Físico-Química Experimental I Bacharelado em Química Engenharia Química

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1 Físico-Quíica Experiental I Bacharelado e Quíica Engenharia Quíica Prof. Dr. Sergio Pilling Prática 5 Tensão Superficial de Líquidos Deterinação da tensão superficial de líquidos. utilizando a técnica do peso da gota (lei de Tate). Influência da concentração e da teperatura na tensão superficial de líquidos. Ojetivos: Deterinar a tensão superficial de sustâncias pelo étodo do peso da gota (lei de Tate). Verificar o efeito da teperatura, concentração e raio do orifício na tensão superficial. 2) Introdução As oléculas de u líquido interage através de forcas de coesão (e.g. Van der Walls, pontes de hidrogênio), que se torna fracas co a distância e, se torna desprezíveis a distâncias aiores do que próxias de 0.1 icroetros. Portanto ua olécula de u líquido interage apenas co oléculas que estão dentro de seu capo de coesão. Quando a olécula esta dentro do volue de u líquido, sua forca de coesão é zero, pois as oléculas circujacentes estão distriuídas de fora aproxiadaente siétrica e seu redor.contudo, Ua olécula na superfície livre do liquido é sujeita a forcas de coesão das oléculas das oléculas das caadas aaixo do liquido confore é ilustrado na Figura 1. A superfície age coo ua erana que tende a copriir o líquido. De fato na ausência de gravidade, por exeplo, na estação espacial internacional, u volue de água livre devido à forca de coesão proovida pelas oléculas de seu interior apresenta a fora esférica (veja Figura 2). A fora geoétrica co a enor área superficial para u dado volue é a esfera. Na superfície a resultante das forcas de coesões internas é chaada de chaada aqui de tensão superficial. a) ) Fig 1. Modelo de forças de coesão atuando e ua olécula dentro do volue (a) de u liquido e na superfície (). Fig 2. Água na ausência de gravidade a assue a fora esférica devido as forcas de coesão das oléculas do volue do liquido. (vídeo e ) Fís.-Qui. Exp. 1 Prática 5: Tensão Superficial de Líquidos 1

2 As oléculas na superfície de u líquido estão sujeitas a fortes forças de atração das oléculas interiores. A resultante dessas forças, cuja direção é a esa de plano tangente à superfície, atua de aneira a que a superfície líquida seja a enor possível. A grandeza desta força, atuando perpendicularente (por unidade de copriento) ao plano na superfície é dita tensão superficial (γ). A superfície ou interface onde a tensão existe está situada entre o líquido e seu vapor saturado no ar, noralente a pressão atosférica. A tensão pode taé existir entre dois líquidos iiscíveis, sendo então chaada de tensão interfacial. A diensão da tensão superficial é de força por unidade de copriento, no sistea internacional é dada por N/. U dos étodos ais utilizados para edir a tensão superficial é o étodo do peso da gota. Este étodo, assi coo todos aqueles que envolve separação de duas superfícies, depende da suposição de que a circunferência ultiplicada pela tensão superficial é a força que anté juntas as duas partes de ua coluna líquida. Quando esta força esta equilirada pela assa da porção inferior, a gota desprende-se. tuo A F γ B Força de tensão superficial A B fr i gota Força peso Fig 3. Método do peso da gota A gota de assa ideal i se desprende do tuo no instante iediataente após seu peso P se iguala as forças de tensão superficial F γ que sustenta a gota. F γ = P = i g (1) As forças de tensão F γ que anté a gota ligada ao resto do liquido é dado pelo produto da circunferência que do orifício por onde a gota ira se forar (conte a linha AB) pela tensão superficial do líquido, ua propriedade inerente a cada liquido de tal fora que F γ = 2 π r γ (2) A partir das expressões (1) e (2) teos que o peso da gota é proporcional ao raio do tuo r e a tensão superficial do líquido γ. Esta é a denoinada lei de Tate. i g = 2 π rγ γ = i 2π Contudo, devido ao fato da gota não se roper justo no extreo do tuo e si, ais aaixo na linha A B de enor diâetro e, que não há segurança de que o líquido situado entre os níveis AB e A B seja arrastado pela gota, existe u fator de contração de fora que a assa real da gota difere Fís.-Qui. Exp. 1 Prática 5: Tensão Superficial de Líquidos 2 g r (3)

