CAPILARIDADE: CARACTERÍSTICAS E EXEMPLO NA ÁGUA - QUÍMICA - 2025

A capilaridade é uma propriedade dos líquidos que lhes permite mover orifícios tubulares ou superfícies porosas mesmo contra a gravidade. Para isso, deve haver equilíbrio e coordenação de duas forças relacionadas às moléculas do líquido: coesão e adesão; esses dois têm um reflexo físico chamado tensão superficial.

O líquido precisa ser capaz de molhar as paredes internas do tubo ou os poros do material por onde passa. Isso ocorre quando a força de adesão (parede do tubo capilar líquido) é maior do que a força de coesão intermolecular. Conseqüentemente, as moléculas do líquido criam interações mais fortes com os átomos do material (vidro, papel, etc.) do que entre si.

Fonte: MesserWoland via Wikipedia

O exemplo clássico de capilaridade é ilustrado na comparação dessa propriedade para dois líquidos muito diferentes: água e mercúrio.

Na imagem acima pode-se observar que a água sobe pelas paredes do tubo, o que significa que ela tem maiores forças de adesão; enquanto com o mercúrio ocorre o contrário, pois suas forças de coesão, de ligação metálica, o impedem de molhar o vidro.

Por esta razão, a água forma um menisco côncavo e o mercúrio um menisco convexo (em forma de cúpula). Também deve ser notado que quanto menor o raio do tubo ou a seção pela qual o líquido viaja, maior a altura ou distância percorrida (compare as alturas das colunas de água para ambos os tubos).

Características de capilaridade

-Superfície do líquido

A superfície do líquido, para dizer a água, em um capilar é côncava; ou seja, o menisco é côncavo. Essa situação ocorre porque a resultante das forças exercidas nas moléculas de água próximas à parede do tubo é direcionada para ela.

Em cada menisco existe um ângulo de contato (θ), que é o ângulo formado pela parede do tubo capilar com uma linha tangente à superfície do líquido no ponto de contato.

Forças de adesão e coesão

Se a força de adesão do líquido à parede capilar prevalece sobre a força de coesão intermolecular, então o ângulo é θ <90º; o líquido umedece a parede capilar e a água sobe pelo capilar, observando o fenômeno conhecido como capilaridade.

Quando uma gota d'água é colocada na superfície de um vidro limpo, a água se espalha sobre o vidro, então θ = 0 e cos θ = 1.

Se a força de coesão intermolecular prevalecer sobre a força de adesão líquido-capilar, por exemplo no mercúrio, o menisco será convexo e o ângulo θ terá um valor> 90º; o mercúrio não molha a parede capilar e, portanto, desce pela parede interna.

Quando uma gota de mercúrio é colocada na superfície de um vidro limpo, a gota mantém sua forma e o ângulo θ = 140º.

-Altura

A água sobe pelo tubo capilar até atingir a altura (h), na qual o peso da coluna d'água compensa a componente vertical da força de coesão intermolecular.

À medida que mais água sobe, chegará um ponto em que a gravidade interromperá sua subida, mesmo com a tensão superficial trabalhando a seu favor.

Quando isso acontece, as moléculas não podem continuar a “escalar” as paredes internas e todas as forças físicas se igualam. Por um lado, você tem as forças que promovem a subida da água e, por outro lado, seu próprio peso empurrando-a para baixo.

Lei de Jurin

Isso pode ser escrito matematicamente da seguinte forma:

2 π rϒcosθ = ρgπr ² h

Onde o lado esquerdo da equação depende da tensão superficial, cuja magnitude também está relacionada à coesão ou forças intermoleculares; Cosθ representa o ângulo de contato er o raio do orifício através do qual o líquido sobe.

E no lado direito da equação temos a altura h, a força da gravidade ge a densidade do líquido; qual seria a água.

Resolvendo então para h nós temos

h = (2ϒcosθ / ρgr)

Essa formulação é conhecida como Lei de Jurin, que define a altura atingida pela coluna de líquido, no tubo capilar, quando o peso da coluna de líquido é equilibrado com a força de ascensão por ação capilar.

-Tensão superficial

A água é uma molécula dipolo, devido à eletronegatividade do átomo de oxigênio e sua geometria molecular. Isso faz com que a parte da molécula de água onde o oxigênio está localizado fique carregada negativamente, enquanto a parte da molécula de água, contendo os 2 átomos de hidrogênio, torna-se carregada positivamente.

As moléculas no líquido interagem graças a isso por meio de múltiplas ligações de hidrogênio, mantendo-as juntas. Porém, as moléculas de água que estão na interface água: ar (superfície), estão sujeitas a uma atração líquida pelas moléculas do seio do líquido, não compensada pela fraca atração com as moléculas de ar.

Portanto, as moléculas de água na interface são submetidas a uma força atrativa que tende a remover moléculas de água da interface; em outras palavras, as ligações de hidrogênio formadas com as moléculas do fundo arrastam aquelas que estão na superfície. Assim, a tensão superficial visa reduzir a superfície da interface água: ar.

