Fenômenos de superfície  - Exercícios - Física, Notas de estudo de Física. Universidade Federal da Bahia (UFBA)
A_Santos
A_Santos8 de Março de 2013

Fenômenos de superfície - Exercícios - Física, Notas de estudo de Física. Universidade Federal da Bahia (UFBA)

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Apostilas e exercicios de Física da Universidade Federal Fluminense, sobre o estudo dos Fenômenos de superfície.
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Universidade Federal Fluminense - Departamento de Físico-química. Disciplina: Físico-química V - Lista de exercícios - 1/2008 - Fenômenos de superfície 1

1. Sabendo que a 25 oC a tensão superficial da água é 72 dina/cm e sua massa específica é 0,998 g/cm3,

calcular o trabalho necessário para pulverizar um quilograma de água em gotas de raio igual a 0,5 mm. R.: 0,428 J.

2. Duas bolhas de sabão de raios de curvatura r1 e r2 se unem através de uma interface comum. Mostre que o raio de curvatura desta interface é dado por r1r2/(r1 – r2). Em qual dos lados estará o centro de curvatura?

R.: No da bolha menor 3. Um cilindro metálico tem um pequeno furo no fundo. O buraco é suave e circular com diâmetro 0,04

mm. Calcule a profundidade que o recipiente pode ser preenchido com antes que a água comece a gotejar pelo buraco. Considere a densidade da água 1,0 g/cm3 e a tensão superficial 72 dina/cm. R.: 73 cm

4. Um tubo capilar uniforme tem a forma de S e uma de suas extremidades é imersa em um líquido de tensão superficial 25 dina/cm e densidade 0,80 g/cm3. O raio do capilar é 0,05 cm. O liquido molha o tubo. Após imersão, uma pequena quantidade do mesmo líquido é adicionada na outra extremidade do tubo, de modo que a pressão do ar preso é suficiente para manter o menisco no nível do líquido no recipiente. Se a pressão externa é 1 atm, calcule valor da pressão na fase liquida e gasosa em todas as interfaces líquido/ar no interior do tubo. R.:(dina/cm2) 106; 9,99.105; 106; 1,001.106; 1,001.106; 106.

5. Sabendo que a 20oC, γH20 = 72,73, γbenz = 35,07, γH20/benz = 28,9, γH20 saturada e m benz = 62,4, γbenz saturado e m H20 = 35,0, γH20sat./benz.sat. = 28,8 dina/cm, descreva o que ocorre quando uma gota de benzeno é colocada sobre água a 20oC. R.: φbenz,H20 = + 8,76 dina/cm, φ benz.sat.,H20sat. = - 1,6 dina/cm.

6. Estimar o raio das menores gotas que se formam na condensação do vapor de etanol a 0 oC, sabendo que a razão de supersaturação (p/po) é da ordem de 2,3. A massa específica do álcool é 0,80625 g/cm3 e a tensão superficial vale 24 erg/cm2 R.: 1,4.10-7 cm

7. Assumindo que os cristais se formam como pequenos cubos de arestas de comprimento 10 μm, calcule a razão entre o ponto de congelamento do gelo consistindo de pequenos cristais e o ponto de congelamento de cristais infinitamente grandes. Assuma que a tensão superficial é 25 mN/m; ΔHofus = 6,0 kJ/mol e Vs = 20 cm3/mol. R.: 1,00005.

8. Dois tubos capilares com raios internos 0,6 e 0,4 mm são mergulhados em um líquido de massa especifica 0,901 g/cm3 em contato com o ar de densidade 0,001 g/cm3. A diferença entre as alturas do líquido nos dois capilares é de 1 cm. Calcular a tensão superficial do líquido supondo ângulo de contato nulo. R.: 52,98 dina/cm

9. Uma lamínula de microscópio com um perímetro de 2,100 cm é usada numa experiência de Wilhelmy. Coloca-se uma amostra de 10,00 ml de água no recipiente equilibra-se a balança. Remove-se a água e repete-se o procedimento com 10,00 ml soluções de acetona 5,00%, 10,00% e 20,00% (em massa) usando o mesmo recipiente usado para a água. Para se reequilibrar a balança em cada caso, tiveram que ser retiradas do braço da balança 35,27 mg, 49,40mg e 66,11 mg, respectivamente. Sabendo que a tensão superficial da água, nas condições das medidas, é 71,97 x 10-3 N/m, calcular a tensão superficial de cada solução, desprezando o efeito das diferentes densidades.

R.: 55,51 x 10-3 N/m, 48,92 x 10-3 N/m,41,12 x 10-3 N/m. 10. No tensiômetro de du Noüy, mede-se a força necessária para arrancar um anel fino da superfície líquida.

Se o diâmetro do anel for 1,0 cm e a força para arrancar o anel, com o líquido aderido em sua periferia interna e externa, for de 6,77 x 10-3 N, qual a tensão superficial do líquido? R.: 0,108 N/m.

11. Uma solução aquosa de um agente tensioativo de concentração 1.10-4 M é estudada com um aparelho chamado micrótomo. A 25 oC é espalhada uma fina camada superficial de área conhecida e deste modo é determinado que a excesso superficial é 3.10-10 mol/cm2. Calcule a tensão superficial da solução.

