Perguntas e Problemas retirados de Testes anteriores Cap. 1 1. Esboce e explique o diagrama de energia potencial de uma molécula de O 2 em função da distância a uma superfície de tungsténio (W), sabendo que ocorre adsorção química não dissociativa. 2. Num capilar de vidro, a água sobe enquanto o mercúrio desce. Porquê? 3. O que entende por surfactante e por concentração micelar crítica? 4. O que acontece quando duas bolhas da mesma substância são ligadas por um tubo? Justifique. Relacione com o caso do funcionamento dos alvéolos pulmonares. 5. As concentrações micelares críticas dos detergentes YRIAF e POP-REPUS são, respectivamente, 5x10-4 M e 1x10-4 M. Num anúncio publicitário, qual dos dois seria considerado "o mais concentrado"? Justifique. 6. A partir da variação da tensão superficial de soluções aquosas de um surfactante com a concentração pode determinar a sua concentração micelar crítica. Explique como. 7. Num tubo capilar de diâmetro 0.05 mm, mergulhado num reservatório com água, verificou-se uma subida capilar de 30 mm. Qualitativamente, preveja o que acontecerá se mergulhar o mesmo tubo numa solução diluída de água e acetona. 8. Mergulhou-se verticalmente um tubo de vidro de secção circular numa tina com água a 25 o C. Tendo a água subido 3.1 cm e sendo a tensão superficial da água a esta temperatura γ= 72.0 Nm -1, calcule a tensão superficial de uma solução aquosa de uma proteína, sabendo que esta solução sobe 0.8 cm no mesmo tubo. 9. Determine a tensão superficial de uma solução diluída de etanol em 1-propanol, sabendo que a sua ascensão capilar num tubo de vidro é de 4.9 cm, sendo o ângulo de contacto de 15 o. À temperatura de trabalho, a massa volúmica do propanol é de 0.803 g cm -3, a sua tensão superficial tem o valor 23.8 mn m -1 e a subida capilar do propanol puro no mesmo tubo é de 5.2 cm. Em que se baseou para a sua resposta e que aproximações fez? (1º Exame 2012-2013) 10. Diga o que entende por adsorção positiva de um soluto na interface líquido/ar e dê um exemplo. (1º Exame 2012-2013) 11. Os dados da tabela referem-se à adsorção de N 2 numa amostra de pó de ZnO, a 77 K. Os volumes adsorvidos foram recalculados a 0 o C e 1 atm e referem-se a 1 g de ZnO. P / torr 56 95 145 183 223 287 442 533 V / cm 3 0.798 0.871 0.978 1.06 1.16 1.33 1.71 2.47 a) Decida se os dados são descritos de forma mais apropriada por uma isótérmica de Langmuir ou de BET. Justifique. b) Determine o volume de N 2 necessário para formar uma monocamada a 77 K (recalculado a 0 o C e 1 atm) e calcule a área específica do pó de ZnO usado. Dados:
Temperatura de ebulição normal do N 2 = 77 K. Área de influência de uma molécula de N 2 : 16 Å 2 Isotérmica de BET: V cz = Vm (1 z) 1 (1 c)z onde c é uma constante e z = (P/P 0 ). [ ] 12. Os dados da Tabela referem-se à adsorção de H 2 em 2.5 g de pó de cobre, a 25 o C. P / torr 0.19 0.30 0.97 1.90 4.05 7.50 11.95 V / cm 3 0.042 0.062 0.155 0.221 0.321 0.411 0.471 a) Deduza a isotérmica de Langmuir para a adsorção não dissociativa de um gás numa superficie sólida. b) Confirme que os resultados apresentados na Tabela obedecem a uma isotérmica de Langmuir. c) Sabendo que a área de influência de uma molécula de H 2 é de 0.09 nm 2, calcule a área específica do pó de cobre utilizado. Nota: Os volumes de H 2 indicados estão corrigidos para a temperatura de 0 o C e a pressão de 1 atm. 13. Estudou-se a adsorção de um ácido gordo em carvão activado, a partir de soluções aquosas do ácido. Na tabela indicam-se as quantidades adsorvidas (n, em número de moles de ácido por grama de carvão), em função da concentração da solução no equilíbrio (c, em mol L -1 ). c / mol L -1 0.75 1.40 2.25 3.00 3.50 4.25 n / 10-4 mol g -1 6.00 8.00 9.57 10.0 10.4 10.8 a) Verifique que estes resultados obedecem a uma isotérmica de Langmuir. b) Calcule a área de influência do ácido gordo, sabendo que o carvão activado tem uma área superficial específica de 325 m 2 g -1. c) A solução de ácido gordo apresenta ascensão capilar num tubo capilar de vidro e depressão num tubo de polietileno. Explique. 14. A estabilidade relativa de gotas de um mesmo líquido pode ser interpretada através da equação de Kelvin. Entre duas gotículas esféricas de água, com raios de 10 e 500 nm, mostre qual terá maior tendência para evaporar a 298 K. A esta temperatura, o volume molar da água é de 18.08 10-6 m 3 mol -1 e a sua tensão superficial tem o valor 72.3 mn m -1. Justifique. 15. Na figura abaixo estão representados vários tipos de isotérmicas de adsorção de um gás numa superfície sólida:
