Fenômenos de Superfície: Tensão e Energia Superficiais

FísicoQuímica UNIDADE 6 FENÔMENOS DE SUPERFÍCIE 61 Energia e tensão superficiais Tensão superficial A forma aproximadamente esférica destas gotas de água sobre a superfície encerada de uma folha é um efeito da tensão superficial Nigel CatlinScience Source Fenômenos de superfície têm interesse multidisciplinar e são importantes tanto para a Física quanto para a Química a Biologia e as Engenharias Além disso há vários efeitos observados no diaadia que estão relacionados às propriedades da interface entre duas fases por exemplo grãos de areia clipes de papel e outros objetos pequenos podem flutuar sobre a superfície da água mesmo sendo mais densos que ela algumas espécies de insetos conseguem andar sobre a superfície da água sem se molhar na extremidade de um contagotas um líquido sai na forma de gotas e não como um filete contínuo Para as moléculas de água localizadas na superfície em contato com o ar isto é na interface líquidoar a situação é diferente uma vez que dependendo da direção observada as forças de interação não são iguais havendo um predomínio das forças moleculares de coesão águaágua sobre as de adesão arágua Há pois uma força resultante dirigida para o interior do líquido ma nifestandose uma condição de desequilíbrio ou tensão Isso faz com que o sistema procure o seu estado de menor tensão o que resulta em uma tendência à contração da superfície diminuindo ao máximo aquela de contato com o ar ar água Uma parte das moléculas estará rodea da por todos os lados por outras moléculas de água Nesse caso as forças de interação molecular são iguais em todas as direções e o efeito final resultante é nulo Energia Uma descrição análoga pode ser feita em termos de energia Devido às diferen tes interações a energia das moléculas na superfície é maior do que a das moléculas no interior do sistema Logo para se deslocar uma molécula do interior do líquido para a superfície é necessário um gasto de energia Isto implica que o processo de aumento de área superficial está associado a um aumento de energia livre sob condições de pressão e temperatura constantes o que é termodinamicamente desfavorável Com isso um sistema tenderá portanto a assumir espontaneamente uma forma na qual a sua superfície seja a menor possível Uma gota de água assume uma forma esférica porque esta é precisamente a forma que para um dado volume oferece a menor área superficial possível No âmbito farmacêutico os fenômenos que ocorrem na interface de dois ou mais sistemas têm um papel importante tanto na formulação e na preparação de um medicamento quanto para assegurar a atividade e a estabilidade do mesmo Cálculo da tensão superficial Para aumentar a superfície de um líquido é necessário que algumas moléculas de camadas nãosuperficiais sejam levadas para a superfície Isso só será possível se um trabalho for realizado sobre as mesma ou seja se houver um aumento na energia potencial de superfície devido ao aumento da área WFDx Trabalho necessário para aumentar a superfície da película de sabão 1 O trabalho útil é proporcional à variação da área sendo a constante de proporcionalidade denominada tensão superficial g grandeza esta que mede a resistência ao aumento da superfície A variação de energia livre de Gibbs neste caso é igual ao trabalho útil não há expansão volumétrica realizado sobre o sistema WgDA Variação da área da superfície Como o dispositivo da Figura 207 apresenta duas superfícies o aumento da área será DA2lDx 2 3 Combinando as equações 2 e 3 temos Wg2lDx 4 Finalmente combinando as equações 1 e 4 temos gF2l Lembrando que DGW e WgDA Então gDGDA Quanto maior a variação da energia livre de Gibbs DG maior será a tensão superficial quando a área da superfície do líquido é aumentada Forças intermoleculares variam de acordo com a natureza das substâncias Assim os fenômemos observados nas superfícies de separação de duas ou mais substâncias também são característicos das mesmas Por exemplo para uma gota de um líquido em contato com uma superfície sólida e limpa e ambas em contato com um gás a superfície do líquido formará um ângulo com a superfície sólida Ângulo de contato Forças de coesão ou coesivas Fc Forças atrativas entre moléculas ou átomos de uma mesma substância Forças de adesão ou adesivas Fa Forças atrativas entre as moléculas da superfície de uma substância e as da superfície de outra substância FcFa FcFa Referências 1 Fundamentos de físicoquímica uma abordagem conceitual para as ciências farmacêuticas Paulo A Netz Netz George Gonzaléz Ortega 2 Física para ciências Biológicas e Biomédicas Emico Okuno Iberê L Caldas e Cecil Chow