10.2: Propriedades dos líquidos

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Objetivos de

Faça a distinção entre forças adesivas e coesivas
Defina viscosidade, tensão superficial e aumento capilar
Descreva os papéis das forças de atração intermoleculares em cada uma dessas propriedades/fenômenos

Quando você coloca um copo de água ou enche um carro com gasolina, você observa que a água e a gasolina fluem livremente. Mas quando você coloca xarope em panquecas ou adiciona óleo ao motor de um carro, você nota que o xarope e o óleo do motor não fluem tão facilmente. A viscosidade de um líquido é uma medida de sua resistência ao fluxo. Água, gasolina e outros líquidos que fluem livremente têm baixa viscosidade. Mel, xarope, óleo de motor e outros líquidos que não fluem livremente, como os mostrados na Figura\(\PageIndex{1}\), têm viscosidades mais altas. Podemos medir a viscosidade medindo a taxa na qual uma bola de metal cai através de um líquido (a bola cai mais lentamente por um líquido mais viscoso) ou medindo a taxa na qual um líquido flui através de um tubo estreito (líquidos mais viscosos fluem mais lentamente).

Figura\(\PageIndex{1}\): (a) Mel e (b) óleo de motor são exemplos de líquidos com alta viscosidade; eles fluem lentamente. (crédito a: modificação da obra de Scott Bauer; crédito b: modificação da obra de David Nagy)

Os IMFs entre as moléculas de um líquido, o tamanho e a forma das moléculas e a temperatura determinam a facilidade com que um líquido flui. Como\(\PageIndex{1}\) mostra a Tabela, quanto mais estruturalmente complexas são as moléculas em um líquido e quanto mais fortes os IMFs entre elas, mais difícil é para elas se moverem umas sobre as outras e maior é a viscosidade do líquido. À medida que a temperatura aumenta, as moléculas se movem mais rapidamente e suas energias cinéticas são mais capazes de superar as forças que as mantêm unidas; assim, a viscosidade do líquido diminui.

Tabela\(\PageIndex{1}\): Viscosidades de substâncias comuns a 25 °C
Substância	Fórmula	Viscosidade (mPa·s)
água	H ₂ O	0,890
mercúrio	Hg	1,526
etanol	C ₂ H ₅ OH	1.074
octano	C ₈ H ₁₈	0,508
etilenoglicol	CH ₂ (OH) CH ₂ (OH)	16.1
querida	variável	~2.000—10.000
óleo de motor	variável	~50—500

Os vários IMFs entre moléculas idênticas de uma substância são exemplos de forças coesivas. As moléculas dentro de um líquido são cercadas por outras moléculas e são atraídas igualmente em todas as direções pelas forças coesivas dentro do líquido. No entanto, as moléculas na superfície de um líquido são atraídas apenas por cerca de metade do número de moléculas. Devido às atrações moleculares desequilibradas nas moléculas da superfície, os líquidos se contraem para formar uma forma que minimiza o número de moléculas na superfície, ou seja, a forma com a área superficial mínima. Uma pequena gota de líquido tende a assumir uma forma esférica, conforme mostrado na Figura\(\PageIndex{2}\), porque em uma esfera, a proporção entre a área da superfície e o volume é mínima. Quedas maiores são mais afetadas pela gravidade, resistência do ar, interações superficiais e assim por diante e, como resultado, são menos esféricas.

Figura\(\PageIndex{2}\): Forças de atração resultam em uma gota de água esférica que minimiza a área da superfície; forças coesivas mantêm a esfera unida; forças adesivas mantêm a gota presa à teia. (foto de crédito: modificação da obra por “OliBac” /Flickr)

A tensão superficial é definida como a energia necessária para aumentar a área superficial de um líquido ou a força necessária para aumentar o comprimento da superfície de um líquido em uma determinada quantidade. Essa propriedade resulta das forças coesivas entre as moléculas na superfície de um líquido e faz com que a superfície de um líquido se comporte como uma membrana de borracha esticada. As tensões superficiais de vários líquidos são apresentadas na Tabela\(\PageIndex{2}\).

Tabela\(\PageIndex{2}\): Tensões superficiais de substâncias comuns a 25 °C
Substância	Fórmula	Tensão superficial (mN/m)
água	H ₂ O	71,99
mercúrio	Hg	458,48
etanol	C ₂ H ₅ OH	21,97
octano	C ₈ H ₁₈	21,14
etilenoglicol	CH ₂ (OH) CH ₂ (OH)	47,99

Entre os líquidos comuns, a água apresenta uma tensão superficial nitidamente alta devido à forte ligação de hidrogênio entre suas moléculas. Como resultado dessa alta tensão superficial, a superfície da água representa uma pele relativamente “resistente” que pode suportar uma força considerável sem quebrar. Uma agulha de aço cuidadosamente colocada na água flutuará. Alguns insetos, como o mostrado na Figura\(\PageIndex{3}\), embora sejam mais densos que a água, se movem em sua superfície porque são suportados pela tensão superficial.

