossol – dispersão de um sólido ou um líquido em um gás. Como exemplo de aerossol pode-se citar a fumaça proveniente da queima de materiais e o nevoeiro. Espuma – dispersão de um gás em um sólido em um líquido. A espuma líquida e o creme de leite batido, mais conhecido como chantilly são exemplos de espuma. Emulsão – dispersão de um líquido em um sólido ou outro líquido. Os exemplos mais comuns desse tipo de coloide são o queijo, a manteiga e a maionese. Sol – dispersão de um sólido em um líquido. Exemplo: tintas e vidros coloridos. Gel – sólido de textura gelatinosa e elástica formado por uma dispersão coloidal, em que o disperso apresenta-se no estado líquido e o dispersante no estado sólido. Qual a diferença entre colóides liofílicos e liofóbicos? E como se caracteriza a estabilização dos colóides? Colóide liófilo ou reversível é aquele em que a substância se dispersa espontaneamente no dispersante, como o sabão disperso na água e gelatina. Quando o dispersante é a água, o colóide é chamado hidrófilo. Colóide liófobo ou irreversível é aquele em que a substância não se dispersa espontaneamente no dispersante, como o ouro coloidal e enxofre coloidal. Eles são usados com frequência para indicar a tendência de uma superfície ou de um grupo funcional de se umedecer ou solvatar. A estabilidade dos coloides é determinada pela interação entre as partículas durante os choques entre as partículas dispersas num meio liquido, esta se opõe a agregação, é uma consequência da interação repulsiva entre duas camadas de cargas iguais, e da afinidade partícula solvente. Essas unidades cinéticas (partículas/gotas) podem permanecer estáveis e constantes com o tempo devido à afinidade entre a superfície da partícula e o solvente. Na ciência dos colóides, o sistema é classicamente denominado colóide liofílico (do grego lyein = solvente + philein = gostar de). No entanto, se as unidades cinéticas não permanecerem estáveis com o tempo devido às interações entre elas e vierem a agregar-se, formarão unidades maiores que se sedimentam sob a ação do campo gravitacional, separando assim a fase dispersa da contínua. Esse sistema é também classicamente conhecido como colóide liofóbico (repulsão ao solvente — phobos = repelir). Assim, existem colóides estáveis por muitos anos, enquanto em outros as fases constituintes separam-se em pouco tempo. Por exemplo, os sóis de ouro obtidos por Michael Faraday em 1864 permanecem estáveis até hoje e estão expostos na Royal Society of Chemistry em Londres. Já a poeira levantada pelo trânsito assenta rapidamente. As interações entre partículas coloidais governam as propriedades dos coloides e dependem da distância de separação e da quantidade de partículas coloidais dispersas. As forças externas devidas ao campo da gravidade ou ao cisalhamento também influenciam a interação e as colisões entre partículas. Essas forças de interação entre as superfícies das partículas coloidais advêm da natureza eletromagnética das interações entre a matéria. Nas dispersões coloidais aquosas pode haver: 1) interação repulsiva de duplas camadas de cargas, 2) interação atrativa de van der Waals, 3) interação estérica repulsiva de cadeias de polímeros adsorvidos nas partículas, 4) interação atrativa de polímeros, 5) interação de moléculas de solvente (solvatação) e 6) interação hidrofóbica. As partículas coloidais adquirem cargas elétricas na superfície, quando expostas ao contato com solvente polar, por diferentes mecanismos, tais como: dissociação de grupos da superfície e adsorção ou dissolução de íons da superfície. Por isso o equilíbrio químico entre os prótons e a superfície de óxidos é relevante para compreender o comportamento dedispersões aquosas. A carga da superfície da partícula influencia a distribuição dos íons da solução na vizinhança, atraindo e repelindo contraíons e co-íons, respectivamente. Essa distribuição de íons desde a superfície da partícula até o interior da solução (meio de dispersão) gera diferentes. O potencial da interfase entre a superfície da partícula e o interior da solução do meio de dispersão diminui mais rapidamente à medida que aumenta a força iônica, porque a dupla camada de cargas que se forma ao redor da partícula é comprimida