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Universidade Federal Rural do Semi-Árido – UFERSA
Centro de Engenharias - CE
Disciplina : Físico-Química
Lista de Exercícios - Fenômenos de Superfície
Exercício 1.
Definir: a) tensão superficial; b) tensão interfacial; c) ângulo de contato.
Exercício 2.
Quais as dimensões de tensão superficial ou interfacial? Em que unidades se mede habitualmente?
Exercício 3.
Definir: a) trabalho de adesão entre um líquido e um sólido; b) trabalho de coesão de um líquido; c) coeficiente de espalhamento.
Exercício 4.
Qual é a equação de Kelvin? E a de Laplace?
Exercício 5.
Como se explica a ascensão capilar? Que relação existe entre a altura da ascensão capilar e a tensão superficial? Exercício 6.
Descrever os métodos experimentais de medida da tensão superficial de líquidos. Exercício 8. Como a tensão superficial varia com a temperatura? Exercício 7.
Qual o trabalho reversível que se deve fazer, a 25°C, para pulverizar um quilograma de água, em gotas de raio igual a 0,5 mm? A tensão superficial e a massa específica da água, a 25°C, são: 72 dyn/cm e 0,998 g/cm^3. Exercício 8.
Definir parácora. Qual a sua importância?
Exercício 9.
Dados os valores da tensão interfacial γ (dyn/cm) das diferentes interfaces a 20 °C: Água-vapor 72,8; Benzeno-vapor 28,9; Mercúrio-vapor 485,0; Água-benzeno 33,6; Água-mercúrio 427,0; Benzeno-mercúrio 444,0. Determinar o coeficiente de espalhamento para os diferentes líquidos.
Exercício 10.
Uma bolha de sabão se forma na atmosfera. Qual o excesso de pressão no interior da bolha, quando seu raio é de 1 cm e a tensão superficial é de 30 dyn/cm? Exercício 11.
A 20 o^ C, o ar atmosférico contém 1,6% (porcentagem molar) de vapor d’água. Sob que pressão se deve comprimir o ar, a 20 oC, para que o vapor d’água condense na forma de gotículas de raio igual a 3x10-6^ cm? Dados: pressão de vapor da água: 17,5 mmHg; tensão superficial da água: 72,8 dyn/cm; massa específica da água: 0,998 g/cm^3 , a 20 oC. UNIVERSIDADE FEDERAL FLUMINENSE
Exercício 12.
Um tubo capilar imerso em água provoca a ascensão de uma coluna líquida de 8,37 cm de altura; imerso em mercúrio provoca uma depressão de 3,67 cm. Qual o diâmetro do tubo capilar? Quanto vale a tensão superficial do mercúrio? Dados: tensão superficial da água: 72 dyn/cm; massas específicas da água e do mercúrio: 0,998 e 13,6 g/cm^3.
RESPOSTAS
Exercício 1.
a) é a densidade de energia (energia por unidade de área) em excesso que as moléculas na superfície de um líquido ou de um sólido possuem quando em contato com sua fase vapor; ou é a quantidade de energia, na forma de trabalho, necessária para aumentar em uma unidade de área a superfície de um líquido ou de um sólido em contato com sua fase vapor num processo isotérmico e reversível; ou é a força por unidade de comprimento tangente à superfície de contato entre o líquido ou o sólido e sua fase vapor, que se opõe a qualquer tentativa de se aumentar a área superficial. b) tem a mesma definição de tensão superficial, no entanto, a superfície de separação é entre dois líquidos (imiscíveis ou parcialmente miscíveis) ou entre um líquido e um sólido. c) é o ângulo formado entre as interfaces sólido-líquido e líquido-vapor ou entre as interfaces líquido-líquido e líquido-vapor (para líquidos imiscíveis ou parcialmente miscíveis).
Exercício 2.
[γ] = Energia/Área = Força/Comprimento [γ] = erg/cm2 = dyn/cm (no C.G.S.) ou [γ] = J/m2 = N/m (no S.I)
Exercício 3.
a) O trabalho de adesão entre um líquido e um sólido é a quantidade de energia necessária para separar um líquido da superfície de um sólido. Essa quantidade de trabalho é dada por: dwa = (γS + γL - γSL)dA. b) O trabalho de coesão de um líquido é a quantidade de energia necessária para romper uma coluna do líquido de seção reta uniforme igual a dA, ou seja, dwc = 2γLdA. c) O coeficiente de espalhamento é a diferença entre o trabalho de adesão e o trabalho de coesão, isto é: Interface sólido-líquido: coeficiente de espalhamento = γS - γL - γSL Interface líquido-líquido: coeficiente de espalhamento = γA - γB - γAB Exercício 4.
A equação de Kelvin relaciona a pressão de vapor, p, de um líquido na forma de gotículas em função do raio, r, das gotas em equilíbrio isotérmico com o vapor do líquido:
O trabalho para pulverizar um líquido será igual ao trabalho necessário para aumentar a área do líquido, ou seja: w = γ∆A onde ∆A é a variação da área superficial do líquido e γ a tensão superficial. No caso presente a área superficial inicial é desprezível em relação à área final, assim pode-se escrever: ∆A = Af = (no^ de gotas)x(área de uma gota)
∆A = [m/(4/3 ρ πr^3 )]x(4 πr 2 ) = 3m/rρ = (3x1000)/0,05x0,998) = 6,0x10^4 cm 2
onde m é a massa do líquido, ρ a sua massa específica e r o raio de uma gota. O trabalho será de: w = 72x6x104 = 4,32x106 erg = 0,432 J.
Exercício 8.
Por definição corresponde ao valor do volume molar de uma substância quando sua tensão superficial é unitária. Matematicamente podemos escrever: P = Vγ 1/ onde V é o volume molar da substância. A parácora é uma propriedade aditiva e constitutiva e assim sua importância reside no fato de se poder calcular a tensão superficial de estruturas mais complexas a partir das estruturas constituintes mais simples.
Exercício 9.
Interface Água-benzeno: coeficiente de espalhamento = 72,8 – 28,9 – 33,6 = 10, Interface Água-mercúrio: coeficiente de espalhamento = 485,0 – 72,8 – 427,0 = -14, Interface Benzeno-mercúrio: coeficiente de espalhamento = 485,0 – 28,9 – 444,0 = 12, Pelos valores do coeficiente de espalhamento, pode-se concluir que benzeno se espalha tanto na água quanto no mercúrio, enquanto a água não se espalha sobre o mercúrio.
- Usando a equação de Laplace reduzida para a forma esférica e sabendo que a bolha de sabão possui “duas superfícies” pode-se escrever: P= P 0 + (4γ/R) ou ∆P = (4γ/R) ∆P = (4x30/1) = 120dyn/cm^2
Exercício 11.
Usando a equação de Kelvin: ln(p/P 0 ) = [(2Mγ)/(ρrRT)]=(2x18x72,8)/(0,998x3,0x10-6^ x8,31x10 7 x293)= 0, p = 17,5x exp (0,036) =18 2, mmHg Usando a lei de Dalton, se obtém: Par = P/Xágua = 18,2/0,016 = 1137,5 mmHg = 1,50 atm
Exercício 12.
Considerando o raio do capilar pequeno de tal forma que o ângulo de contato é próximo de zero, vem: R = 2γ/ρgh = 2x72/0,998x980x 37,8 = 0,018 cm, portanto D = 0,036cm γ Hg = p (^) HgxhHg /PH 2 OhH2O γH2O = 13,6x3,67x72/0,998x8,37 = 430,2 dyn/cm
