Tension Superficial

TENSION SUPERFICIAL

1. OBJETIVO a) Determinar el valor de la tensión superficial de una sustancia, por el método de un tubo capilar (midiendo la altura de una columna de líquido en un capilar de diámetro conocido.). b) Analizar el efecto de la temperatura sobre la tensión superficial. c) c) Analizar el efecto de la concentración de soluto sobre la tensión superficial.

2. FUNDAMENTO TEORICO S i se detiene a observar un charco de agua estancada notará que en ella ciertos insectos tales como los zancudos, arañas caminan sobre el agua.

La interacción de las partículas en la superficie del agua, hace que esta se presente como una superficie elástica, lo que impide que se pueda ingresar al seno del líquido

Talvez

se

habrá

preguntado por que se forman las gotas

Las fuerzas de tensión superficial tienden a minimizar la energía en la superficie del fluido haciendo que estas tengan una tendencia a una forma esférica. O por que el mercurio no se dispersa y siempre queda como esferas cuando se derrama o como es que se forman las burbujas de jabón con las que juegan los niños. Todos estos hechos se deben a una propiedad de los líquidos denominada “tensión superficial”. Estos hechos que ser observan en la vida diaria se presentan durante los procesos de producción por ejemplo la formación de espumas (cerveza, jabón, etc.); en el desplazamiento de ciertas aves y otros animales en el agua , en el fenómeno de la capilaridad que permite a las plantas llevar agua desde las raíces hasta la parte más alta del tallo y las ramas a través del xilema, el que los adhesivos y pegamentos lleven acabo eficientemente su función y la sangre llegue a los diversos órganos del cuerpo. Una molécula al interior de un líquido esta sometido a fuerzas atractivas (denominadas “fuerzas de cohesión”) en todas las direcciones, no habiendo tendencia en ninguna dirección, siendo la resultante nula en cambio una molécula ubicada en la superficie del líquido sufre la acción de fuerzas de cohesión hacia abajo pero no hacia arriba de la superficie, esto origina una fuerza resultante perpendicular a la superficie que tiende a jalar alas moléculas hacia adentro del

liquido, lo que ocasiona que la superficie se tense como si fuera una película elástica, esta es la propiedad denominada tensión superficial. Los líquidos que tienen fuerzas intermoleculares grandes tienen tensiones superficiales grandes, como el mercurio, el agua.

Esta figura muestra el diagrama de fuerzas actuando sobre el cuerpo fig. 1 CAPILARIDAD La tensión superficial produce un fenómeno denominado capilaridad, el cual se manifiesta por la elevación o descenso de un líquido en un tubo capilar o en placas juntas. La capilaridad es producida por dos tipos de fuerzas: una de atracción intermolecular entre moléculas semejantes denominada cohesión (esta propiedad permite mantener juntas a las moléculas del líquido, resistiendo pequeños esfuerzos de tensión ). Y otra fuerza conocida como adhesión que es la atracción de moléculas distintas (como por ejemplo la que ocurre en el capilar, entre la superficie de vidrio y la película del líquido que lo moja). Dependiendo de las magnitudes relativas de la cohesión del liquido y de la adhesión del liquido a las

paredes del tubo, se produce la elevación o descenso del liquido en el tubo capilar. Si la adhesión es más fuerte que la cohesión (adhesión> cohesión) los líquidos ascienden en tubos que mojan (ver figura 2.a) hasta que la fuerza cohesiva queda balanceada por el peso del agua en el tubo. Si la cohesión es mayor que la adhesión (cohesión >adhesión) (ver figura 2.b) sucede una depresión y los líquidos descienden en tubos a los que mojan. La capilaridad tiene importancia para tubos menores de 10 mm de diámetro. Para tubos con diámetros mayores a 10 mm, este efecto es despreciable.

fig (2.a) Cuando las fuerzas de cohesión son grandes en relación a las fuerzas adhesivas los ángulos de contacto tienden a ser grandes. Cuando las fuerzas de cohesión en relación a las fuerzas de adhesión los ángulos de contacto son pequeños resultando en una tendencia del fluido a mojar la superficie. Se tienen distintos casos de ángulos de contacto entre el líquido y una superficie sólida