em direção à superfície pela concentração de íons da solução. Portanto, as propriedades elétricas dos coloides são governadas pelas interações repulsivas coulombianas. No entanto, essa energia de repulsão entre as partículas não garante a estabilidade das partículas dispersas. Por isso, na prática, dispersões coloidais podem agregar-se e os agregados sedimentam-se rapidamente, como por exemplo no caso da dispersão de argila em água. As interações atrativas de curto alcance de van der Waals induzem à agregação do sistema à medida que as superfícies das partículas se aproximam umas das outras. Essas forças de curto alcance são as mesmas provenientes da polarização de átomos e moléculas (dipolos) constituintes dos sólidos dispersos no meio polar que separa as partículas. Portanto, a energia total de interação (VT) é a soma resultante das energias de repulsão (VR) e de atração (VA). Quais as características de um sistema sol-gel? Sol é um colóide constituído de partículas sólidas finamente divididas dispersas em um meio de dispersão líquido. Outras denominações – hidrossol, organossol ou aerossol – são atribuídas segundo o meio de dispersão utilizado: água, solvente orgânico ou ar, respectivamente. Quanto à interação entre as moléculas da fase contínua e da fase dispersa, os sóis são classificados em liofílicos, que apresentam partículas dispersas com maior afinidade com o solvente, são mais estáveis e semelhantes à solução verdadeira, e liofóbicos, cujas partículas não atraem fortemente as moléculas de solvente e coagulam ou precipitam facilmente. Essas dispersões coloidais mais concentradas formam sistemas mais viscosos denominados pastas, utilizadas, por exemplo, na fabricação de creme dental. Gel é um colóide no qual a interação do líquido com partículas muito finas induz o aumento da viscosidade, tornando-se uma massa com partículas organizadas no meio de dispersão formando uma rede de partículas enfileiradas como um colar. Esses colóides formam uma rede com natureza elástica e gelatinosa, tal como gelatina ou geléia de frutas, ou como um sólido rígido como sílica gel, muito usada em embalagens como agente secante. Géis podem contrair e eliminar o solvente, processo este denominado de sinérise. Vários fatores influenciam na estabilidade das emulsões, incluindo viscosidade, tamanho da gota, razão volumar da fase, temperatura, pH, envelhecimento da emulsão e tipo do emulsificante presente, O sistema sol-gel foi implantado pela primeira vez pra a deposição de camadas de óxido sobre vidro. Sol-gel é um processo químico utilizado para a síntese de uma suspensão coloidal de partículas sólidas em um liquido, sol, e subsequentemente a formação de um material de fase dupla de um corpo sólido ocupado com um solvente, gel úmido. Este gel é uma rede sólida ocupada com uma segunda fase de dimensões coloidais, ou líquidos ou gás que também forma uma rede tridimensional interconectada.quando o solvente é removido, o gel úmido converte para um xerogel através de secagem a pressão ambiente ou um aerogel por uma secagem acima de uma pressão critica e uma temperatura critica. 9- Explique o fenômeno de formação de colóides por associação na formação de Micelas. Descreva o papel de ambas as porções, interna e externa, da micela na ação de limpeza de sabões e detergentes. Um coloide micelar é um sistema coloidal formado por partículas denominadas micela, que são aglomerados de átomos, moléculas ou íons de substancias tenso-ativas, sendo as cadeias carbônicas lipofílicas orientadas para o interior da micela. A formação de micelas constitui um outro mecanismo, ao lado da adsorção, que pode diminuir a energia interfacial de uma solução de substancias tenso-ativas. A teoria micelar proposta por Hartley como uma forma esférica e serem as micelas essencialmente gotículas liquidas de dimensões coloidais,nas quais os grupos polares se situam na superfície. Mcbain propôs a existência de uma forma laminar, e Harkins considerou uma micela cilíndrica A teoria laminar para as micelas supõe que as moléculas de substancias tenso-ativas estejam organizadas na forma de uma dupla camada, com grupos polares dirigidos para a superfície externa. Quando um feixe de raio X monocromático