Figura\(\PageIndex{3}\): A tensão superficial (direita) impede que esse inseto, um “caminhante aquático”, afunde na água.

Os IMFs de atração entre duas moléculas diferentes são chamados de forças adesivas. Considere o que acontece quando a água entra em contato com alguma superfície. Se as forças adesivas entre as moléculas de água e as moléculas da superfície forem fracas em comparação com as forças de coesão entre as moléculas de água, a água não “molha” a superfície. Por exemplo, a água não molha superfícies enceradas ou muitos plásticos, como o polietileno. A água forma gotas nessas superfícies porque as forças de coesão dentro das gotas são maiores do que as forças adesivas entre a água e o plástico. A água se espalha no vidro porque a força adesiva entre a água e o vidro é maior do que as forças de coesão dentro da água. Quando a água está confinada em um tubo de vidro, seu menisco (superfície) tem uma forma côncava porque a água molha o vidro e sobe pela lateral do tubo. Por outro lado, as forças de coesão entre os átomos de mercúrio são muito maiores do que as forças adesivas entre mercúrio e vidro. Portanto, o mercúrio não molha o vidro e forma um menisco convexo quando confinado em um tubo porque as forças coesivas dentro do mercúrio tendem a atraí-lo para uma gota (Figura\(\PageIndex{4}\)).

Figura\(\PageIndex{4}\): Diferenças nas forças relativas das forças coesivas e adesivas resultam em diferentes formas de menisco para mercúrio (à esquerda) e água (à direita) em tubos de vidro. (crédito: Mark Ott)

Se você colocar uma ponta de uma toalha de papel no vinho derramado, conforme mostrado na Figura\(\PageIndex{5}\), o líquido absorve a toalha de papel. Um processo semelhante ocorre em uma toalha de pano quando você a usa para secar após o banho. Esses são exemplos de ação capilar — quando um líquido flui dentro de um material poroso devido à atração das moléculas líquidas para a superfície do material e para outras moléculas líquidas. As forças adesivas entre o líquido e o material poroso, combinadas com as forças de coesão dentro do líquido, podem ser fortes o suficiente para mover o líquido para cima contra a gravidade.

Figura\(\PageIndex{5}\): O vinho absorve uma toalha de papel (à esquerda) devido às fortes atrações das moléculas de água (e etanol) pelos grupos −OH nas fibras de celulose da toalha e às fortes atrações das moléculas de água por outras moléculas de água (e etanol) (à direita). (foto de crédito: modificação da obra de Mark Blaser)

As toalhas absorvem líquidos como água porque as fibras de uma toalha são feitas de moléculas que são atraídas pelas moléculas de água. A maioria das toalhas de pano é feita de algodão, e as toalhas de papel geralmente são feitas de polpa de papel. Ambos consistem em moléculas longas de celulose que contêm muitos grupos −OH. As moléculas de água são atraídas por esses grupos −OH e formam ligações de hidrogênio com eles, o que atrai as moléculas de H ₂ O até as moléculas de celulose. As moléculas de água também são atraídas umas pelas outras, então grandes quantidades de água são retiradas das fibras de celulose.

A ação capilar também pode ocorrer quando uma extremidade de um tubo de pequeno diâmetro é imersa em um líquido, conforme ilustrado na Figura\(\PageIndex{6}\). Se as moléculas líquidas forem fortemente atraídas pelas moléculas do tubo, o líquido sobe pelo interior do tubo até que o peso do líquido e as forças adesivas estejam em equilíbrio. Quanto menor o diâmetro do tubo, mais alto o líquido sobe. É em parte pela ação capilar que ocorre nas células vegetais chamadas xilema que a água e os nutrientes dissolvidos são trazidos do solo até as raízes e para a planta. A ação capilar é a base da cromatografia em camada fina, uma técnica de laboratório comumente usada para separar pequenas quantidades de misturas. Você depende de um suprimento constante de lágrimas para manter os olhos lubrificados e da ação capilar para bombear o fluido lacrimal.

Figura\(\PageIndex{6}\): Dependendo da força relativa das forças adesivas e coesivas, um líquido pode subir (como água) ou cair (como mercúrio) em um tubo capilar de vidro. A extensão da subida (ou queda) é diretamente proporcional à tensão superficial do líquido e inversamente proporcional à densidade do líquido e ao raio do tubo.

