TENSION SUPERFICIALLaboratorio de Fisicoquímica I

INTRODUCCION

Las fuerzas de atracción y de repulsión intermolecular afectan a propiedades de la materia como el punto de ebullición, de fusión, el calor de vaporización y la tensión superficial.

Dentro de un líquido, alrededor de una molécula actúan atracciones simétricas pero en la superficie, una molécula se encuentra sólo parcialmente rodeada por moléculas y en consecuencia es atraída hacia adentro del líquido por las moléculas que la rodean. Esta fuerza de atracción tiende a arrastrar a las moléculas de la superficie hacia el interior del líquido (tensión superficial), y al hacerlo el líquido se comporta como si estuviera rodeado por una membrana invisible.

La tensión superficial es responsable de la resistencia que un líquido presenta a la penetración de su superficie, de la tendencia a la forma esférica de las gotas de un líquido, del ascenso de los líquidos en los tubos capilares y de la flotación de objetos u organismos en la superficie de los líquidos.

Termodinámicamente la tensión superficial es un fenómeno de superficie y es la tendencia de un líquido a disminuir su superficie hasta que su energía de superficie potencial es mínima, condición necesaria para que el equilibrio sea estable. Como la esfera presenta un área mínima para un volumen dado, entonces por la acción de la tensión superficial, la tendencia de una porción de un líquido lleva a formar una esfera o a que se produzca una superficie curva o menisco cuando está en contacto un líquido con un recipiente.

A la fuerza que actúa por centímetro de longitud de una película que se extiende se le llama tensión superficial del líquido, la cual actúa como una fuerza que se opone al aumento de área del líquido. La tensión superficial es numéricamente igual a la proporción de aumento de la energía superficial con el área y se mide en erg/cm2 o en dinas/cm. La energía superficial por centímetro cuadrado se representa con la letra griega gamma (γ).

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TENSIÓN SUPERFICIAL

I. OBJETIVOS:

Determinar el valor de la tensión superficial de una sustancia, por el método del tubo capilar.

Analizar el efecto de la temperatura sobre la tensión superficial.

II. FUNDAMENTO TEÓRICO:

DEFINICIÓN:

Se denomina tensión superficial de un líquido a la cantidad de energía necesaria para disminuir su superficie por unidad de área. Esta definición implica que el líquido tiene una resistencia para disminuir su superficie. Este efecto permite a algunos insectos, como el zapatero (Gerris lacustris) , desplazarse por la superficie del agua sin hundirse. La tensión superficial (una manifestación de las fuerzas intermoleculares en los líquidos), junto a las fuerzas que se dan entre los líquidos y las superficies sólidas que entran en contacto con ellos, da lugar a la capilaridad.

CAUSA:

A nivel microscópico, la tensión superficial se debe a que las fuerzas que afectan a cada molécula son diferentes en el interior del líquido y en la superficie. Así, en el seno de un líquido cada molécula está sometida a fuerzas de atracción que en promedio se anulan. Esto permite que la molécula tenga una energía bastante baja. Sin embargo, en la superficie hay una fuerza neta hacia el interior del líquido. Rigurosamente, si en el exterior del líquido se tiene un gas, existirá una mínima fuerza atractiva hacia el exterior, aunque en la realidad esta fuerza es despreciable debido a la gran diferencia de densidades entre el líquido y el gas.

Otra manera de verlo es que una molécula en contacto con su vecina está en un estado menor de energía que si no estuviera en contacto con dicha vecina. Las moléculas interiores tienen todos las moléculas vecinas que podrían tener, pero las partículas de contorno tienen menos partículas vecinas que las interiores y por eso tienen un estado más alto de energía. Para el líquido minimizar su estado energético es por tanto minimizar el número de partículas en su superficie.

Energéticamente, las moléculas situadas en la superficie tiene una mayor energía promedio que las situadas en el interior, por lo tanto la tendencia del sistema será a disminuir la energía total, y ello se logra disminuyendo el número de moléculas situadas en la superficie, de ahí la reducción de área hasta el mínimo posible.

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Como resultado de minimizar la superficie, una superficie asumirá la forma más suave que pueda ya que está probado matemáticamente que las superficies minimizan el área por la ecuación de Euler-Lagrange. De esta forma el líquido intentará reducir cualquier curvatura en su superficie para disminuir su estado de energía de la misma forma que una pelota cae al suelo para disminuir su potencial gravitacional.

MÉTODOS PARA DETERMINAR LA TENSIÓN SUPERFICIAL:

Existen varios métodos para determinar la tensión superficial; unos podrían ser estáticos o dinámicos, dependiendo del tiempo de permanencia de la superficie o también métodos basados en tubos capilares o superficies curvas.

