Tensão superficial: causas, exemplos, aplicações e experimentos

Tensão superficial: causas, exemplos, aplicações e experimentos

A tensão superficial é uma propriedade física que possui todos os fluidos e é caracterizada pela resistência às suas superfícies contra qualquer aumento em sua área. É o mesmo que dizer que a referida superfície buscará a menor área possível. Esse fenômeno entrelaça vários conceitos químicos, como coesão, adesão e forças intermoleculares.

A tensão superficial é responsável pela formação das curvaturas da superfície dos líquidos em recipientes tubulares (cilindros graduados, colunas, tubos de ensaio, etc.). Elas podem ser côncavas (curvas em forma de vale) ou convexas (curvas em forma de cúpula). Muitos fenômenos físicos podem ser explicados considerando as mudanças na tensão superficial de um líquido.

Um desses fenômenos é a tendência de as moléculas líquidas se aglomerarem na forma de gotas, quando repousam em superfícies que as repelem. Por exemplo, as gotas de água que vemos nas folhas não podem umedecê-la devido à sua superfície hidrofóbica e cerosa.

No entanto, chega um momento em que a gravidade desempenha seu papel e a gota cai como uma coluna de água. Um fenômeno semelhante ocorre em gotas esféricas de mercúrio quando derramadas de um termômetro.

Por outro lado, a tensão superficial da água é a mais importante de todas, pois contribui e organiza o estado dos corpos microscópicos em meios aquosos, como as células e suas membranas lipídicas. Além disso, essa tensão é responsável pela evaporação lenta da água e alguns corpos mais densos do que podem flutuar em sua superfície.

Causas de tensão superficial

A explicação para o fenômeno da tensão superficial está no nível molecular. As moléculas de um líquido interagem umas com as outras, de tal maneira que estão unidas em seus movimentos erráticos. Uma molécula interage com seus vizinhos próximos e com aqueles acima ou abaixo dela.

No entanto, este não é o caso de moléculas na superfície do líquido, que estão em contato com o ar (ou qualquer outro gás) ou com um sólido. As moléculas na superfície não podem coalescer com as do ambiente externo.

Como resultado, eles não experimentam nenhuma força que os atraia; logo abaixo, de seus vizinhos médios líquidos. Para combater esse desequilíbrio, as moléculas na superfície “apertam”, porque somente então elas podem superar a força que as empurra para baixo.

Uma superfície é então criada onde as moléculas estão em um arranjo mais tenso. Se uma partícula deseja penetrar no líquido, deve primeiro atravessar essa barreira molecular proporcional à tensão superficial do referido líquido. O mesmo se aplica a uma partícula que deseja escapar para o ambiente externo das profundezas do líquido.

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Portanto, sua superfície se comporta como se fosse um filme elástico que mostra resistência à deformação.

Unidades

A tensão superficial é geralmente representada pelo símbolo γ e é expressa em unidades N / m, força por comprimento. No entanto, na maioria das vezes sua unidade é dyn / cm. Um pode ser convertido no outro usando o seguinte fator de conversão:

1 dyn / cm = 0,001 N / m

Tensão superficial da água

A água é o mais raro e mais surpreendente de todos os líquidos. Sua tensão superficial, bem como várias de suas propriedades, tem um valor incomumente alto: 72 dyn / cm em temperatura ambiente. Este valor pode aumentar para 75,64 dyn / cm, a uma temperatura de 0 ºC; ou diminua para 58,85 ºC, a uma temperatura de 100 ºC.

Essas observações fazem sentido se você considerar que a barreira molecular é mais apertada a temperaturas próximas ao congelamento ou “solta” um pouco mais ao redor do ponto de ebulição .

A água tem uma alta tensão superficial devido às suas ligações de hidrogênio. Se estes são notórios no líquido, ainda mais na superfície. As moléculas de água fortemente entrelaçam, formando interacções dipolo-dipolo do H 2 tipo O-HOH.

A eficiência de suas interações é tal que a barreira molecular aquosa pode até suportar alguns corpos antes que eles afundem. Nas seções sobre aplicações e experimentos, este ponto será retomado novamente.

Outros exemplos

Todos os líquidos apresentam tensões superficiais, em menor ou maior grau que a água, ou se são substâncias ou soluções puras. A força e a tensão das barreiras moleculares de suas superfícies dependerão diretamente de suas interações intermoleculares, além de fatores estruturais e energéticos.

Gases condensados

Por exemplo, moléculas de gás líquido só interagem umas com as outras usando forças dispersivas de Londres. Isso concorda com o fato de que suas tensões superficiais têm valores baixos:

-Hélio líquido, 0,37 dyn / cm a -273 ºC

-Nitrogênio líquido, 8,85 dyn / cm a -196 ºC

-Oxigênio líquido, 13,2 dyn / cm a -182 ºC

A tensão superficial do oxigênio líquido é maior que a do hélio porque suas moléculas têm uma massa maior.

