Em que consiste a tensão superficial de um líquido? Explique porque a água e o mercúrio têm meniscos diferentes quando observados em um tubo de vidro.
Passo 1
O enunciado pede para explicar o que é tensão superficial de um líquido e, com base nesse conceito, justificar por que o menisco da água em contato com vidro é côncavo e o do mercúrio é convexo. Vamos usar a teoria de forças intermoleculares (coesão e adesão) e o conceito de trabalho ou energia superficial para resolver.
Passo 2
A tensão superficial é uma propriedade que mede a “resistência” da superfície de um líquido a se expandir. Em termos termodinâmicos, é a energia necessária para formar uma nova área superficial de valor unitário. Em termos mecânicos, é a força por unidade de comprimento que atua ao longo da linha de contorno da superfície. Denotamos a tensão superficial por
cuja unidade no SI é o newton por metro (N/m).
cuja unidade no SI é o newton por metro (N/m).
Passo 3
Microscopicamente, as moléculas no interior do líquido experimentam forças de atração (coesão) em todas as direções, enquanto as moléculas na superfície sentem atração para o interior, criando um “envelope” de moléculas que tende a minimizar a área superficial. Esse desequilíbrio de forças faz com que o líquido se comporte como se sua superfície estivesse sob tensão.
Passo 4
Quando o líquido está em contato com um sólido (por exemplo, vidro), além das forças coesivas líquido–líquido há forças adesivas líquido–sólido. Se as forças adesivas forem maiores do que as coesivas, o líquido “esticará” contra a parede do sólido, resultando em um menisco côncavo. No caso da água, a afinidade com o vidro (adesão) é grande, logo as moléculas de água sobem pelas paredes do tubo, curvando a superfície para cima nas bordas.
Passo 5
Se as forças coesivas forem maiores que as adesivas, o líquido não “molha” bem o sólido e a superfície curva-se para baixo, formando um menisco convexo. No caso do mercúrio, a atração entre as próprias moléculas de mercúrio (coesão) é muito maior do que a atração entre mercúrio e vidro (adesão), de modo que o mercúrio se afasta das paredes e o menisco fica convexo.
Resposta
A tensão superficial é a energia (ou força) necessária para aumentar a área de superfície de um líquido por unidade de área (ou comprimento) e surge do desequilíbrio de forças intermoleculares na interface. A água forma menisco côncavo no vidro porque as forças adesivas vidro–água superam as coesivas água–água, enquanto o mercúrio forma menisco convexo porque suas forças coesivas mercúrio–mercúrio são maiores que as adesivas mercúrio–vidro.