Chemistry

Quando se deita um copo de água, ou se enche um carro com gasolina, observa-se que a água e a gasolina fluem livremente. Mas quando você derrama xarope sobre panquecas ou adiciona óleo a um motor de carro, você observa que o xarope e o óleo do motor não fluem tão facilmente. A viscosidade de um líquido é uma medida da sua resistência ao fluxo. Água, gasolina e outros líquidos que fluem livremente têm uma viscosidade baixa. Mel, xarope, óleo de motor e outros líquidos que não fluem livremente, como os mostrados na Figura 1, têm viscosidades mais altas. Podemos medir a viscosidade medindo a taxa na qual uma esfera metálica cai através de um líquido (a esfera 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).

Figura 1. a) mel e b) óleo de motor são exemplos de líquidos com altas viscosidades; eles fluem lentamente. (crédito a: modificação do trabalho de Scott Bauer; crédito b: modificação do trabalho de David Nagy)

Os FMIs 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 1, quanto mais complexas estruturalmente são as moléculas de um líquido e quanto mais fortes os FMIs entre elas, mais difícil é para elas passarem umas pelas outras e maior é a viscosidade do líquido. Conforme a temperatura aumenta, as moléculas se movem mais rapidamente e suas energias cinéticas são mais capazes de superar as forças que as mantêm juntas; assim, a viscosidade do líquido diminui.

Os vários FMI entre moléculas idênticas de uma substância são exemplos de forças coesivas. As moléculas dentro de um líquido são rodeadas por outras moléculas e são atraídas igualmente em todas as direcções pelas forças coesivas dentro do líquido. Contudo, 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 – isto é, a forma com a área mínima de superfície. Uma pequena gota de líquido tende a assumir uma forma esférica, como mostrado na Figura 2, porque em uma esfera, a razão entre a área de superfície e o volume está no mínimo. Gotas maiores são mais fortemente afetadas pela gravidade, resistência ao ar, interações superficiais, etc., e como resultado, são menos esféricas.

Figure 2. Forças atrativas 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. (crédito: modificação do trabalho por “OliBac”/Flickr)

Tensão superficial é definida como a energia necessária para aumentar a área de superfície de um líquido, ou a força necessária para aumentar o comprimento de uma superfície líquida em uma determinada quantidade. Esta propriedade resulta das forças de coesão entre 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 2. Entre os líquidos comuns, a água apresenta uma tensão superficial claramente elevada devido à forte ligação de hidrogênio entre suas moléculas. Como resultado desta alta tensão superficial, a superfície da água representa uma pele relativamente “dura” que pode resistir a uma força considerável sem se quebrar. Uma agulha de aço cuidadosamente colocada sobre a água flutuará. Alguns insetos, como o mostrado na figura 3, embora sejam mais densos que a água, movem-se em sua superfície porque são apoiados pela tensão superficial.

Figure 3. A tensão superficial (direita) evita que este inseto, um “water strider”, afunde na água (esquerda).

As IMFs de atração entre duas moléculas diferentes são chamadas 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 são fracas em comparação com as forças coesivas 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 nestas superfícies porque as forças coesivas 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 coesivas dentro da água. Quando a água é confinada num tubo de vidro, o seu menisco (superfície) tem uma forma côncava porque a água molha o vidro e rasteja pela lateral do tubo. Por outro lado, as forças coesivas entre os átomos de mercúrio são muito maiores do que as forças adesivas entre o mercúrio e o vidro. Portanto, o mercúrio não molha o vidro, e forma um menisco convexo quando confinado em um tubo porque as forças de coesão dentro do mercúrio tendem a atraí-lo para uma gota (Figura 4).

Figure 4. As diferenças nas forças relativas de coesão e adesivo resultam em diferentes formas de menisco para mercúrio (esquerda) e água (direita) em tubos de vidro. (crédito: Mark Ott)

Se você colocar uma extremidade de uma toalha de papel no vinho derramado, como mostrado na Figura 5, o líquido agita a toalha de papel. Um processo similar ocorre em uma toalha de pano quando você a usa para secar depois de um banho. Estes 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 coesivas dentro do líquido, podem ser suficientemente fortes para mover o líquido para cima contra a gravidade.

Figure 5. O vinho absorve uma toalha de papel (esquerda) devido aos fortes atrativos das moléculas de água (e etanol) para os grupos -OH nas fibras de celulose da toalha e os fortes atrativos das moléculas de água para outras moléculas de água (e etanol) (direita). (foto de crédito: modificação do trabalho por Mark Blaser)

Towels embebem líquidos como água porque as fibras de uma toalha são feitas de moléculas que são atraídas por moléculas de água. A maioria das toalhas de pano são feitas de algodão, e as toalhas de papel são geralmente feitas de polpa de papel. Ambos consistem de moléculas longas de celulose que contêm muitos grupos -OH. As moléculas de água são atraídas por estes grupos -OH e formam ligações de hidrogênio com eles, o que atrai as moléculas de H2O para cima das moléculas de celulose. As moléculas de água também são atraídas uma para a outra, de modo que grandes quantidades de água são atraídas pelas fibras de celulose.

Ação capilar também pode ocorrer quando uma extremidade de um tubo de pequeno diâmetro é imersa em um líquido, como ilustrado na Figura 6. Se as moléculas do líquido são fortemente atraídas pelas moléculas do tubo, o líquido rasteja para o interior do tubo até que o peso do líquido e as forças adesivas estejam em equilíbrio. Quanto menor for o diâmetro do tubo, maior é a subida do líquido. É em parte por acção capilar que ocorre em células vegetais chamadas xilema que a água e os nutrientes dissolvidos são trazidos do solo para cima através das raízes e para uma planta. A ação capilar é a base da cromatografia em camada fina, uma técnica laboratorial comumente usada para separar pequenas quantidades de misturas. Você depende de um suprimento constante de lágrimas para manter seus olhos lubrificados e da ação capilar para bombear o líquido lacrimogêneo.

Figure 6. Dependendo das forças relativas de adesão e coesão, um líquido pode subir (como a água) ou cair (como o mercúrio) em um tubo capilar de vidro. A extensão da ascensão (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, como mostrado na equação seguinte:

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 contacto 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/s2. Quando o tubo é feito de um material para o qual as moléculas do líquido são fortemente atraídas, elas se espalharão completamente na superfície, o que corresponde a um ângulo de contato de 0°. Esta é a situação para a água subir num tubo de vidro.

Aplicações Biomédicas da Acção Capilar

Figure 7. O sangue é recolhido para análise médica por acção capilar, que aspira o sangue para um tubo de vidro de pequeno diâmetro. (crédito: modificação do trabalho pelos Centros de Controle e Prevenção de Doenças)

Muitos exames médicos exigem a retirada 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. Este procedimento pode ser feito facilmente devido à ação capilar, a capacidade de um líquido de fluir um pequeno tubo contra a gravidade, como mostrado na Figura 7. Quando seu dedo é picado, uma gota de sangue se forma e se mantém unida devido à tensão superficial – 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 do sangue e as da superfície de vidro atraem o sangue para cima do tubo. A distância que o sangue sobe no 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 atraentes maiores (relativas), permitindo que o sangue seja aspirado mais acima no tubo. O próprio líquido é mantido unido pelas suas próprias forças coesivas. Quando o peso do líquido no tubo gera uma força descendente igual à força ascendente associada à ação capilar, o líquido pára de subir.