Por Ricardo Pedro
As propriedades dos tensoativos (e, portanto, sua aplicação) dependem basicamente de sua estrutura química. A maior parte das propriedades dos tensoativos está relacionada a fenômenos de superfície, destacando-se a redução da tensão superficial ou interfacial, a detergência, a umectância ou molhabilidade, a formação, estabilização, quebra ou supressão de espuma, a emulsificação, entre outras. Em geral, a propriedade de caráter mais marcante dita a aplicação principal do tensoativo, que é, com isso, classificado como detergente, umectante, espumante, anti-espumante, estabilizante ou supressor de espuma, emulsionante, entre outros.
Redução da tensão superficial e interfacial
A tensão interfacial entre um líquido puro e seu vapor, ou entre dois líquidos imiscíveis ou parcialmente miscíveis, reflete as diferenças das forças de atração atuando nas moléculas da interface como um resultado das diferenças de densidade ou composições químicas das duas fases. A existência de fases condensadas, especialmente o estado líquido, é o resultado da atração de van der Waals entre as moléculas, na ausência de outros tipos de interações. Por simplicidade, considere-se um líquido cujas moléculas são rodeadas por um “campo de força” uniforme, de modo que a força resultante atuando em cada molécula seja nula. As moléculas localizadas na interface, ou próximas dela, por outro lado, experimentam um campo distorcido resultando em uma atração das moléculas da superfície pela solução. A força de atração desbalanceada, atuando nas moléculas da superfície, causa uma contração espontânea para formar, na ausência de gravidade, uma gota esférica.
Para facilitar o entendimento do conceito de tensão superficial de um líquido é conveniente defini-la como a força atuando tangencialmente em todos os pontos de uma superfície, cujo resultado líquido é a aparente formação de um filme superficial, o qual se contrai para confinar o líquido em uma forma de mínima área superficial. A interface entre dois líquidos imiscíveis pode ser vista de uma maneira similar, exceto que a presença de uma segunda fase líquida mais densa resulta em um menor desequilíbrio das forças atuantes nas moléculas do líquido da interface e, conseqüentemente, um menor valor para a tensão interfacial.
Os conceitos de tensão superficial ou interfacial dados anteriormente são simplistas no sentido de que implicam que a superfície ou a interface seja estática. Na realidade, há uma constante e, para líquidos e gases, rápida troca de moléculas entre a solução e regiões interfaciais e entre a fase líquida e a fase vapor. Assume-se que as moléculas deixam a região superficial ou interfacial à mesma velocidade com que chegam. Uma molécula de água a 25°C tem um tempo de residência médio de 3 µs ou menos na interface ar/água. Com tamanha mobilidade molecular é claro que a superfície de um líquido puro oferece pequena resistência às forças que podem atuar na mudança de sua forma, ou seja, há uma resistência elástica ou viscosa muito pequena para a deformação da superfície. Uma conseqüência física deste fato é que um líquido puro não sustenta uma espuma por mais de uma pequena fração de segundo. Uma situação similar existe para a interface líquido/líquido.
Devido à mobilidade das moléculas nas superfícies fluidas não é surpreendente que a temperatura tenha um efeito na tensão superficial de um sistema. À medida que a temperatura de um sistema aumenta, a tensão superficial de quase todos os líquidos decresce. Em temperaturas próximas à temperatura crítica do líquido as forças de coesão entre as moléculas se tornam muito pequenas, e a tensão superficial se aproxima de zero.
A tensão superficial da água a 20°C é aproximadamente 73 mN/m. Tecnicamente falando, um determinado composto químico é considerado como um tensoativo eficiente quando a 20°C e à concentração de 0,1% diminui a tensão superficial da água para, aproximadamente, 35 mN/m.
Existem vários métodos experimentais para a determinação da tensão superficial. A escolha do mais adequado depende da precisão desejada, disponibilidade do equipamento e condições experimentais. O mais simples e o mais utilizado é o chamado método do anel, onde se mede a força necessária para desprender um anel de platina da superfície ou interface através do braço de uma balança ou torção provocada em um fio, o que se constitui no tensiômetro de Du Noüy.
A tensão superficial é possivelmente uma das propriedades mais importantes usadas na caracterização dos tensoativos. Uma vez que a tensão de um líquido é determinada pela energia das moléculas na região da interface, o deslocamento destas moléculas por um soluto adsorvido nesta região irá afetar diretamente o valor medido. É a relação entre a estrutura química e a velocidade e grau de adsorção na interface ou superfície, sob determinadas condições, que diferencia os vários tipos de tensoativos e, com isso, determina sua utilização onde a redução da tensão superficial é importante. Pode-se dizer que a maioria das propriedades dos tensoativos depende de sua eficiência na redução da tensão superficial.
As características moleculares necessárias para um material atuar como tensoativo em solução aquosa têm sido extensamente discutidas na literatura. É útil, entretanto, reiterar as funções básicas dos grupos moleculares de maneira a entender seus efeitos na tensão superficial. O grupo hidrofílico impõe à molécula tensoativa a sua solubilidade em água em uma faixa de concentração que a torna útil para determinado propósito. O grupo hidrofóbico de um tensoativo tem duas funções primordiais: (i) conduz a propriedades de solubilidade que favorecem a adsorção do tensoativo preferencialmente nas interfaces e (ii) altera a energia de interação entre a interface do líquido e as moléculas do gás de contato. Cada uma destas funções está diretamente relacionada à natureza química do grupo hidrofóbico e, em alguns casos, do grupo hidrofílico.
Referências Meyers, D., Surfactant Science and Technology, 20th ed., VCH Publishers, Inc. New York (1988) Rosen, M. J., Surfactants and interfacial phenomena, John Wiley & Sons, New York 2nd ed. (1989)