Ascenso Capilar.- Cuando un líquido asciende por un tubo capilar y moja las paredes del tubo, forma un menisco cóncavo en la superficie líquido-aire en virtud de una diferencia de presión entre el líquido contenido en el recipiente y la presión del líquido en el interior del capilar. Esta diferencia de presión provoca un ascenso del líquido en el interior del capilar que se detiene en el momento en que las presiones son iguales, es decir la presión hidrostática de la columna de líquido en el capilar y la presión fuera del mismo.

 

Por tanto, mientras más suba el líquido por el capilar, la diferencia de presiones es mayor y por lo tanto mayor es el valor de la tensión superficial del líquido. Esto está representado en la ecuación de Young-Laplace

donde se observa que la tensión superficial depende directamente de la diferencia de presiones mientras que el radio del capilar la afecta inversamente.

Otros fenómenos que influyen en el ascenso o descenso del líquido por un capilar es el valor relativo de las fuerzas de cohesión entre las moléculas de un mismo líquido y las fuerzas de adhesión entre el líquido y las paredes del tubo.

Estas fuerzas determinan el ángulo de contacto que forma el líquido con las paredes del tubo. Sí este ángulo es pequeño se dice que el líquido moja la superficie y se forma entonces un menisco cóncavo.

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El método de un capilar utiliza la siguiente ecuación

donde h = altura de la columna líquida dentro del capilar, g = aceleración debida a la gravedad ; r es el radio del capilar ; p densidad del líquido en cuestión.

Para ángulos de contacto que tienden a cero y líquidos que mojan totalmente las paredes de los capilares, el ángulo = 0 entonces la fórmula a seguir es:

Método de doble capilar.- Con el propósito de tener mejores resultados, una variante del método es introducir un segundo capilar de diferente diámetro que el primero, así las alturas serán diferentes ya que resultan ser inversamente proporcionales a los radios de sus respectivos capilares. Aquí, lo importante es medir la diferencia de alturas entre el radio 1 (el tubo capilar de menor diámetro) y el radio 2 (tubo capilar de mayor diámetro).

La ecuación para dos capilares deriva de la de un capilar, quedando de la siguiente forma:

Donde:

h1 y h2 son las alturas del líquido en el tubo capilar de radio más pequeño y del menos pequeño respectivamente

r es la densidad del líquido problema; r1 y r2 son los radios más pequeño y menos pequeño respectivamente.

Como se aprecia en la formula, es necesario conocer los radios de los capilares, sin embargo esta medición resulta difícil de hacer e inexacta, por lo que recurrimos a un líquido de referencia cuya tensión superficial y densidad sea conocida y despejamos en la ecuación:

Presión de Burbuja: Cuando se coloca un tubo dentro de un líquido y que se inyecta un gas dentro del tubo, se forma una burbuja.

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Se puede demostrar que la presión pasa por un máximo cuando el diámetro de la burbuja iguala al diámetro del tubo capilar.

En efecto si el diámetro excede este valor la burbuja crece y se despega. Un cálculo semejante al anterior llega a la expresión de la presión máxima:

En términos simples se puede decir que el gas tiene que vencer la presión capilar más la presión hidrostática.

Ciertos aparatos de medición en continuo (y aparatos de control) están basados sobre este principio, ya que basta disponer de una fuente de gas a presión levemente superior a la necesaria, y dejar que se escape algo de gas hasta que la presión se equilibre.

Es un buen método para medición en línea en una planta industrial. Sin embargo no es el más indicado para una medición de laboratorio.

Los problemas encontrados con este método son la determinación del radio exacto de mojabilidad (debido al espesor no nulo de la pared del capilar), así como del radio de la burbuja (no necesariamente esférica). Además este método produce un área superficial nueva, y por tanto es un método dinámico.

Gota pendiente o colgante: Cuando se deja colgar una gota de un gotero, se produce una geometría de equilibrio entre la fuerza de gravedad que tiende a estirar la gota y la fuerza de tensión que tiende a encogerla.

La medida de los diámetros d1 y d2 definidos, permite hallar la tensión interfacial mediante los nomogramas de Andreas, Hauser y otros.

Este método es relativamente simple, ya que exige solamente medir dos longitudes, lo cual se hace fácilmente con un telemicroscopio o sobre una macrofotografía. Sin embargo se requiere una cierta destreza experimental para formar una gota estable (en general con una bureta micrométrica) y para mantenerla libre de oscilación.

