QUÍMICA-FÍSICA Mestrado Integrado em Engª Biológica … · QUÍMICA-FÍSICA Parte I...

Docentes: Laura Maria Ilharco

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Pedro Paulo (laboratório)

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Extensão: 3318 (Complexo Interdisciplinar)

QUÍMICA-FÍSICA

Mestrado Integrado em Engª Biológica(2015-2016)

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QUÍMICA-FÍSICA

Parte I - Propriedades Microscópicas e Macroscópicas da Matéria

Cap.1. Química-Física das Interfaces

Interfaces Líquido-GásTensão superficial de um líquido puro. Determinação da tensão superficial (método do anel).Interfaces esféricas. Eq. de Laplace. Eq. de Kelvin. Aplicações.Tensão superficial de misturas binárias. Concentração superficial de excesso. Isotérmica de Gibbs. Tensioactivos. Micelas.

Interfaces Líquido-LíquidoFilmes de Langmuir. Emulsões.

Interfaces Sólido-LíquidoÂngulo de contacto.Equação de Young. Capilaridade. Definição de colóide. Estabilização de colóides.

Interfaces Sólido-GásAdsorção física e química. Isotérmica de adsorção de Langmuir.Isotérmica de adsorção de B.E.T.Outras isotérmicas.

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pontos

QUÍMICA-FÍSICA DAS INTERFACES

Pontos de interface de uma proteina onde é provável a ligação a outra proteina

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Indústrias relacionadas com interfaces

AlimentaçãoVários tipos de dispersões

- líquido noutro líquido (emulsões): leite- líquido num sólido: geleia, manteiga- gás num líquido (espumas): mousses

FarmacêuticaVários tipos de dispersões- emulsões; espumas; géis

BiomateriaisAdesão de tecidos, desnaturação

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Tintas e revestimentosAdesão, protecção

Produtos de higiene e limpezaDetergentes





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PetrolíferasRecuperação de óleos

Lubrificantes







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Papel e cartãoAcabamento, impressão, adesão em embalagens

SemicondutoresTratamentos de superfície; deposição de camadas finas

PetrolíferasRecuperação de óleos

Lubrificantes



FarmacêuticaVários tipos de dispersões

- emulsões; espumas; géis




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INTERFACE LÍQUIDO - VAPOR

Fase gasosa

Fase líquida

Interface

densidade(nº moléc. /volume)

altu

ra

Rinterior = 0Rinterface ≠ 0

Interface modelo

As forças atractivas que actuam sobre umamolécula no interior do líquido são, emmédia ao longo do tempo, isotrópicas: não há uma força resultante que puxe a molécula em determinada direcção.

Há uma tendência para cada molécula serpuxada para o interior do líquido. Logo, uma tendência para minimizar a superfíciedo líquido.

Para aumentar a superfície do líquido (trazer novas moléculas à superfície) é necessáriorealizar trabalho. 8

Filme sabão

l

dx

(2 faces)

TENSÃO SUPERFICIAL DE LÍQUIDOS PUROS

γ - Força por unidade de comprimento(o factor 2 aparece porque o filme tem 2 faces)

γ - Trabalho (energia) por unidade de área

Energia de superfícieTrabalho mecânico

[Unidades de γ : N m-1 ou J m-2]

ou

Para um sistema fechado com um componente tem-se: dG = -SdT + VdP

Tendo em conta a variação de energia livre para aumentar a área da interface de dA:

dG = -SdT + VdP + γ dA A P e T constantes: = γ

ldxdAdxFdw 2×=×=×= γγ

dA

dw=γ

l

F

2=γ

γ - Tensão superficial do líquido

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TENSÕES SUPERFICIAIS DE LÍQUIDOS EM AR

Substância γ×103 (Nm-1)

Hélio líquido (-269 oC) 0.12

Azoto líquido (-183 oC) 6.6

Etanol (20 oC) 22.8

Água (20 oC) 72.8

Água (100 oC) 59

Solução de sabão (20 oC) ~25

Sangue (37 oC) 58

Mercúrio (20 oC) 440

Prata (Tf0) 966

Ferro (Tf0) 1872

Tf0 – temperatura de fusão normal

Para discussão: Sinal de γ ?

TENSÃO SUPERFICIAL DE LÍQUIDOS PUROS

TPdA

dG

dA

dw

l

F,)(

2===γ

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Pint ≠ Pext

Este trabalho é realizado para aumentar a área superficial da bolha de dA:

INTERFACES CURVAS

onde

∆P × 4π Rm

2 dRm

= γ × 8πRm

dRm

Equação de LAPLACE

dV = 4π Rm

2 dRm

m

dA = 8πRm

dRm

Rm

+

Igualando as expresões de dw:

dRm

Para aumentar o raio da bolha de dRm

:

Comentar: Influência de γ e de Rm

Porquê?

onde

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As trocas de oxigénio e CO2 nos pulmões dão-se através das membranas de estruturassemelhantes a balões (alvéolos).

Os alvéolos incham na inspiração (até cerca de 0.1 mm de raio) e desincham na expiração.

