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INTERFACES LÍQUIDO-GÁS E LÍQUIDO-LÍQUIDO
1. Qual a distinção entre os termos superfície e interface? Em que casos é mais conveniente
empregar um ou outro termo?
Interface é o contato, uma coisa que liga a outra ou um ponto a outro. O que faz a
comunicação. Já a superfície é o exterior, a parte externa e visível dos corpos, face, já a interface
é a região onde duas extremidades se encontram.
2. Explique o que é e qual a origem da tensão superficial de líquidos. Qual é a unidade de
tensão superficial no SI e no sistema cgs?
Tensão superficial é um efeito físico que ocorre na interface entre duas fases químicas.
Ela faz com que a camada superficial de um líquido venha a se comportar como uma membrana
elástica. Esta propriedade é causada pelas forças de coesão entre moléculas semelhantes, cuja
resultante vetorial é diferente na interface. Em SI sua grandeza é newton por metro ou joule por
metro quadrado. O sistema CGS também é muito utilizado, com suas grandezas dina por
centímetro e erg por centímetro quadrado.
3. Por que as gotículas de um líquido ou bolhas de um gás tendem a adquirir a forma
esférica?
As moléculas situadas no interior de um líquido são, em média, sujeitas à força de
atração igual em todas as direções, ao passo que as moléculas situadas, por exemplo, na
superfície de separação líquido-ar, estão submetidas à força de atração não balanceada ou não
equilibrada, o que resulta numa força preferencial em direção ao interior do líquido. O maior
número possível de moléculas se deslocará da superfície para o interior do líquido e a superfície
tenderá a contrair-se. Isso também explica porque gotículas de um líquido ou bolhas de gás
tendem a adquirir uma forma esférica.
4. Comente a frase: "A permanência de uma molécula na superfície de um líquido é, em
média, cerca de 10-6 segundos".
Uma superfície líquida aparentemente em repouso se encontra na realidade em estado
de grande turbulência, ao nível molecular, como resultado do movimento de partícula s entre o
interior e a superfície, e entre a superfície e a fase de vapor.
5. Explique cada um dos termos da equação de Young-Laplace.
Equação de Young-Laplace:
1
2
, que pode ser simplifica de para: ∆𝜌 = 2 𝛾 𝑟
no caso de
superfícies esféricas
∆ρ = é a variação de pressão entre superfícies (sempre maior no lado côncavo)
γ = é a tensão superficial
r = são os dois raios de curvaturas perpendiculares.
6. Por que a pressão de vapor sobre uma pequena gota é maior do que a pressão de vapor
sobre uma superfície plana?
A pressão de vapor sobre uma pequena gota (onde existe uma relação elevada
superfície/volume) é maior do que a pressão de vapor sobre uma superfície plana
correspondente. A transferência de líquido de uma superfície plana para uma gotícula requer
consumo de energia, já que aumentarão a área, e em consequência a energia livre superficial da
gotícula.
7. Explique cada um dos termos da equação de Kelvin. Qual a sua utilidade?
Equação de Kelvin:
𝑅𝑡. ln 𝑃𝑟 ⁄𝑃𝑜 = 2 𝛾𝑀 ⁄Pr = 2 𝛾𝑣𝑚 ⁄𝑟
Ρ = densidade do líquido
vm = volume molar do líquido
M = massa molar
γ = constante
Po = pressão de vapor para a gota
Pr = pressão de vapor
Pode ser aplicada também a um menisco côncavo de capilar; nesse caso, a curvatura
será negativa, prevendo-se uma diminuição da pressão de vapor.
8. Explique cada um dos termos da equação de Ramsay e Shields. Qual a sua utilidade?
Equação de Ramsay e Shields :
2
3
⁄
M = massa molar do líquido
ρ = densidade do líquido
x = grau de associação do líquido
Tc = temperatura crítica
k = constante
É utilizada para tensão superficial, onde a maioria dos líquidos diminui com o aumento
da temperatura, de maneira quase linear e se torna muito pequena nas proximidades da
temperatura crítica, onde as forças coesivas intermoleculares tendem a zero.
9. Explique passo-a-passo, como se obtém a equação que permite encontrar a tensão
superficial de um líquido pelo método da ascensão capilar.
Método do capilar - Quando usado corretamente, esse método é o mais exato para a
determinação de tensões superficiais. Uma vez que o método não envolve perturbação da
superfície, é possível acompanhar efeitos temporais lentos. Para a elevação de um líquido num
tubo capilar estreito vale γ=rhΔρg2cosθ, expressão que para um ângulo de contato igual a zero
se reduz a γ=1/2rhΔρg, onde Δ p é igual à densidade do líquido menos a densidade do vapor.