El método se aplica para tensiones intermedias, ya que es poco preciso para tensiones muy altas (la gota es esencialmente esférica) y que por otra parte la gota tiende a descolgarse si la tensión es muy baja ( < 0,01 dina/cm).

III. METODOLOGIA1. REQUERIMIENTOS

- Materiales

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Capilares. Vaso precipitados Mechero. Termómetro. Rejilla.

- Equipos Estufa Balanza Analítica

- Reactivos Ciclohexano Agua Hielo

2. TÉCNICAS O MÉTODOS.

- Para obtener la tensión superficial de una muestra, armamos un equipo simple, para lo cual usamos unos vasos de precipitación, un termómetro, tubos capilares, una regla, agua y una sustancia problema.

- El procedimiento que se dará a continuación nos permitirá obtener las alturas a los cuales asciende el agua y la muestra problema en el tubo capilar a diferentes temperaturas de 8ºC a 30ºC.

- Primeramente adaptemos las condiciones del agua a 7ºC aprox. en el vaso, seguidamente introducimos un tubo capilar junto con una regla y lo dejamos hasta que la temperatura ascienda de 8ºC a 10ºC.

- Similarmente se realiza para cuando aumentamos la temperatura del agua de 12ºC a 14ºC, 16ºC a 18ºC, 20ºC a 22ºC, 24ºC a 26ºC Y de 28ºC a 30ºC.

3. DATOS EXPERIMENTALES

Medidas de aguaTemperatura(°C)

peso

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Medidas de ciclohexanoTemperatura(°C) h

9 0,05

16 0,35

21 0,4725 0,6

31 0,72

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9 0, 814 1,322 1,626 1,731 1,9

Entonces hallamos la tensión superficial mediante la siguiente formula :

Donde:

- = tensión superficial del liquido muestra a una temperatura T

- ρ = densidad del agua a una temperatura T - h = altura que asciende el capilar

Entonces:

a) Para el Ciclohexano:

A una temperatura de 9°C

= 16.25N.m-1

A una temperatura de 16°C

= 17.96N.m-1

A una temperatura de 21°C

= 18.37N.m-1

A una temperatura de 25°C

= 19.19N.m-1

A una temperatura de 31°C

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= 23.07.m-1

b) Para el agua:

A una temperatura de 9°C

= 39.19 N.m-1

A una temperatura de 14°C

= 63.69 N.m-1

A una temperatura de 26°C

= 83.13 N.m-1

A una temperatura de 31°C

= 93.08 N.m-1

IV. RESULTADOS:

Medidas con el ciclo hexanoTemperatura (°C)

Tensión superficial)

9 16.2516 17.9621 18.3725 19.1931 23.07

CALCULANDO EL PORCENTAJE DE ERROR:%ERROR = I VALOR TEORICO - VALOR EXPERIMENTAL I X 100%

VALOR TEORICO

ERROR PARA EL CICLO HEXANO a 20°C:

ERROR (%) = ((19.19-18.43)/18.43)*100=4.12%

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V. CONCLUSIONES

La altura a la que se eleva o desciende un líquido en un capilar es directamente proporcional a su tensión superficial y está en razón inversa a la densidad del líquido y del radio del tubo.

El aumentar la temperatura tiene como consecuencia la disminución de la tensión superficial.

El método de ascenso capilar es confiable en la determinación de la tensión superficial de un líquido.

La tensión superficial es directamente proporcional a la concentración, en el uso de electrolitos fuertes. Para el electrolito débil y para el tensoactivo, la tensión superficial es inversamente proporcional a la concentración, aunque en diferente proporción.

VI. ECOMENDACIONES

Antes de comenzar a trabajar, revisar el equipo y en especial el capilar, de tal forma que deberá estar muy limpio y seco con la ayuda de una mezcla sulfocrómica y después lavado con agua destilada.

El capilar y el tubo con el papel milimetrado deben estar, entre si, paralelos.

Conocimiento de sus valores fisicoquímicos de densidad y tensión superficial a la temperatura de trabajo del líquido de referencia.

Trabajar varias veces el procedimiento a fin de tener el mismo resultado por triplicado. Las soluciones de tenso activo producen mucha espuma, es muy importante de evitar cualquier burbuja en el interior de los capilares ya que alteraría el valor de la altura de la columna líquida, las anteriores advertencias son con el fin de minimizar el porcentaje de error de la práctica.

VII. BIBLIOGRAFÍA

FUNDAMENTOS DE FISICOQUIMICA Crockford, Kings.

FISICOQUIMICA Levine Iran. editorial MC. Graw

FISICOQUIMICA Castellan G.W.

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