No interior dos alvéolos pulmonares há um filme fino de líquido, muito curvo, porqueos alvéolos têm dimensões muito pequenas (0.05 mm de raio ).

Um exemplo de aplicação da Equação de Laplace:

O seu comportamento é determinado pela diferençade pressão entre o interior (P

i) e o exterior do alvéolo

(Pe) e pela tensão superficial deste fluido (γ = 0.05

Nm-1) - eq. de Laplace

m

∆P = Pi– P

e

= 2.0×Nm-2

= 15 mm Hg

Para ocorrrer inalação é necessário que a pressão dentro dos alvéolos seja superior à exterior, na cavidade pulmonar.

= (2×0.05) / 5×10-5

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Durante a inalação, a pressão dentro dos alvéolos é inferior à pressão atmosférica ( -3 mm Hg), o que permite ao ar difundir através dos bronquíolos para os alvéolos.

Portanto tem-se:Pi – Pe = (-3 mm Hg) – (- 4 mmHg) = 1 mm Hg

Mas com o fluido que reveste os alvélolos esta diferença de pressão teria que ser de 15 mm Hg!!!

Na cavidade pleural a pressão relativa à atmosférica é de - 4 mm Hg (conseguida poracção do diafragma)

“Ingrediente secreto” dos alvéolos:

substância que reduz a tensão superficial (surfactante) do fluido de interface:dipalmitoil -lecitina – DPPC, segregada pelos pulmões.

Ao reduzir a tensão superficial de ~15 vezes , a diferença de pressão passa a ser de ~1 mm Hg, ou seja, suficiente para iniciar o processo.

A inalação (expansão dos alvéolos) ocorre a uma pressão diferencial de 1mm Hg.

Dados experimentais:

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Outro exemplo de aplicação da equação de Laplace

Experiência:

A pressão no interior da bolha mais pequena é maior (eq. de Laplace)

Logo: a bolha menor vai diminuir ea maior vai aumentar

Quando se abre a válvula as pressões têm tendência a igualar, ou seja, passam moléculas da bolha menor para a maior

m

Duas bolhas ligadas a uma válvula de três vias

O tamanho de cada bolha depende de um balanço: A pressão interior (empurra a parede para fora).A pressão exterior (empurra a parede para dentro)A tensão superficial (empurra a parede para dentro)

Para uma dada pressão atmosférica, no equilíbrio:

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Líquido em equilíbrio com o seu vapor:

Líquido

Vapor

Pressão de vapor de um líquido (pressão de saturaçã o)

A pressão de vapor de uma superfície curva será igual à d e uma superfície plana?

Pressão de vapor do líquido é a pressão exercida pelo vapor em equilíbrio com o líquido.

Para um dado líquido depende da temperatura.

Depende das forças intermoleculares.

P vapor / kPa T / oC

Etanol 5.8 20

Propanol 2.4 20

Água 2.3 20

Água 101.3 100

Logo depende das moléculas do líquido.

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Líquido em equilíbrio com o seu vapor:

Situação (A):a interface é plana pelo que PVA = PLA

Vapor

Líquido

Rm

(B)

Para transportar uma mole de líquido de uma p para (p + dp ), a energia necessária é dada por:

(T constante)

(A)

Líquido

Vapor

Situação (B):a interface é curva, logo PVB ≠ PLB

V – volume molar

Pressão de vapor sobre uma superfície curva

Integrando, para transportar uma mole de líquido em (A), à pressão PLA,

para (B), à pressão PLB : 16

Vapor

Líquido

Rm

(B)(A)

Líquido

Vapor

(1)

Como existe equilíbrio entre o líquido e o vapor em cada compartimento:

Substituindo em (1):

Atendendo à expressão do potencial químico de um gás:


µ = µ0

+ RT lnP17

Vapor

Líquido

Rm

(B)(A)

Líquido

Vapor

PVA)

Pela Eq. de Laplace:

Atendendo a que: )

Logo:Equação

de KELVIN

m

m

<< (PLB– P

VB)(P

VB– P

VA)


18

m

Comparação entre a pressão de vapor numa interface plana e numa interface curva

P0

Pc(-)

Pc(+)

Pc(-) < P0 < Pc(+)

ou seja:

onde B se refere à interface curvae A à interface plana

Para um mesmo líquido a uma dada temperatura, a pressão de vapor numa superfíciecurva convexa (gota de líquido) é mais elevada do que a pressão de saturação(superfície plana)

Para um mesmo líquido a uma dada temperatura, a pressão de vapor numa superfíciecurva côncava é mais baixa do que a pressão de saturação (superfície plana)

Consequências da Equação de Kelvin

onde Pc se refere à interface curva e P0 é a pressão de saturação (interface plana)

Instabilidade de gotículas; Condensação capilar 19

Recapitulando:

Para interfaces curvas :

(Equação de LAPLACE)

Comparando a pressão de vapor de uma interface curva com uma plana :

(Equação de KELVIN)

Pierre Simon,Marquês de Laplace

(1749-1827)

William Thomson, 1º barão Kelvin

(1824-1907)

m

0

m

c

m

onde B se refere à interface curvae A à interface plana

ou seja:

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