Fig. (2.b) Cuando el extremo de un tubo capilar se sumerge verticalmente en un líquido, una película asciende por la pared del capilar hasta que la fuerza de gravedad que actué sobre el líquido en el capilar por encima de la superficie exterior contrapese la tensión en la superficie del capilar, entonces:

Cuando las fuerzas adhesivas son mayores que las fuerzas cohesivas, el menisco tiende a ser cóncavo como en el caso de vidrio y agua. Por otra parte cuando las fuerzas cohesivas son superiores a las adhesivas, el menisco es convexo como en el caso de mercurio en vidrio.

La columna de agua en un tubo capilar se eleva hasta que la componente vertical de la tensión superficial se equilibra con el peso de la columna. F ↑ = componentes verticales debidas a tensión superficial. F ↑ = Cos θ t ∫ L = Cos θ t 2πr ……… (1) F ↓ = PA ……….. (2) P = γh …………. (3) (3) en (2) F ↓ = γhπr2 o

F ↓ =ρghπr2 ............ (4)

En equilibrio : 2πrt Cos θ = ρghπr2 Luego

t= ρghr / 2Cos θ o

t = γhr / 2Cos θ ………….. (5)

Donde: h =Altura del ascenso por capilaridad θ = Angulo de contacto r = Radio del capilar t = Tensión superficial γ = peso específico ρ = densidad del liquido

Para la mayoría de Iquitos

en contactos con superficies de vidrio limpias, el

ángulo de contacto es cero y Cosθ = 1, entonces: t = ρghr / 2……………………. (6) Se acostumbra a adicionar r/3 al valor de h en la ecuación (6) como una corrección para la cantidad de liquido que hay sobre el fondo del menisco, suponiendo a este hemisférico: t = (ρg(h+r/3)r) / 2 …………(7)

MATERIALES Y REACTIVOS Materiales •

Mechero

•

Trípode

•

1 regla (PAPEL MILIMETRADO)

•

Tubos capilares

•

1 pipeta

•

Vasos de precitado de 50 y 250 ml

•

1 termometro.

Reactivos •

Agua destilada

•

Etanol (0.6, 0.3, 0.1, 0.0 de concentracion)

MECHERO

TRÍPODE

TUBO CAPILAR TERMOMETRO

DESCRIBCION DEL METODO a. Agua destilada Determine la altura (h) de ascenso capilar para el agua destilada a: Tabla 1 Temperatura (ºc)

h(m)

Temperatura (ºc)

h(m)

25

9.5

60

5.5

30

7.0

80

5.0

40

6.0

85

4.0

b. A temperatura ambiente, determine el ascenso capilar (h) para las siguientes soluciones de

etanol-agua: Tabla 2

X Fracción molar

h(m)

de etanol

X Fracción molar

h(m)

de etanol

0.6

6.0

0.1

6.5

0.3

9.0

0.0

9.5

: 3. CALCULOS

a) Para el agua destilada Del dato obtenido para el agua destilada a 25 ºc (altura experimental y valor de tensión superficial de tablas), calcular e radio del capilar empleando la ecuación (6). Utilizar este daros para calcular la tensión superficial a las demás temperaturas restantes.

Datos del agua destilada a 25ºC : t = 72 Dina/cm ; ρ = 0.997 g/cm3 t = ρghr / 2 →

Resolviendo:

r= (2*72) / (0.997*980*0.7)

→

r = 2t / ρgh

r = 0.2103 cm

Donde: g = 980 cm/s2 h=0.95 cm

Luego hallando las demás tensiones con los datos de la tabla (1):

a.