3 da assa ideal da gota através da expressão = i.f. O fator f é chaado de coeficiente de contração e é deterinado experientalente. Na prática, o peso da gota otido, é sepre enor que o peso da gota ideal. A razão disto torna-se evidente, quando o processo de foração da gota é oservado ais de perto. A figura aaixo ilustra o que realente acontece. Fig 4. Fotografias de alta velocidade de ua gota caindo. Oserva-se que soente a porção ais externa da gota é que alcança a posição de instailidade e cai. Perto de 40% do líquido que fora a gota peranece ligada ao tuo. Levando e consideração o fator de contração f podeos escrever a lei de Tate para a assa verdadeira da gota coo γ = sendo a assa da gota, g a aceleração da gravidade. f g 2 π r Para iniizaros o erro experiental recoenda-se fazer a edida da assa de u nuero grande de gotas e depois dividir esse valor pela quantidade de gotas epregada. De tal fora que a Eq. 4a pode ser escrita coo t / n g γ = (4) f 2 π r onde t representa a assa total das gotas pingadas e n é o nuero de gotas. A aplicação desta lei nos perite realizar edidas relativas da tensão superficial. Saendo a tensão superficial da água podeos edir a tensão superficial do líquido e estudo. O fator de correção f é ua função do raio do tuo e do volue da gota. Oserve que a devido a dilatação dos líquidos e teperaturas altas o valor de f pode udar co a teperatura. Na aioria dos casos utilização co oa aproxiação o valor f=0.6 (4a) Fís.-Qui. Exp. 1 Prática 5: Tensão Superficial de Líquidos 3

4 3) Deterinação do diâetro do tuo de vidro (ou da agulha) A deterinação do diâetro do tuo pode ser feita de asicaente 2 aneiras: i) O diâetro do tuo pode ser edido utilizando-se u paquíetro ou icroetro. ii) Pode ser estiado a partir da assa de ua gota de u líquido padrão/referência (ex. água destilada), cujo valor da tensão superficial seja conhecido. A tensão da água destilada próxio de 20º C é γ = N/. Medindo-se a assa de u nuero n de gotas (por exeplo, 50 gotas para iniizar o erro) calcula-se o diâetro do tuo (e etros) a partir da expressão: d = 2r ~ t n 0.6 9, (5) onde t representa a assa total das gotas pingadas e n é o nuero de gotas. A assa de ua única gota de água destilada a 20 C, para tuos de diferentes diâetros, é apresentada na taela aaixo. Taela 2 Massa de ua gota de água que se desprende de tuos de diferentes diâetros. assa da gota (g) raio do tuo (c) assa da gota (g) raio do tuo (c) γ Fig5. Dependência da assa da gota de água destilada e função do raio do tuo a 20º C. Fís.-Qui. Exp. 1 Prática 5: Tensão Superficial de Líquidos 4

5 Para teperaturas superiores ou inferiores a 20 C, as não uito diferentes, pode-se usar a seguinte relação para calcular a assa da gota de água a 20 C. o (20 C) o ( x C) o γ (20 C) = o γ ( x C) Esta relação taé funciona se quiseros oter a tensão superficial de líquidos diferentes otidos a ua esa teperatura. a γ a = γ Exeplo 1. E u experiento utilizando ua seringa e agulha após o gotejaento ediu-se a assa de 10 gotas de água destilada cujo valor foi de 586 g. E seguida ediu-se a assa de 10 gotas de óleo cujo valor foi de 267 g. Qual foi a tensão superficial do óleo? Solução: Segundo a lei de Tate teos: a γ a = = γ 267 γ Logo a tensão superficial do óleo será de N/. 4) Procediento experiental Matérias equipaentos - Balança analítica - Bureta - Pipetas de taanhos variados - Seringa co agulhas de diâetros variados - Diversos Béquers de 50 l tuos de ensaio - Paquíetro ou icroetro. - Placa aquecedor ou ico de Bunsen - Terôetro. Reagentes: - Água destilada (±500L) - Etanol (±60 L) - Glycerol (±60L) - Gelo EXPERIMENTO 1 Deterinação do raio do tuo Deterinar o raio do tuo que será utilizado para o gotejaento utilizando coo referência o valor da tensão superficial da água destilada a 20º C, γ = N/ = 72.8 N/. A) Usar 40 gotas para este procediento. B) Usar a equação 5 para deterinar o raio do tuo. C) Se possível, coparar o valor deterinado para o diâetro do tuo co o valor edido utilizando u paquíetro ou icroetro. D) Discutir sore os erros envolvidos na etodologia. Fís.-Qui. Exp. 1 Prática 5: Tensão Superficial de Líquidos 5