Relacionamento com h

Se olharmos para a equação da lei de Jurin, descobriremos que h é diretamente proporcional a ϒ; portanto, quanto maior for a tensão superficial do líquido, maior será a altura que pode ser elevada por um capilar ou poro de um material.

Desta forma, espera-se que para dois líquidos, A e B, com tensões superficiais diferentes, aquele com maior tensão superficial suba para uma altura maior.

Pode-se concluir com relação a este ponto que uma alta tensão superficial é a característica mais importante que define a propriedade capilar de um líquido.

-Rádio do capilar ou poro através do qual o líquido sobe

A observação da Lei de Jurin indica que a altura que um líquido atinge em um capilar ou poro é inversamente proporcional ao raio do mesmo.

Portanto, quanto menor o raio, maior a altura que a coluna de líquido atinge por ação capilar. Isso pode ser visto diretamente na imagem onde a água é comparada ao mercúrio.

Em um tubo de vidro com raio de 0,05 mm de raio, a coluna de água por capilaridade atingirá a altura de 30 cm. Em tubos capilares com raio de 1 µm com pressão de sucção de 1,5 x 10 ³ hPa (que é igual a 1,5 atm) corresponde a um cálculo da altura da coluna d'água de 14 a 15 m.

Isso é muito parecido com o que acontece com aqueles canudos que se voltam várias vezes. Beber o líquido cria uma diferença de pressão que faz com que o líquido suba até a boca.

O valor máximo da altura da coluna atingido pela capilaridade é teórico, uma vez que o raio dos capilares não pode ser reduzido além de um certo limite.

Lei de Poiseuille

Isso estabelece que o fluxo de um líquido real é dado pela seguinte expressão:

Q = (πr ⁴ / 8ηl) ΔP

Onde Q é o fluxo do líquido, η é sua viscosidade, l é o comprimento do tubo e ΔP é a diferença de pressão.

À medida que o raio de um capilar diminui, a altura da coluna de líquido atingida pela capilaridade deve aumentar indefinidamente. No entanto, Poiseuille ressalta que à medida que o raio diminui, o fluxo de fluido por aquele capilar também diminui.

Além disso, a viscosidade, que é uma medida de resistência ao fluxo de um líquido real, diminuiria ainda mais o fluxo do líquido.

- Ângulo de contato (θ)

Quanto maior o valor de cosθ, maior é a altura da coluna d'água por capilaridade, conforme indicado pela Lei de Jurin.

Se θ é pequeno e se aproxima de zero (0), o cosθ é = 1, então o valor h será máximo. Ao contrário, se θ for igual a 90º, o cosθ = 0 e o valor de h = 0.

Quando o valor de θ é maior que 90º, como é o caso do menisco convexo, o líquido não sobe por capilaridade e tende a descer (como ocorre com o mercúrio).

Capilaridade da água

A água tem um valor de tensão superficial de 72,75 N / m, relativamente alto em comparação com os valores de tensão superficial dos seguintes líquidos:

-Acetona: 22,75 N / m

-Álcool etílico: 22,75 N / m

-Hexano: 18,43 N / m

-Metanol: 22,61 N / m.

Portanto, a água possui uma tensão superficial excepcional, o que favorece o desenvolvimento do fenômeno de capilaridade tão necessário para a absorção de água e nutrientes pelas plantas.

Nas plantas

Fonte: Pixabay

A capilaridade é um mecanismo importante para a ascensão da seiva pelo xilema das plantas, mas por si só é insuficiente para levar a seiva às folhas das árvores.

A transpiração ou evaporação é um mecanismo importante na ascensão da seiva pelo xilema das plantas. As folhas perdem água por meio de sua evaporação, gerando uma diminuição na quantidade de moléculas de água, o que provoca uma atração das moléculas de água presentes nos capilares (xilema).

As moléculas de água não agem independentemente umas das outras, mas sim interagem pelas forças de Van der Waals, o que faz com que elas ascendam juntas através dos capilares das plantas em direção às folhas.

Além desses mecanismos, deve-se observar que as plantas absorvem água do solo por osmose e que uma pressão positiva gerada na raiz, impulsiona o início da subida da água pelos capilares da planta.

Referências

1. García Franco A. (2010). Fenômenos superficiais. Recuperado de: sc.ehu.es
2. Fenômenos de superfície: tensão superficial e capilaridade.. Recuperado de: ugr.es
3. Wikipedia. (2018). Capilaridade. Recuperado de: es.wikipedia.org
4. Risvhan T. (nd) Capilaridade em plantas. Recuperado de: academia.edu
5. Helmenstine, Anne Marie, Ph.D. (22 de dezembro de 2018). Ação capilar: definição e exemplos. Recuperado de: Thoughtco.com
6. Ellen Ellis M. (2018). Ação Capilar da Água: Definição e Exemplos. Estude. Recuperado de: study.com
7. Equipe ScienceStruck. (16 de julho de 2017). Exemplos que explicam o conceito e o significado da ação capilar. Recuperado de: sciencestruck.com