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Líquidos apolares

Espera-se que os líquidos apolares e orgânicos tenham tensões superficiais mais altas do que esses gases condensados. Entre alguns deles, temos o seguinte:

-Diâmetro, 17 dyn / cm a 20 ºC

n- Hexano, 18,40 dyn / cm a 20 ºC

n- octano, 21,80 dyn / cm a 20 ºC

-Tolueno, 27,73 dyn / cm a 25 ºC

Uma tendência semelhante é observada para esses líquidos: a tensão superficial aumenta à medida que suas massas moleculares aumentam. No entanto, o n- octano deve ter a maior tensão superficial e não o tolueno. Aqui entra em jogo estruturas moleculares e geometrias.

As moléculas de tolueno, planas e em forma de anel, têm interações mais efetivas que as do n- octano. Portanto, a superfície do tolueno é “mais esticada” do que a superfície do n- octano.

Fluidos polares

Como existem interações dipolo-dipolo mais fortes entre as moléculas de um líquido polar, sua tendência é mostrar tensões superficiais mais altas. Mas nem sempre é esse o caso. Entre alguns exemplos, temos:

-Ácido acético, 27,60 dyn / cm a 20 ºC

-Acetona, 23,70 dyn / cm a 20 ºC

-Sangue, 55,89 dyn / cm a 22 ºC

-Etanol, 22,27 dyn / cm a 20 ºC

-Glicerol, 63 dyn / cm a 20 ºC

-Cloreto de sódio derretido, 163 dyn / cm a 650 ºC

Solução de NaCl a 6 M, 82,55 dyn / cm a 20 ºC

Espera-se que o cloreto de sódio fundido tenha uma enorme tensão superficial: é um líquido iônico viscoso.

Por outro lado, o mercúrio é um dos líquidos com maior tensão superficial: 487 dyn / cm. Nela, sua superfície é composta de átomos de mercúrio fortemente coesos, muito mais do que moléculas de água podem ser.

Formulários

A tensão superficial sozinha não tem aplicações. No entanto, isso não significa que não esteja envolvido em vários fenômenos diários que, se não existissem, não ocorreriam.

Por exemplo, mosquitos e outros insetos são capazes de caminhar pela água. Isso se deve ao fato de suas pernas hidrofóbicas repelirem a água, enquanto sua baixa massa permite que elas permaneçam flutuando na barreira molecular sem cair no fundo do rio, lago, lago etc.

A tensão superficial também desempenha um papel na molhabilidade dos líquidos. Quanto maior a tensão superficial, menor a tendência de vazar pelos poros ou rachaduras de um material. Além disso, são poucos líquidos úteis para limpar superfícies.

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Detergentes

É aqui que os detergentes funcionam, diminuindo a tensão superficial da água e ajudando-a a cobrir superfícies maiores; ao mesmo tempo que melhora sua ação desengordurante. Ao diminuir sua tensão superficial, acomoda moléculas de ar, com as quais forma bolhas.

Emulsões

Por outro lado, baixas tensões mais altas estão ligadas à estabilização de emulsões, que são muito importantes na formulação de uma gama diferente de produtos.

Experimentos simples

Por fim, serão citados alguns experimentos que podem ser realizados em qualquer espaço doméstico.

Clipe experimento

Em um copo com água fria, um clipe de metal é colocado em sua superfície. Como visto na imagem acima, o clipe permanecerá à tona graças à tensão superficial da água. Mas se você adicionar um pouco de lava-louça ao copo, a tensão superficial cairá drasticamente e o clipe afundará repentinamente.

Barco de papel

Se na superfície tivermos um barquinho de papel ou uma raquete de madeira e se for adicionada lava ou detergente à louça na cabeça de um cotonete, ocorrerá um fenômeno interessante: haverá uma repulsa que os espalhará pelas bordas do copo. O barquinho de papel e a raquete de madeira se afastarão do cotonete manchado com detergente.

Outro experimento semelhante e mais gráfico envolve repetir a mesma operação, mas em um balde de água polvilhado com pimenta preta. As partículas de pimenta preta se afastam e a superfície muda de coberta por pimenta para cristalina, com a pimenta nas bordas.

Referências

  1. Whitten, Davis, Peck e Stanley. (2008). Chemistry . (8a ed.). Aprendizagem CENGAGE.
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  8. O garoto deve ver isso. (2020). Sete experimentos de tensão superficial – Physics Girl. Recuperado de: thekidshouldseethis.com

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