6 EXPERIMENTO 2 Efeito da concentração (glicerol) na Tensão superficial Após deterinar o diâetro do tuo que será utilizado para o gotejaento, preparar 6 soluções de glicerol confore a taela aaixo, cada ua co 20 L. Realizar o gotejaento das soluções e u équer e edir a assa das gotas. OBS. Não esqueça de edir a assa do équer antes para poder sutrair seu valor das edidas. E seguida calcule a tensão superficial de cada ua das soluções. Considere o fator de correção f = 0.6. Usar a equação 4 para calcular γ. Tuo Solução (valores e volue) #1 95% água + 5% glicerol #2 70% água + 30% glicerol #3 50% água + 50% glicerol #4 30% água + 70% glicerol #5 10% água + 90% glicerol Massa de 40 gotas (e kg) ed1. ed2. édia Tensão Superficial γ (N/) Faca u gráfico ostrando a concentração percentual do glicerol e função da tensão superficial e a partir de u ajuste aos pontos experientais deterine o valor da tensão superficial de ua solução contendo 60% água e 40% glicerol. Discuta seus resultados. No gráfico, faça ua extrapolação dos pontos até ua concentração de glicerol igual a 100%, copare o valor da tensão superficial otida co o valor da literatura γ etanol (26º C) = 62 N/. EXPERIMENTO 2 (OPCIONAL) Efeito da concentração (etanol) na Tensão superficial Após deterinar o diâetro do tuo que será utilizado para o gotejaento, preparar 5 soluções de etanol confore a taela aaixo, cada ua co 20 L. Realizar o gotejaento das soluções e u équer e edir a assa das gotas. OBS. Não esqueça de edir a assa do équer antes para poder sutrair seu valor das edidas. E seguida calcule a tensão superficial de cada ua das soluções. Considere o fator de correção f = 0.6. Usar a equação 4 para calcular γ. Tuo Solução (valores e volue) #1 95% água + 5% etanol #2 70% água + 30% etanol #3 50% água + 50% etanol #4 30% água + 70% etanol #5 10% água + 90% etanol Massa de 40 gotas (e kg) ed1. ed2. édia Tensão Superficial γ (N/) Faca u gráfico ostrando a concentração percentual do etanol e função da tensão superficial e a partir de u ajuste aos pontos experientais deterine o valor da tensão superficial de ua solução contendo 60% água e 40% etanol. Discuta seus resultados. No gráfico, faça ua extrapolação dos pontos até ua concentração de etanol igual a 100%, copare o valor da tensão superficial otida co o valor da literatura γ etanol (26º C) = 22 N/. Fís.-Qui. Exp. 1 Prática 5: Tensão Superficial de Líquidos 6