A 30ºC tenemos ρ=0.995647 g/cm3 ; h = 0.65 cm

Entonces: t = (0.995647*980*0.65*0.2103) / 2 t = 66 Dina/cm

A 43ºC tenemos ρ=0.992215 g/cm3 ; h = 0.55 cm

b. Entonces:

t = (0.992215*980*0.55*0.2103) / 2 t = 56.22 Dina/cm c. A 70ºC tenemos ρ=0.977 g/cm3 Entonces:

; h = 0.5 cm

t = (0.983200 *980*0.5*0.155138) / 2 t = 50.38 Dina/cm

d.

A 84ºC tenemos ρ=0.961 g/cm3

; h = 0.4 cm

Entonces: t = (0.971799 *980*0.4*0.2103) / 2 t = 39.98 Dina/cm Graficar t vs. T para el agua destilada. Como afecta la temperatura a la tensión superficial. Cuales pueden ser las repercusiones en la ecología

Se observa que mientras aumenta la temperatura la tensión superficial va disminuyendo b. Graficar t vs. X para el sistema etanol-agua. ¿Cual es el comportamiento del sistema a medida que la fracción molar del aumenta?

Para el sistema etanol-agua. Como:

r = 0.155138 cm g =980 cm/s2

Luego hallando las demás tensiones con los datos de la tabla (2):

e. A

X = 0.6 tenemos ρ= 0.90699 g/cm3

; h = 0.6 cm

Entonces: t = (0.90699 *980*0.6*0.155138) / 2 t = 41.35 Dina/cm

f. A X = 0.3 tenemos ρ = 0.99067 g/cm3

; h = 0.9 cm

Entonces: t = (0.99067 *980*0.9*0.155138) / 2 t = 67.76 Dina/cm

g. A X = 0.1 tenemos ρ=0.99043 g/cm3 ; h = 0.65 cm Entonces: t = (0.99043*980*0.65*0.155138) / 2 t = 48.92 Dina/cm h. A

X = 0.0 tenemos ρ = 0.99708 g/cm3

; h = 0.95 cm

Entonces: t = (0.99708*980*0.95*0.155138) / 2 t = 71.98 Dina/cm TENSIÓN DEL SISTEMA ETANOL-AGUA

TENSION DEL SISTEMA ETANOL-AGUA 80 Tension (dina/cm)

70 60 50 40 30 20 10 0 0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

Fraccion molar (X)

Se observa que mientras disminuye la concentración la tensión superficial va aumentando. NOTA: En nuestro experimento no tomamos un punto debido a un error de medida,

puede ser al no tomar la concentración adecuada

o a otra

temperatura. c) ¿Por que el agua posee una temperatura elevada? Dado que las fuerzas intermoleculares de atracción entre moléculas de agua se deben a los enlaces de hidrógeno y éstos representan una alta energía, la tensión superficial del agua es mayor que la de muchos otros líquidos. De esta forma, cuanto mayor sean las fuerzas de cohesión del líquido mayor será su tensión superficial. Podemos ilustrar este ejemplo considerando tres líquidos: hexano, agua y mercurio. En el caso del hexano, las fuerzas intermoleculares son de tipo fuerzas de Van der Waals. El agua, aparte de la de Van der Waals tiene interacciones de

puente de hidrógeno, de mayor intensidad, y el mercurio está sometido al enlace metálico, la más intensa de las tres. d) Averigüe en que consisten los agentes surfactantes. Aplicaciones en la industria. Los tensioactivos llamados también surfactantes o agentes de superficie activa, son especies químicas con una naturaleza o estructura polar-no polar, con tendencia a localizarse en la interfase formando una capa monomolecular adsorbida en la interfase que cambia el valor de la tensión superficial. Las soluciones de tensioactivos resultan ser activas al colocarse en forma de capa monomolecular adsorbida en la superficie entre las fases hidrofílicas e hidrofóbicas. Esta ubicación "impide" el tráfico de moléculas que van de la superficie al interior de líquido en busca de un estado de menor energía, disminuyendo así el fenómeno de tensión superficial.

Aplicación en la industria: SHAMPOO

PARA

EL

CABELLO,

DETERGENTE

PARA

VAJILLA.

