Determinação da Tensão superficial de líquidos puros pelo método do anel (Du Nouy) e pelo método da bolha

Universidade Federal de Uberlândia
Instituto de Química

Determinação da Tensão superficial de líquidos puros pelo método do anel (Du Nouy) e pelo método da bolha
Experimento 5a e 5b

Uberlândia-MG
Abril/2018

1. Introdução

As moléculas de um líquido interagem entre si de várias maneiras. Como por exemplo, a atração ou a repulsão quando as moléculas estão eletricamente carregadas. Existe também a ação da gravidade e da agitação térmica.

Pode ser observado que, quando a água é colocada em uma superfície encerada, ela se espalha em bolhas, formando esferas distorcidas. Este comportamento é conseqüência de um desequilíbrio das forças intermoleculares, como ilustra a figura 1.[pic 1]

Figura 1: Imagem ilustrativa do comportamento das moléculas de um líquido

Enquanto as moléculas no interior são atraídas igualmente em todas as direções, as da superfície sofrem uma força líquida para o interior.

Em geral, quando um líquido ocupa um determinado volume em um recipiente, tais interações impedem que este se espalhe pelo espaço e pelo ar circundante, tendem a diminuir sua área superficial. Dessa maneira um maior número de moléculas encontra-se em seu volume e, assim, permanecem cercadas por outras moléculas.  Portanto, as gotas de líquidos são esféricas, pois, uma esfera é a forma com menor razão superfície/volume. Mas, podem existir outras forças que concorrem com a tendência de assumir essa forma ideal porque, particularmente, a gravidade pode achatar essas gotas em poças e oceanos.

Uma das forças que devem ser vencidas para que haja a expansão da área superficial do líquido pode ser determinada pela tensão superficial.  A tensão superficial é a energia necessária para aumentar a área superficial de um líquido em quantidade unitária. A tensão superficial da água, por exemplo, é . Isto significa que é necessário fornecer uma energia de  para aumentar a área superficial uma determinada quantidade de água em 1 .[pic 2][pic 3][pic 4]

A tensão superficial da água é proveniente das fortes ligações de hidrogênio. O mercúrio tem ligações metálicas muito mais fortes, o que faz com que sua tensão superficial seja maior que a da água ().[pic 5]

Forças coesivas são forças intermoleculares que mantém moléculas similares unidas. As forças adesivas são as forças intermoleculares que unem uma substância à superfície. Ao colocar água em um tubo de vidro, as forças adesivas são maiores que as coesivas. Com isso, ocorre a formação do que é chamado de menisco, isto é, uma curvatura em U que é resultado da aderência da água às paredes do vidro. No caso do mercúrio, as forças coesivas são maiores que as adesivas, assim, ao invés do formato de U, o menisco formado quando colocamos o mercúrio em um tubo de vidro tem curvatura voltada para baixo. Quando líquidos são colocados em tubos de diâmetros muito estreitos, eles sobem pelo tubo por ação capilar. Isso ocorre porque as forças adesivas existentes entre o tubo e as paredes do líquido tendem a aumentar a área superficial do líquido. Mas, por conseqüência da tensão superficial do líquido, a área tende a ser reduzida e, assim, o líquido é atraído para cima do tubo até que as forças adesivas e coesivas sejam equilibradas pela força da gravidade. Esse fenômeno pode ser observado em nosso cotidiano, pois é com a ajuda da capilaridade que a água e os nutrientes dissolvidos movem-se para cima das plantas. Outro evento do nosso dia-a-dia é o uso de surfactantes e detergentes, que têm o papel de romperem a tensão superficial por reduzir as forças de coesão entre as moléculas do líquido.

A tensão superficial diminui com o aumento da temperatura, pois a agitação térmica das moléculas diminui as forças de atração. Como representado na Figura 2:

[pic 6]

Figura 2: Imagem ilustrativa do gráfico da Tensão superficial da água pela Temperatura

A tensão superficial dos líquidos pode ser determinada por diferentes maneiras. Neste experimento, usaremos o Método da pressão da bolha e o Método do Anel (Du Nouy).

O método da pressão de bolha consiste em uma bolha de gás, em geral o ar atmosférico, que surge do tubo capilar submerso no líquido a ser analisado. Isto requer que a sobre-pressão seja maior que a pressão hidrostática  da coluna, dada pela equação 1:[pic 7]

[pic 8]

Em que é a altura de imersão,  é a aceleração da gravidade e  é a densidade do líquido.[pic 9][pic 10][pic 11]

A pressão capilar deve ser sobreposta, sendo esta a diferença entre a pressão interna e pressão externa da bolha. Um trabalho a pressão constante ocorre durante o aumento do volume da bolha, conforme a equação 2:

  [pic 12][pic 13]

Onde é o raio capilar, w é o trabalho e  é a pressão constante e V é o volume.[pic 14][pic 15]

O trabalho referente á energia do aumento da área superficial  é determinado pela equação 3:[pic 16]

 [pic 17][pic 18]

Sendo que  é determinado pela equação 4:[pic 19]

[pic 20]

Onde γ é a tensão superficial, G é a energia de Gibbs e σ é a área superficial.

Como  temos que  ou  que é a equação de Laplace para superfícies curvas. Assim, a pressão total necessária para que a bolha escape pelo capilar até emergir dentro do líquido, é a soma da pressão capilar  mais a pressão hidrostática . Isto é . [pic 21][pic 22][pic 23][pic 24][pic 25][pic 26]

Então é possível calcular a tensão superficial através da equação 5:

 [pic 27][pic 28]

Onde,  é a pressão máxima.[pic 29]

Quando o raio do capilar é desconhecido, este pode ser determinado usando um líquido de tensão superficial conhecida, como por exemplo, a água, de acordo com a equação 6:

 [pic 30][pic 31]

Em que  é medida pela diferença de altura entre os dois meniscos do manômetro. Sendo .[pic 32][pic 33]

O método do anel Du Nouy é uma técnica através da qual a tensão superficial de um líquido pode ser medida. O método envolve um anel de elevação lenta, muitas vezes feitas de platina, a partir da superfície de um líquido. A força necessária para levantar o anel da superfície do líquido é medida e relacionada à tensão superficial do líquido.

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