R.: 64,5 dina/cm. 12. A 25oC a tensão superficial de misturas de etanol-água segue a equação γ(dina/cm) = 72 - 0,5 C + 0,2 C2,

onde C é a concentração em mol/litro. Calcule o excesso superficial de etanol para uma solução 0,5 M. R.: 6,05 x 10-8 mol/m2. 13. A tabela abaixo fornece valores de volume de nitrogênio (reduzidos a 0oC e 1 atm) adsorvido por 1,0 g de

carvão ativado a 0oC, a várias pressões a. Verificar se esta adsorção obedece a isoterma de Langmuir, e determinar suas constantes.

R.: 35,71 cm3/g; 718,7 x 10-5 Torr-1. b. Calcular a fração de área do carvão coberta pelo nitrogênio na pressão de equilíbrio de 56,23 Torr.

R.: 0,289. p (Torr) 3,93 12,98 22,94 34,01 56,23

V(cm3/g) 0,987 3,04 5,03 7,04 10,31

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Universidade Federal Fluminense - Departamento de Físico-química. Disciplina: Físico-química V - Lista de exercícios - 1/2008 - Fenômenos de superfície 2

14. Os dados seguintes mostram as pressões de CO necessárias para que sejam adsorvidos 10,0 cm3 de gás

por carvão. Calcular a entalpia de adsorção neste recobrimento superficial R.: -7,5 kJ/mol T (K) 200 210 220 230 240 250

p (torr) 30,0 37,1 45,2 54,0 63,5 73,9 15. Num processo de tratamento descontinuo de um óleo comestível, visando-se a baixar o teor de impureza,

opera-se a 25 oC, juntando-se a um volume conhecido de óleo uma certa massa de carvão ativo. Calcular a massa de carvão necessária para tratar 100 litros de óleo nas seguintes circunstâncias:

• Teor inicial de impureza: 1 % (1,0 g em 100 litros) • Teor final desejado de impureza: 0,001 % • Isoterma da adsorção da impureza no carvão:

c m x 6,0=

onde x é a massa de impureza adsorvida na massa m do carvão e c é a concentração da impureza no óleo em equilíbrio com o carvão, em gramas por litro. Qual a concentração final se a quantidade de carvão for a metade da calculada? R.: 526,5 g; 0,004 %

16. Os dados abaixo se referem à adsorção de ácido acético contido em 100 cm3 de uma solução aquosa, por 2,0 g de carvão ativado. Mostrar que estes dados se ajustam à isoterma de Freundlich e determinar os valores das duas constantes da equação. R.: 0,148; 2,52.

Cin. (mol/dm3) 0,520 0,260 0,112 0,056 0,028 Cequ. (mol/dm3) 0,484 0,231 0,093 0,042 0,018

17. A isoterma Temkin para adsorção de gases por sólidos é V = r. ln sp

onde r e s são constantes. Ajuste os dados abaixo a esta isoterma e determine r e s. p/atm 3,5 10,0 16,7 25,7 33,5 39,2

V/cm3/g 101 136 153 162 165 166 18. No projeto de uma planta química pretende-se usar um catalisador conhecido como CR-1, visando a

fluoração do butadieno. Numa investigação preliminar, determinou-se a forma da isoterma de adsorção medindo-se o volume de butadieno adsorvido por grama de CR-1, a 15 oC, em função da pressão

p (torr) 100 200 300 400 500 600 V (cm3) 17,9 33,0 47,0 60,8 75,3 91,3

P0(butadieno) = 200 kPa A isoterma de Langmuir é apropriada nessa faixa de pressão? Verificar se a isoterma BET ajusta-se melhor aos dados experimentais. Determinar o V∞ e c. R.: 75,4 cm2 e 3,98.

19. Os dados abaixo são para adsorção de N2 em rutilo a 75 K, onde p está em milímetros de mercúrio e V em centímetros cúbicos por grama nas CNTP. Faça um gráfico de acordo com a isoterma BET e calcule V∞. c e área superficial específica. A pressão de vapor (em mm Hg) do N2 é dada por

T T

po .0056286,071057,78,339log −+−=

p 1,17 14,00 45,82 87,53 127,7 164,4 V 600,06 719,54 821,77 934,68 1045,75 1146,39

R.: 821,27 cm3; 244,8; 3575 m2/g 20. A adsorção de butano sobre NiO em pó foi medida a 0 oC. Os volumes do butano nas CNTP adsorvidos

por grama de NiO são p/KPa 7,543 11,852 16,448 20,260 22,959

V/cm3/g 16,46 20,72 24,38 27,13 29,08 a. Usando a isoterma de BET, calcule o volume nas CNTP adsorvidos por grama quando o pó é

recoberto por uma única camada. Po = 103,24 KPa. R.: 27,66 cm3/g b. Se a área da seção reta de uma única molécula de butano é 44,6.10-22 m2, qual a área por grama de

pó? R.: 3,38 m2/g c. Calcule θ1, θ2, θ3 e θv a 10 KPa. R.: 0,598, 0,058, 0,0056 e 0,401

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