7 EXPERIMENTO 3 Efeito da teperatura na tensão superficial. Após deterinar o diâetro do tuo que será utilizado para o gotejaento, preparar ua solução de glicerol contendo 50% água + 50% glicerol, co 20 L. Realizar o gotejaento das soluções e u équer e 5 teperaturas diferentes e edir a assa das gotas (utilizar 40 gotas). Tenha cuidado ao anusear os equipaentos e altas teperaturas. Antes de realizar as edidas certifique-se que de fato o líquido dentro do tuo do gotejaento estará na teperatura desejada. Para isso você pode, por exeplo, encher e esvaziar o tuo co o liquido na teperatura desejada uas 3 vezes antes da edida, o que fará co que o tuo atinja ua teperatura próxio a do experiento. Ale disso, neste casso para iniizar a variação de teperatura, faça o gotejaento o ais rápido possível OBS. Não esqueça de edir a assa do équer antes para poder sutrair seu valor das edidas. E seguida calcule a tensão superficial de cada ua das soluções. Considere o fator de correção f = 0.6. Usar a equação 4 para calcular γ. Solução de 50% água + 50% glicerol (valores e volue) Tuo Teperatura (ºC) #1 0 #2 20 #3 40 #4 60 #5 80 Massa de 40 gotas (e kg) ed1. ed2. édia Tensão Superficial γ (N/) Faca u gráfico ostrando a variação da tensão superficial e função da teperatura. A partir de u ajuste aos pontos experientais deterine o valor da tensão superficial dessa solução nas teperaturas de 10º C e 70º C. Discuta seus resultados EXPERIMENTO 4 Efeito do diâetro do tuo na tensão superficial. Utilizando tuos co 3 diâetros diferentes realizar o gotejaento de água destilada (40 gotas) e u équer, e ua esa teperatura, e analisar a variação da tensão superficial e função do diâetro do tuo. OBS. Não esqueça de edir a assa do équer antes para poder sutrair seu valor das edidas. Considere o fator de correção f = 0.6. Deterine o diâetro dos tuos utilizando a equação 5. Coo hipótese inicial para deterinar o diâetro dos tuos considere a tensão superficial das soluções igual a da água destilada. Usar a equação 4 para calcular γ. Água destilada a teperatura aiente Tuo Diâetro (d=2r) Massa de 40 gotas (e kg) () ed1. ed2. édia #1 #2 #3 Tensão Superficial γ (N/) Os. A lipeza é essencial e edidas de tensão superficial. Pequenas quantidades de ipurezas afeta astante as propriedades superficiais. Portanto, lipe uito e o aterial a ser usado antes e depois de cada experiência. Fís.-Qui. Exp. 1 Prática 5: Tensão Superficial de Líquidos 7

8 Construa u gráfico da tensão superficial e função do diâetro do tuo contendo os dados deste experiento. Discutir o resultado otido e os erros envolvidos no processo. 5) Questionário adicional para o relatório 1. Defina tensão superficial e tensão interfacial. 2. Descreva outros étodos para a edida de tensão superficial. Faça ilustrações. 3. Dê exeplos de sustâncias que auente a tensão superficial da água 4. Coo são constituídos e coo se classifica os surfactantes e tensoativos? Dê exeplos 5. Desenhe ua estrutura para a icela? 6. Coo age os xapus e condicionadores? 7. Quais são os fatores que influencia a tensão superficial? Explique cada fator. 6) Biliografia e referências adicionais 1. Adason A.W., 1982, Physical Cheistry of Surfaces, John Wiley & Sons, 4 a edição. 2. Shawn D.J., 1975, Introdução a quíica dos colóides e de superfícies, Editora Edgard Blucher, capítulo Ball D.W., 2005, Físico-Quíica, 1 a. ed., Vol. 1 e 2, Thoson Learning. 4. Rangel R.N., 2006, Práticas de Físico-Quíica, 3 a. ed., Edgard Blucher. 5. Atkins P. W., Paula J., 2004, Físico-Quíica, Vol. 1, 2 e 3, LTC. 6. Crockford H.D.; Knight S.B., 1977, Fundaentos de Físico-Quíica, Livros Técnicos e Científicos Editora. 7. Moore, J.W. Físico-Quíica, Vol.1 e 2, 4 a ed., Editora Edgard Blucher, Gianino C., 2006, Physics Education, 41, 440, Measureent of surface tension y the dripping fro a needle 9. (co aniação) 10. Roger P. Woodward, Surface Tension Measureents Using the Drop Shape Method Fís.-Qui. Exp. 1 Prática 5: Tensão Superficial de Líquidos 8

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