Química das Superfícies e Interfaces

Interface sólido/liquido

Valentim M. B. Nunes

Departamento de Engenharia Química e do Ambiente

2009

Química das Superfícies e Interfaces

Wetting and dewetting phenomena are all around us. The formation of rain droplets sitting on a plant or hanging from a spiders web provide familiar examples for deweting.

On the other hand, spreading of paint and adhesives on solid surfaces or the application of cosmetics onto the human skin rely on the wetting properties for this

liquids.

In fact, you could not read these lines without the tear films which wet your eyes and which are stabilized by the closure of your eyelids.

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O molhamento de uma superfície envolve geralmente o deslocamento de um gás (normalmente o ar) por um liquido à superfície sólida. Um agente tensioactivo diz-se que tem poder molhante quando promove este efeito.

Molhamento

Espalhamento Imersão Adesão

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Espalhamento

Um liquido espalha-se pela superfície sólida aumentando a área interfacial SL e LG e diminuindo a SG.

LSLSS S 0

Se S < 0 o líquido forma gotas com um ângulo de contacto, definido pela equação de Young:

cosLSLS

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Imersão

Na imersão completa de um sólido num liquido, a área LG permanece inalterada.

Se SG > SL, < 90º - o processo é espontâneo.Se SG < SL, > 90º - é necessário trabalho para emergir o sólido.

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Adesão

Equação de Dupré: SLLSaW Combinando com a equação de Young, obtém-se:

cos1 LaW

Água em vidro = 0º Wa = 2L = Wc

Água em Parafina = 110º -

Mercúrio em vidro = 140º -

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O molhamento de uma superfície sólida hidrofóbica por um meio aquoso é favorecido pela adição de agentes tensioactivos: Wa

aumenta e L diminui, logo diminui.

Agentes tensioactivos, particularmente aniónicos, são usados como agentes de molhamento em muitas situações: indústria têxtil para obter resultados em processos como branqueamento, tintagem , etc.

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FlutuaçãoA flutuação de um sólido numa superfície líquida depende do ângulo de contacto que pode ser modificado por factores como adição de óleo à superfície, surfactantes, etc.

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Tratamento de minério por flutuação (Flotação)O minério é esmagado, e misturado com água, à qual se

adiciona um óleo. Este vai adsorver-se à superfície do minério, o que faz com que o ângulo de contacto na interfase SLG aumente. Outras partículas permanecem molhadas pela água.

As moléculas de óleo (collector oil) são amfifílicas, criando uma superfície hidrofóbica. É então adicionado um agente espumante e forçado ar no fundo do vaso. As partículas aderem às bolhas de ar vindo à superfície, onde são recolhidas ricas em metal (ver figura)

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arar

ar

ÀGUA

Partículas de mineral não molhadas

Partículas molhadas

Para o método ser eficaz o ângulo de contacto dever ser entre 50 a 75 °. Este método é também utilizado por exemplo no tratamento de efluentes.

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Efeitos detergentesA detergência consiste na remoção de sujidade de superfícies

sólidas por meio de surfactantes, consistindo na principal aplicação deste tipo de materiais.

Durante séculos foi usado o sabão:

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Um bom detergente deve obedecer às seguintes características:

•Bom poder molhante para entrar em contacto com a superfície

•Capacidade para remover a sujidade para o interior do líquido

•Capacidade para solubilizar a sujidadeA formulação apropriada é dependente de vários factores:Tipo de superfície: vidros, plásticos, cerâmicos, fibras

naturais, sintéticos, pele, cabelos, etc.Sujidade: características polares/apolares, reactividade ou

inércia químicaMolhamento. Em roupas, por exemplo, é necessário reduzir

a tensão superficial a 40 mNm-1.

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Remoção da sujidade: Designando por O a sujidade (do termo Oil) temos:

WSO = OW + SW - SO

A acção do detergente consiste em reduzir OW e SW diminuindo

a energia de adesão entre o Oil e a superfície sólida.Se a sujidade é líquida, a remoção é uma questão de ângulo de contacto. A adição de detergente diminui o ângulo de contacto na interface SOW. Se 0<<90° a remoção é por meios mecânicos, e se 90°< < 180° o processo envolve solubilização.

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Os melhores surfactantes são os que adsorvem na interfase sólido/água e óleo/água, com melhores efeitos detergentes. A adsorção na interface água/ar com a consequente diminuição de não é indicação de bom desempenho.

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ADSORÇÃO A PARTIR DE SOLUÇÕESEste é um tópico com bastante aplicação em inúmeros processos, como em cromatografia, clarificação de soluções por adição de carvão activado, etc.

A adsorção a partir de solução é mais simples de estudar que a adsorção de gases em sólidos. Basta misturar o sólido com a solução até não se observar variação da concentração da solução. Obtêm-se assim isotérmicas de adsorção aparentes, uma vez que existe competição entre adsorção e as interacções soluto/solvente.

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ac

acmx

m

x max

1

/nkcm

x /1

Utilizam-se geralmente as equações de Langmuir e de Freundlich, modificadas para:

Onde x/m é a quantidade de soluto adsorvida por massa de sólido, c é a concentração de equilíbrio e a, k e n são constantes; (x/m)max é a capacidade de monocamada.

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