onde p é a pressão do gás em equilíbrio com o substrato e p 0 a pressão de saturação à mesma temperatura. a) Indique os pressupostos da isotérmica de Langmuir e diga qual das isotérmicas da figura pode ser interpretada por este modelo. b) Verifique que os dados relativos à adsorção de nitrogénio em carvão activado a 0 o C obedecem a uma isotérmica de Langmuir e determine a área superficial específica do carvão activado, sabendo que a área ocupada por cada molécula de N 2 na superfície é igual a 16 Å 2 : p / Pa 524 1731 3058 4534 7497 V /cm 3 g -1 0.987 3.04 5.08 7.04 10.31 V volume de gás adsorvido medido em condições PTN. (2º Exame 2012-2013) 16. A evaporação preferencial de gotas muito pequenas e a condensação capilar são dois fenómenos que podem ser explicados pela eq. de Kelvin. Explique um destes fenómenos. 17. A tabela seguinte indica valores medidos para o ângulo de contacto da água (tensão superficial de 72.8 mn m -1 a 298 K) em várias superfícies sólidas. Substrato Cera Teflon Mica Vidro limpo θ 110 o 108 o 7 o 0 o a) Mostre, utilizando um diagrama, qual o significado do ângulo de contacto. b) Tendo em conta os valores da Tabela, conclua sobre a molhabilidade da água em relação à cera e ao vidro. c) Descreva quantitativamente o que acontece quando se mergulha um tubo de vidro com 1 mm de diâmetro em água (ρ=0.997 g cm -3 a 298 K). E se o tubo for encerado? (1º Teste 2013-2014) 18. Com base na equação de Gibbs, explique por que razão, para soluções de n-hexanol em água, a tensão superficial diminui com o aumento da concentração de soluto. (1º Teste 2013-2014) 19. O diagrama de energia potencial da Figura refere-se à adsorção de ozono (O 3 ) em partículas de um aerossol. (Nature Chemistry 2011, 3, 291-295). Identifique as espécies A e B e as energias E a e E b. Diga qual a espécie ou espécies adsorvidas mais favorecidas. (1º Teste 2013-2014) 20. Os MOF (Metal-Organic Frameworks) são materiais cristalinos formados por iões metálicos coordenados por moléculas orgânicas, que podem apresentar estruturas tridimensionais de elevada porosidade. Uma amostra de MOF-5 com área superficial de 1157 m 2 /g (J Porous Mater, 2007, 16, 141-149) foi testada para adsorção de hidrogénio. Uma amostra de 100 mg de MOF- 5 a 77 K adsorve 35 mg de hidrogénio a 0.27 bar e 50 mg a 1.07 bar. Assumindo que a adsorção segue uma isotérmica de Langmuir, calcule a constante de equilíbrio de
adsorção e a área ocupada por cada molécula de hidrogénio na superfície do material. (1º Teste 2013-2014). 21. Pretende-se determinar o ângulo de contacto da água num polímero (polietileno de alta densidade modificado com hidróxido de alumínio), dispondo apenas de dois tubos capilares deste polímero, um com 1 mm e outro com 2.5 mm de diâmetro interno. Ao mergulhar os dois tubos em água, a 25ºC, a diferença entre as subidas capilares nos dois tubos foi de 1.2 cm. A 25ºC, a massa volúmica da água é de 0.9971 g.cm -3 e a sua tensão superficial tem o valor 72.8 mn.m -1. Determine o valor do ângulo de contacto. Justifique as aproximações feitas. (1º Exame 2013-2014) 22. Os nanotubos de carbono concêntricos (multi-walled carbon nanotubes, MWCNTs) são materiais com elevado potencial para armazenagem de gases, nomeadamente gás natural (RSC Advances, 2012, 2, 4490). a) Com base na isotérmica de adsorção de azoto representada na Figura 1, foi determinada uma área específica de 294 m 2.g -1 para os MWCNTs. Interprete esta isotérmica e indique que modelo se poderia usar para a ajustar. Figura 1 b) A adsorção de metano nos mesmos MWCNTs foi interpretada com base na isotérmica de Langmuir (resultados na Figura 2). A 283 K, as quantidades de metano adsorvidas por grama de MWCNT foram as indicadas na tabela. p/bar Nº mol 20 0.01563 30 0.02211 40 0.02788 50 0.03306 60 0.03774 Figura 2 Calcule os parâmetros da isotérmica de Langmuir, indique o seu significado e discuta os valores obtidos. (1º Exame 2013-2014) 23. Com base na equação de Gibbs, explique por que razão, para soluções de n-hexanol em água, a tensão superficial diminui com o aumento da concentração de soluto. (1º Teste 2014-2015) 24. Pretende-se que uma superfície de madeira seja resistente à humidade e para tal foram ensaiados diferentes revestimentos. Na tabela resumem-se os valores do ângulo de contacto medido para a água nos diversos casos, a 25 ºC. Revestimento A B C D θ 11 o 120º 49 o 95 o 1. Faça um esboço de uma gota de água sobre cada uma das superfícies revestidas e ordene os revestimentos por ordem crescente de molhabilidade. Justifique. 2. Compare a tendência para evaporar de uma gotícula de água com 1 µm de diâmetro depositada sobre as diversas superfícies. Diga em que se baseou para a sua resposta.
25. Admitindo que a madeira tem poros capilares com um diâmetro médio de 0.1 mm, calcule a profundidade de penetração da água, a 25ºC, num desses poros revestido com o revestimento A. A tensão superficial da água a 25 ºC tem o valor 72.08 mnm -1 e a sua massa volúmica é de 0.9970 g.cm -3. Justifique as aproximações feitas. (1º Teste 2014-2015)