JABONES....etc. e) Como es el mecanismo por el cual los detergentes arrasa la suciedad de la ropa La detergencia podría definirse como la "acción de limpiar la superficie de un material sucio en un baño líquido en el que se disuelven uno o varios solutos detergentes- que ayudan a la limpieza. Los sistemas más importantes de detergencia emplean agua como solvente. Un sistema detergente completamente formulado funciona modificando las propiedades de estas interfases, cambiando así la energía de las interacciones entre la suciedad y el sustrato. Por lo general, la sal de un ácido carboxílico es más soluble en agua que el propio ácido. Cuando la parte hidrocarbonada del ácido es muy grande en comparación con el grupo carboxilato, la parte iónica de la molécula interacciona favorablemente con el agua y tiende a disolverse, pero el resto de la cadena no. Las cadenas hidrocarbonadas de moléculas vecinas se atraen mutuamente por fuerzas de Van der Waals más de lo que lo están por las moléculas polares del agua. De hecho son hidrofóbicas, o repelentes de agua, en su comportamiento. La sal de un ácido de cadena larga, pues, tiene dos regiones: una cabeza hidrofílica, el grupo carboxilato soluble en agua, y una cola hidrofóbica, la parte de cadena hidrocarbonada que es repelida por las moléculas del agua y atraída en cambio por las cadenas hidrocarbonadas de las moléculas vecinas. La estructura de estos compuestos provoca una orientación particular de sus moléculas en la superficie del agua: las cabezas están en el agua y las cadenas hidrocarbonadas sobresalen hacia el aire. La concentración de moléculas en la superficie del agua provoca que su tensión superficial disminuya. Los compuestos

que presentan este comportamiento se llaman compuestos tensoactivos o surfactantes o surfactivos. Los jabones son un tipo de compuestos tensoactivos. Todos los buenos surfactantes tienen estructuras con una cabeza hidrofílica y una cola hidrofóbica. Loa ácidos con doce o más átomos de carbono en la cadena hidrocarbonada de la molécula presentan un comportamiento tensoactivo. f) Antiguos pobladores peruanos usaban el choloque para lavar su

ropa, explique

científicamente lo que ocurre. El Choloque. El nombre es alusivo al de un árbol de la familia de las Sapindáceas, originario del Perú en zonas cálidas y cuyos frutos se usan a manera de jabón. Así como el jabón el choloque disminuye la tensión superficial del agua. Actúa como una sustancia tensioactiva (generan espuma). Antiguos pobladores utilizan el choloque como la penca y los modernos “jabón-detergente” El choloque, es una semilla que también se le conoce como jaboncillo, pues se comporta como tal, disminuyendo la tensión superficial del agua. Las moléculas de jabón se orientan y se disponen en la interfase con la cabeza hacia el agua y la ropa. Si se agita este sistema, el grasa o suciedad se subdivide en gotitas y cada una es rodeada por agua. Cada glóbulo de grasa tiene a su alrededor cargas eléctricas del mismo signo que, al repelerse, hacen que las partículas grasas queden separadas entre sí. Se dice, por esta propiedad, que el jabón emulsifíca las grasas.

EL stone wash, o al lavar golpeando la ropa es otra forma de disminuir la tensión superficial del agua, pues por fricción estamos aumentando la temperatura, y se sabe que al aumentar la temperatura disminuye la tensión superficial de los líquidos.

CONCLUSIONES: •

A mayor temperatura menor va a ser la tensión superficial, ya que la fuerza de cohesión entre las moléculas va disminuyendo.

•

A mayor concentración menor va a ser la tensión superficial. Esto va hacer diferente para cada mezcla debido a que cada uno de ellos tiene diferentes fuerzas de cohesión entre ellas.

BIBLIOGRAFÍA: •

Fisicoquímica. G. Castellan. Fisicoquímica, Wesley-Longman,segunda edicion

•

Pons muzzo, fisicoquímica, Física. Atkins. (ed. Omega). 1999.

•

http://es.wikipedia.den/wiki/densidad de liquido