10.3: Propriedades dos líquidos
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Ao final desta seção, você poderá:
- 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 10.15, 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 através de um líquido mais viscoso) ou medindo a taxa na qual um líquido flui através de um tubo estreito (líquidos mais viscosos fluem mais lentamente).
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 mostra a Tabela 10.2, 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.
| 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 10.16, porque em uma esfera, a razão 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.
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 10.3. 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 10.17, embora sejam mais densos que a água, se movem em sua superfície porque são suportados pela tensão superficial.
| 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 |
A tensão superficial é afetada por uma variedade de variáveis, incluindo a introdução de substâncias adicionais na superfície. No final do século XIX, Agnes Pockels, que inicialmente foi impedida de seguir uma carreira científica, mas estudou sozinha, começou a investigar o impacto e as características dos filmes oleosos e com sabão na água. Usando materiais caseiros, ela desenvolveu um instrumento conhecido como calha para medir os contaminantes da superfície e seus efeitos. Com o apoio do renomado cientista Lord Rayleigh, seu artigo de 1891 mostrou que a contaminação da superfície reduz significativamente a tensão superficial e também que a alteração das características da superfície (comprimindo-a ou expandindo-a) também afeta a tensão superficial. Décadas depois, Irving Langmuir e Katharine Blodgett aproveitaram o trabalho de Pockels em sua própria calha e avanços importantes na química de superfícies. Langmuir foi pioneira em métodos para produzir camadas de filme de molécula única; Blodgett os aplicou ao desenvolvimento de vidro não reflexivo (essencial para a fabricação de filmes e outras aplicações) e também estudou métodos relacionados à limpeza de superfícies, que são importantes na fabricação de semicondutores.
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 10.18).
Se você colocar uma ponta de uma toalha de papel no vinho derramado, conforme mostrado na Figura 10.19, 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.
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 10.20. 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.
A altura até a qual um líquido subirá em um tubo capilar é determinada por vários fatores, conforme mostrado na equação a seguir:
Nesta equação, 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 devido 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 10.4
Elevação capilar
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 por: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:
Verifique seu aprendizado
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
Química na vida cotidiana
Aplicações biomédicas da ação capilar
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 10.21. 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 as que estão 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.