Num capilar estreito o menisco será aproxima da mente hemisférico; portanto
γ=1/2r(h+r/3)Δρg. Na prática, o método do capilar só é utilizado quando o ângulo de contato é
nulo, por causa da dificuldade em medir corretamente os ângulos de contato. Uma variação útil
do método consiste em medir a diferença na elevação do líquido em tubos capilares de
diâmetros internos diferentes, eliminando desse modo a superfície plana do reservatório de
líquido como ponto de referência. Como temos que γ=2r 1 h1Δρg=1/2r 2 h2Δρg, Teremos para
γ=Δρgr 1 r2Δh2(r1−r2).
10. Explique os métodos das placas de Wilhelmy, do anel e do peso e volume da gota, para
determinar a tensão superficial de líquidos.
Este método utiliza uma placa de platina retangular que sofre torção dentro do líquido.
A força oposta exercida pelo líquido à placa é medida por uma balança e é diretamente
proporcional a tensão superficial. O método do anel é baseado na força necessária para separar
do líquido um anel de platina-irídio em contato com a superfície deste. Essa força é medida por
uma balança de torção em dinas/cm2 a determinada temperatura. Alguns cuidados são
necessários para a precisão do método como a manutenção do anel exatamente na horizontal,
flambagem do anel para limpeza e evitar-se formação de ondas na superfície do líquido.
No método de peso e volume da gota a tensão superficial de um fluido pode ser
determinada pelo formato de uma gota (pendente ou fixa em uma superfície), desde que a gota
encontrados como uma mistura de alquil-benzenos sulfunatos, sendo que o componente
principal dessa mistura é o dodecilbenzenossulfonato de sódio que no Brasil é estabelecido
como padrão de detergente aniônico biodegradável.
16. Por que a tensão superficial de soluções recém preparadas varia com o tempo até
atingir o equilíbrio? Isto pode ser observado por métodos estáticos?
A formação de uma camada adsorvida numa superfície não é um processo instantâneo,
mas é governada pela velocidade de difusão da substância tenso- - ativa através da solução, em
direção à interface. Podem decorrer vários segundos até que uma solução de uma substância
tenso-ativa atinja sua tensão superficial dè equilíbrio, especialmente se a solução for diluída e
se as moléculas de soluto forem grandes e assimétricas. Conhecem-se efeitos ainda mais lentos,
mas sabe-se agora que esses se devem a traços de impurezas presentes. Pode-se demonstrar a
existência do fator tempo na adsorção, medindo as tensões superficiais de superfícies recém-
preparadas, por meio de um método dinâmico; por exemplo, as tensões superficiais de soluções
de oleato de sódio medidas pelo método do jato oscilante se aproximam das da água pura, mas
decrescem rapidamente à medida que a superfície envelhece.
17. Por que o uso de um plano para separar interfaces é artificial e não corresponde a
realidade?
Os fenômenos de superfície, ou interfaciais, associados a sistemas coloidais tais como
emulsões e espumas são estudados muitas vezes por meio de experiências realizadas em
superfícies planas artificiais especialmente preparadas para isso e não nos próprios sistemas
coloidais. Esses métodos levam a uma útil abordagem indireta dos vários problemas
envolvidos.
18. O que é concentração superficial em excesso? Como se define?
Se representarmos, apesar desses senões, a superfície de separação entre duas fases por
um plano matemático a adsorção pode ser descrita convenientemente em termos de
concentrações superficiais excessivas. As concentrações superficiais excessivas são definidas
em relação a uma superfície divisora escolhida arbitrariamente. Uma localização conveniente e
aparentemente real para essa superfície, no caso de uma solução binária, seria aquela em que a
concentração superficial em excesso do solvente é nula.
19. Explique os termos da equação de Gibbs:
Equação de Gibbs :
𝐶𝑏
𝑅𝑇
𝑑𝛾
𝑑𝐶𝑝
Γb = é o excesso de superfície do componente b ( mo l/ m2 );
R = é constante universal dos gases (8,314 J/K mol);
T = é a temperatura (K);
Cb = é a concentração do componente b ( mol / m3);
γ = é tensão superficial ( N/m).
20. Como o excesso de substâncias tensoativas na interface, relativamente ao interior da
solução, pode ser medido?
O excesso de substâncias tensoativas na interface através da formação de micelas
constitui um outro mecanismo, ao lado da adsorção, que pode diminuir a energia interfacial de
uma solução de substâncias tensoativas. Agitação térmica e repulsão eletrostática entre os
grupos polares na superfície da micela se opõem a essa tendência de agregação.
