O que é tensão superficial
A tensão superficial é definida como o trabalho, dW, necessário para expandir uma superfície em dA. É, portanto, uma medida direta da energia necessária para formar uma nova superfície de área unitária, ou seja, energia de superfície. A tensão superficial é uma característica de qualquer superfície ou interface, no entanto, só é mensurável diretamente para líquidos. A tensão superficial resulta de forças dependentes da direção de moléculas que residem na interface ou perto dela. A tensão superficial é geralmente expressa em N / m (unidade SI).
Normalmente, os solventes polares têm tensão superficial mais alta do que suas contrapartes não polares. Por exemplo, a alta tensão superficial da água (72,8 mN / m a 20 ° C) é devido à forte ligação de hidrogênio intermolecular (interação eletrostática entre os hidrogênios parcialmente positivos e o átomo de oxigênio parcialmente negativo de uma molécula de água vizinha). Quanto mais fracas são as forças intermoleculares, menor é a tensão superficial (por exemplo, o octano tem uma tensão superficial de 21,6 mN / m). Normalmente, o termo “tensão interfacial” é usado para a tensão entre dois líquidos, enquanto “tensão superficial” é mais geral e geralmente se refere a uma interface gás-líquido.
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Quando a tensão superficial é relevante
A tensão superficial influencia as propriedades em um sistema. Quanto menores forem as dimensões de um sistema, mais crítica se torna a tensão superficial. Os exemplos incluem emulsões, névoas e espumas, nucleação & formação de fase. A tensão superficial também é relevante em escalas maiores, particularmente na forma de umedecimento, adesão e menisco. Quando as dimensões estão na faixa de micro a milímetros, a dinâmica é dada por um equilíbrio de viscosidade, densidade e tensão superficial. Além disso, a tensão superficial é um parâmetro facilmente medido para controle de qualidade.
Surfactantes
Surfactantes são moléculas que enriquecem em superfícies ou interfaces, ou seja, adsorvem na interface. Em geral, os surfactantes contêm porções hidrofílicas e hidrofóbicas e, portanto, em soluções aquosas, o contato da água com as partes hidrofóbicas pode ser evitado organizando na superfície com as partes hidrofóbicas em direção ao ar. A adsorção do surfactante reduz a tensão superficial. Este fenômeno é freqüentemente usado para melhorar a umectação. Clique na imagem abaixo para ler mais sobre adsorção e tensão superficial.
Os surfactantes exibem outra propriedade importante, a saber, automontagem em micelas. A micelação se assemelha à formação de fase, em que muitos surfactantes formam uma micela. Assim, a micelação ocorre em uma faixa de concentração bastante estreita (concentração micelar crítica, CMC), e a adição adicional de surfactante aumenta a concentração micelar em vez da concentração de monômeros de surfactante. Consequentemente, a tensão superficial diminui com o aumento da concentração total de surfactante até CMC e, então, permanece constante. A medição da tensão superficial é, portanto, uma maneira conveniente de estudar micelação.
Medindo a tensão superficial
Vários métodos foram desenvolvidos para medir a tensão superficial. Em técnicas ópticas, a forma de uma gota ou menisco é analisada geralmente usando um computador. A forma assume um equilíbrio mecânico entre as forças que atuam no líquido, ou seja, a tensão superficial e as forças gravitacionais. Para obter resultados precisos, a configuração óptica precisa ser bem calibrada e, além disso, o contorno da gota determinado com exatidão.
Na tensiometria de pressão de bolha, usa-se o fato de que a pressão dentro da bolha é maior do que fora da gota devido à tensão superficial. A tensão superficial pode ser calculada a partir da diferença de pressão se o raio e as formas das gotas forem conhecidas. Com algumas suposições simples, pode-se construir uma instrumentação robusta e fácil de usar, que é adequada para medições grosseiras de tensão superficial apenas pela imersão de um tubo na solução. A estalagometria é uma variação da técnica de pressão da bolha. Em vez de medir a diferença de pressão, o fato de que a vazão de um líquido através de um capilar é determinada pelas forças gravitacionais opostas pela força viscosa e contrapressão da gota na ponta do capilar.
A técnica mais antiga para medir a tensão superficial é medir a força exercida por um líquido em uma sonda. As técnicas de tensiometria de força são bastante exatas, desde que o ângulo de contato na sonda seja conhecido. Escolhendo um material bem umedecido e assumindo que o ângulo de contato é zero. Para soluções aquosas, isso implica o uso de um material hidrofílico. O material mais comum é a platina.Experimentos conduzidos sob atmosfera controlada e inerte mostraram que a água de fato umedece completamente a platina. No entanto, muitos compostos encontrados no ar ambiente adsorvem fortemente na platina, o efeito é observável dentro de minutos após a combustão. Portanto, a sonda deve ser imersa no líquido medido imediatamente após a limpeza.
O Dyneprobe da Kibron é baseado em um óxido hidrofílico. Quando a chama limpa usando uma chama quente, a camada de óxido é ativada em um estado muito hidrofílico. É mais estável em relação a contaminantes transportados pelo ar do que a Platina, mas torna-se passivo com o tempo. Portanto, os procedimentos adequados de limpeza da chama não podem ser evitados. Existem duas subtécnicas de tensiometria de força, nomeadamente os métodos Wilhelmy e DuNouy. No método Wilhelmy, a sonda é mantida parada na interface, preferencialmente com o nível da extremidade inferior com a interface (à distância). Neste ponto, não há necessidade de correções de flutuabilidade. Tanto as chamadas placas Wilhelmy quanto as sondas em forma de haste podem ser usadas para fazer a medição.
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| Método DuNouy | Método Wilhelmy |
No método DuNouy (força de tração máxima), a tensão superficial é registrada conforme a sonda está lentamente retirado do líquido. A sonda é geralmente um anel DuNouy ou uma haste vertical. O movimento da sonda proporciona vantajosamente um ângulo de contato recuado, que tende a ser menor do que o ângulo de contato de repouso. A desvantagem da técnica é a necessidade de levar em conta o termo de flutuabilidade negativa correspondente ao ponto de força máxima onde a sonda está completamente acima da superfície. Para sondas de haste fina, o termo de flutuabilidade é relativamente pequeno e fácil de corrigir, enquanto para anéis o termo de flutuabilidade é significativo e seu cálculo é complicado pela forma da seção transversal do anel.
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