A altura até a qual um líquido subirá em um tubo capilar é determinada por vários fatores, conforme mostrado na equação a seguir:

\[h=\dfrac{2T\cosθ}{rρg} \label{10.2.1} \]

onde

h é a altura do líquido dentro do tubo capilar em relação à superfície do líquido fora do tubo,
T é a tensão superficial do líquido,
θ é o ângulo de contato entre o líquido e o tubo,
r é o raio do tubo, ρ é a densidade do líquido e
g é a aceleração devida à gravidade, 9,8 m/s ².

Quando o tubo é feito de um material pelo qual as moléculas líquidas são fortemente atraídas, elas se espalham completamente pela superfície, o que corresponde a um ângulo de contato de 0°. Essa é a situação da água subindo em um tubo de vidro.

Exemplo\(\PageIndex{1}\): Capillary Rise

A 25 °C, até que altura a água subirá em um tubo capilar de vidro com um diâmetro interno de 0,25 mm?

Para água, T = 71,99 mN/m e ρ = 1,0 g/cm ³.

Solução

O líquido subirá até uma altura h dada pela equação\(\ref{10.2.1}\):

\[h=\dfrac{2T\cosθ}{rρg} \nonumber \]

O Newton é definido como kg m/s ² e, portanto, a tensão superficial fornecida é equivalente a 0,07199 kg/s ². A densidade fornecida deve ser convertida em unidades que serão canceladas adequadamente: ρ = 1000 kg/m ³. O diâmetro do tubo em metros é 0,00025 m, então o raio é 0,000125 m. Para um tubo de vidro imerso em água, o ângulo de contato é θ = 0°, então cos θ = 1. Finalmente, a aceleração devido à gravidade na Terra é g = 9,8 m/s ². Substituindo esses valores na equação e cancelando unidades, temos:

\[h=\mathrm{\dfrac{2(0.07199\:kg/s^2)}{(0.000125\:m)(1000\:kg/m^3)(9.8\:m/s^2)}=0.12\:m=12\: cm} \nonumber \]

Exercício\(\PageIndex{1}\)

A água sobe em um tubo capilar de vidro até uma altura de 8,4 cm. Qual é o diâmetro do tubo capilar?

Resposta: diâmetro = 0,36 mm

Aplicações: A ação capilar é usada para tirar sangue

Muitos exames médicos exigem a coleta de uma pequena quantidade de sangue, por exemplo, para determinar a quantidade de glicose em alguém com diabetes ou o nível de hematócrito em um atleta. Esse procedimento pode ser feito facilmente devido à ação capilar, a capacidade de um líquido fluir por um pequeno tubo contra a gravidade, conforme mostrado na Figura\(\PageIndex{7}\). Quando seu dedo é picado, uma gota de sangue se forma e se mantém unida devido à tensão superficial — as atrações intermoleculares desequilibradas na superfície da gota. Então, quando a extremidade aberta de um tubo de vidro de diâmetro estreito toca a gota de sangue, as forças adesivas entre as moléculas no sangue e aquelas na superfície do vidro atraem o sangue para o tubo. A distância que o sangue sobe pelo tubo depende do diâmetro do tubo (e do tipo de fluido). Um tubo pequeno tem uma área de superfície relativamente grande para um determinado volume de sangue, o que resulta em forças de atração maiores (relativas), permitindo que o sangue seja puxado mais para cima no tubo. O líquido em si é mantido unido por suas próprias forças coesas. Quando o peso do líquido no tubo gera uma força descendente igual à força ascendente associada à ação capilar, o líquido para de subir.

Figura\(\PageIndex{7}\): O sangue é coletado para análise médica por ação capilar, que atrai o sangue para um tubo de vidro de pequeno diâmetro. (crédito: modificação do trabalho dos Centros de Controle e Prevenção de Doenças)

Conceitos principais e resumo

As forças intermoleculares entre as moléculas no estado líquido variam dependendo de suas identidades químicas e resultam em variações correspondentes em várias propriedades físicas. As forças coesivas entre moléculas semelhantes são responsáveis pela viscosidade do líquido (resistência ao fluxo) e pela tensão superficial (elasticidade da superfície do líquido). As forças adesivas entre as moléculas de um líquido e as diferentes moléculas que compõem uma superfície em contato com o líquido são responsáveis por fenômenos como umedecimento superficial e elevação capilar.

Equações-chave

\(h=\dfrac{2T\cosθ}{rρg}\)

Glossário

força adesiva: força de atração entre moléculas de diferentes identidades químicas

ação capilar: fluxo de líquido dentro de um material poroso devido à atração das moléculas líquidas para a superfície do material e para outras moléculas líquidas

força coesiva: força de atração entre moléculas idênticas

tensão superficial: energia necessária para aumentar a área, ou comprimento, de uma superfície líquida em uma determinada quantidade

viscosidade: medida da resistência de um líquido ao fluxo