21. O que são micelas? Como elas influenciam as propriedades das soluções? O que
significa concentração micelar crítica (c.m.c.)? Como ela pode ser determinada? Escreva
os valores tabelados das c.m.c. de alguns surfatantes.
Uma forma esférica e sugeriu serem as micelas essencialmente gotículas liquidas de
dimensões coloidais, nas quais os grupos polares se situam na superfície. As concentrações
micelares críticas dependem quase totalmente da natureza da parte liófoba da substância
tensoativa. Se a estrutura micelar envolvesse algum tipo de arranjo reticular cristalino, leria
importância também a natureza dos grupos polares liófilos. A concentração acima da qual a
formação de micelas se torna apreciável é chamada de concentração micelar crítica sendo
favorecidas pelo aumentando a parte hidrófoba das moléculas de substâncias tenso-ativas numa
série homóloga, cada novo grupo CH 2
reduz a c.m.c. aproximadamente pela metade, pela
diminuição da temperatura e pela adição de sais simples. Por exemplo KC1, que reduzem as
forças repulsivas acima descritas, por causa de sua ação. Canceladora. Muitas substâncias
tensoativas não-iônicas também formam micelas, frequentemente em concentrações muito
pequenas cerca de 10~4 mol • dm“ 3.
22. Quais os fatores que afetam a c.m.c. e de que forma eles afetam?
Estrutura do tensoativo natureza da cauda hidrofóbica, tipo do grupo cabeça e contra
íon, e fatores externos, não diretamente relacionados com a estrutra química do tensoativo.
23. Como as micelas estão estruturadas? Qual a sua forma?
As micelas apresentam um tamanho fixo definido, que também depende quase
exclusivamente da natureza da parte liófoba das moléculas da substância tenso-ativa. Seria de
esperar, para as micelas esféricas, um raio ligeiramente inferior ao comprimento das unidades
constituintes, pois do contrário as cadeias carbônicas se mostrariam consideravelmente
encurvadas, ou apresentariam no centro um espaço vazio ou grupos iônicos. Os raios micelares
calculados a partir de dados fornecidos por experiências de difusão e espalhamento da luz
comprovam essa hipótese. Em substâncias tenso-ativas de cadeia normal há uma relação
aproximada entre o número de unidades monômeras por miccla. m, e o número de átomos de
carbono por cadeia n.
24. Qual a importância das micelas no processo de detergência?
A parte hidrofílica das substâncias tenso-ativas solúveis mais eficientes, por exemplo,
sabões, detergentes e corantes, é freqüentemente um grupo iônico. íons apresentam uma forte
afinidade com a água, por causa da atração eletrostática entre os íons e os dipolos da água, e
são capazes por isso de carregar consigo cadeias carbônicas bastante longas, provocando sua
dissolução em água.
25. Por que a tensão superficial é praticamente constante acima da c.m.c.? Explique a
parte tracejada da Figura 4.12 (Shaw) referente à tensão superficial.
A concentração de surfactante na qual inicia-se a formação de micelas é conhecida como
concentração micelar crítica. Acima da CMC, a tensão superficial atinge o seu valor mínimo e
permanece praticamente constante a partir dessa concentração O efeito estabilizador de um
surfactante em uma emulsão não depende apenas de sua compatibilidade química com as fases,
mas também de sua concentração na mistura. Como pode ser observado na figura a formação
de micelas constitui um outro mecanismo, ao lado da adsorção, que pode diminuir a energia
interfacial de uma solução de substâncias tensoativas. Agitação térmica e repulsão eletrostática
entre os grupos polares na superfície da micela se opõem a essa tendência de agregação.
26. Pesquise sobre o efeito Wien e suas aplicações.
32. Comente a frase: “Ocorre espalhamento quando a adesão do óleo à água é mais forte
que a coesão do óleo”.
Impurezas na fase oleosa, por exemplo ácido oléico em hexadecano, podem reduzir
γóleo/água o suficiente para deixar S positivo. Impurezas na fase aquosa normalmente reduzem
S, já que γágua/ar diminui mais do que γòleo/água por ação das impurezas, especialmente se
γoleo/água já tem um valor baixo. Assim, n-octano se espalhará sobre uma superfície limpa de
água, mas não sobre uma superfície contaminada.