atravessa uma fina película de uma solução de sabão, observa-se um espectro de difração, cuja, mostra espaçamentos consistentes com aqueles esperados numa micela laminar. Com a adição de substancias lipossolúveis, observa-se um aumento no espaçamento longitudinal consistente com a solubilização na forma de um filme fino entre as camadas da micela. A formação de micelas afeta a contundância de soluções de substancias tenso-ativas iônicas por conta da: Resistência total devida a viscosidade exercida sobre as moléculas de substâncias tenso-ativas é reduzida pela agregação; Os íons de carga contraria ás da micela tornam-se cineticamente, uma parte integrante da micela, por causa de sua elevada carga superficial, reduzindo assim o numero de íons disponíveis pra o transporte da corrente elétrica, e reduzindo a carga liquida das micelas; Na agregação, a influencia desaceleradora exercida pelas atmosferas iônicas se íons não ligados a micela sobre a migração dos íons de substancias tenso-ativas é bastante aumentada. As micelas estão envolvidas diretamente na ação do detergente, como agentes de solubilização dos materiais oleosos. Contudo a ação do detergente é função da concentração da substancia tenso-ativa não associada, não sendo praticamente alterada pela presença de micelas. Parece dessa forma que as propriedades moleculares das substancias tenso-ativas, associadas a uma boa atividade detergente, levam também a uma formação de micelas, num processo antes competitivo do que contribuinte para a ação detergente. Quais são os métodos de obtenção e purificação das dispersões coloidais? A formação de uma dispersão coloidal envolve a degradação de partículas de dimensões maiores, ou a agregação do moléculas ou íon pequenos. A dispersão de partículas maiores por moagem num moinho coloidal ou por ultrassom, não leva a uma subdivisão muito acentuada, por causa da tendência das pequenas partículas de se reagruparem por influencia das forças mecânicas envolvidas, e em virtude de forças de atração entre as partículas. Depois de uma moagem prolongada, a distribuição de tamanhos de partículas chega a um equilíbrio. Dispersões algo menores podem ser obtidas incorporando um diluente inerte, reduzindo a probabilidade de as partículas se reencontrarem durante o processo de moagem, ou então, por uma moagem úmida em presença de um material tenso-ativo. Um grau mais elevado de dispersão pode ser obtido utilizando-se o método da agregação, este envolve a formação de uma solução molecular dispersa, supersaturada, a qual a substancia em questão precipita no grau adequado de divisão. Para atingir essa finalidade existe uma grande variedade de métodos, tais como substituição de um bom solvente de menor capacidade de dissolução, resfriamento, bem como varias reações simples. Obtem-se um elevado grau de dispersão quando a velocidade de nucleação é elevada e a velocidade de crescimento dos cristais é baixa. A velocidade das partículas depende principalmente dos seguintes fatores: 1- quantidade de substancia disponível. 2- viscosidade do meio, que controla a velocidade de difusão da substancia á superfície das partículas. 3- A facilidade com que a substancia adquire orientação correta para se incorporar ao reticulo cristalinoda partícula. 4-adsorção de impurezas no reticulo da partícula, que podem agir como inibidores de crescimento. 5- Agregação partícula- partícula. Métodos de agregação levam geralmente á formação de sóis polidispersos principalmente por causa da formação de novos núcleos, ao mesmo tempo em que crescem os núcleos formados anteriormente, logos as partículas finais crescem a partir de núcleos formados em tempos diferentes. As reações de polimerização podem ser realizadas ou no seio do próprio material,ou, em solução. Os papeis filtro comum são permeáveis a partículas coloidais. O emprego de membranas para separar partículas coliodias tem o nome de diálise. Esta é especialmente útil para remover pequenas moléculas em soluçaos de soluções ou dispersões coloidais, o processo é acelerado por agitação, que mantem um elevado gradiente de concentrações de moléculas passiveis de difusão através da membrana, e que leva a uma renovação do liquido externo de tempo em tempo.