33. O que são filmes monomoleculares?
Muitas substâncias insolúveis, como ácidos graxos e álcoois de cadeia longa, podem
espalhar-se sobre a superfície de água (com a ajuda de solventes adequados), e formarão, se o
espaço o permitir, uma película superficial monomolecular (de espessura igual a uma
molécula), com os grupos hidrófilos COOH ou OH orientados para a fase aquosa e a cadeia
carbônica hidrófoba afastando-se da água
34. Explique as técnicas experimentais para o estudo de monocamadas insolúveis.
Pressão superficial - Entende-se por pressão superficial de uma monocamada a
diminuição da tensão superficial provocada pela camada, ou seja, é a pressão expansiva
exercida pela monocamada, que se opõe à tensão normal de contração da interface limpa, ou
K=To - V. Onde y0 é a tensão da interface limpa, e y a tensão da interface mais monocamada.
Potencial superficial do filme - Em sistemas heterogêneos, existem diferenças de
potencial através das superfícies de separação entre várias fases. O potencial superficial do
filme, AV, devido à monocamada, é a variação da diferença de potencial existente entre um
líquido e uma amostra colocada acima da superfície do líquido, ocasionada pela presença da
monocamada. Os potenciais superficiais do filme podem ser medidos pelo eletrodo de ar ou
pelo método das placas vibratórias.
Reologia superficial - Entende-se por viscosidade superficial a variação da viscosidade
da camada superficial provocada pela presença do filme monomolecular. Monocamadas em
diferentes estados físicos podem facilmente ser distinguidas por medidas de viscosidade
superficial.
Micrografias eletrônicas de monocamadas — Desenvolveu-se recentemente uma
técnica para estudar monocamadas por meio de microscopia eletrônica 60. Os filmes são
transferidos do substrato para um suporte de colódio, e aplica-se a técnica de projeção de
sombras, empregando feixes de átomos metálicos dirigidos à superfície segundo um ângulo a
(cerca de 15°). Se medirmos x, a largura da superfície não-recoberta, poderemos calcular a
espessura do filme, x tg a; por exemplo, verificou-se que um filme de n-C36H73COOH
apresenta espessura de cerca de 5 nm; isto é, de acordo com uma camada monomolecular
orientada verticalmente.
35. Explique cada um dos possíveis estados físicos de filmes monomoleculares.
As monocamadas podem ser classificadas sumariamente como filmes condensados
(sólidos), nos quais as moléculas apresentam um empacotamento forte, encontrando-se muito
próximas, e uma orientação nítida em direção à superfície. Filmes ainda coerentes, mas com
área ocupada muito maior que no caso de filmes condensados. Esses filmes não possuem um
equivalente tridimensional, pois funcionam como se fossem líquidos altamente compressíveis.
Foram reconhecidos diversos tipos diferentes desses filmes expandidos, sendo o mais
importante o estado líquido-expandido; não entraremos aqui em maiores detalhes. Filmes no
estado gasoso ou de vapor, nos quais as moléculas se apresentam separadas e movimentando-
se livremente sobre a superfície; a pressão superficial se manifesta através de uma série de
colisões nos limites entre os quais está contido o filme.
36. Quais os fatores que influenciam o estado físico de filmes monomoleculares?
O estado físico de uma camada monomolecular depende das forças de coesão laterais
entre as moléculas constituintes da mesma. Escolhendo adequadamente o comprimento da
cadeia e a temperatura, é possível fazer com que ácidos graxos, álcoois etc. de cadeia normal
apresentem os diferentes estados para as monocamadas. A coesão lateral depende também da
geometria e da orientação das moléculas do filme, de modo que os seguintes fatores favorecerão
a formação de um filme expandido.
37. Explique como pode ser utilizada uma monocamada para controlar a evaporação de
água. Sugira um experimento confirmatório deste efeito.
Através da conversão da água onde a perda anual de água dos lagos e reservatórios,
devida à evaporação sob a ação do calor, é usualmente de 3 m por ano. Essa evaporação pode
ser reduzida consideravelmente, revestindo a superfície da água com uma camada
monomolecular insolúvel; por exemplo, uma monocamada de álcool cetílico pode reduzir a
velocidade de evaporação em cerca de 40 por cento. As monocamadas insolúveis ainda
apresentam o efeito de reduzir a formação de ondas na superfície. Além disso através da
monocamadas em gotículas onde a evaporação das gotículas de água usadas em minas de carvão
para unir as partículas finas de pó é extremamente alta, a não ser que as gotas sejam recobertas
por uma proteção sob a forma de filme insolúvel. A dispersão prévia de um pouco de álcool
cetílico na água pode aumentar a vida média vários milhares de vezes. Materiais tipo alcatrão,
pó, etc., são os responsáveis pela demora na desagregação dos nevoeiros dos grandes centros,
devido à formação de camadas monomolecuiares.
