LU11LFQI-D UNIVERSIDAD NACIONAL MAYOR DE SAN MARCOS FACULTAD DE QUIMICA E ING. QUIMICA DEPARTAMENTO ACADEMICO DE FISICOQUIMICA
LABORATORIO DE FISICOQUIMICA TEMA
TENSION SUPERFICIAL
PROFESOR
Ing. ALEJANDRO YARANGO ROJAS
ALUMNO
MORENO MEDINA JHON ANTHONY
FECHA DE REALIZADO FECHA DE ENTREGA
21-11-14 28-11-14
Ciudad Universitaria
INDICE
RESUMEN.................................................................................................................. INTRODUCCION........................................................................................................ PRINCIPIOS TEORICOS........................................................................................... TABLA DE DATOS..................................................................................................... EJEMPLO DE CALCULO........................................................................................ DISCUSION DE RESULTADOS.............................................................................. CONCLUSIONES..................................................................................................... RECOMENDACIONES............................................................................................. BIBLIOGRAFIA........................................................................................................ APENDICE...............................................................................................................
RESUMEN En el presente informe se expone el tema de tensión superficial la cual se define como una manifestación de las fuerzas atractivas que mantienen unidas LABORATORIO DE FISICOQUIMICA Página 2
a las moléculas de un líquido o sólido, de tal forma la tensión superficial de un líquido es la fuerza en dinas por centímetro de borde de la película que se opone a la expansión de la superficie. El objetivo de esta práctica fue determinar la tensión superficial de líquidos orgánicos, en este caso el alcohol etílico (etanol) y su variación con la temperatura por el método de la elevación capilar a partir de un líquido de referencia, en nuestro caso agua desionizada. La experiencia se realizó bajo P=756mmHg, T=22°C y %Hrel=96%.
las
condiciones
de
laboratorio
de:
Para determinar la tensión superficial del etanol se utilizó el método de elevación capilar el cual se basa en que el líquido subirá por el interior del tubo capilar hasta un altura suficiente para que el peso de la columna liquida iguale a dicho esfuerzo, manteniéndose arriba del tubo capilar por la acción de la tensión superficial. Se armó el equipo, determinando primero la variación de las alturas para el líquido de referencia a 10, 20 y 30ºC, luego se secó el capilar y el recipiente donde contiene el líquido para luego realizar el mismo procedimiento con etanol QP a las mismas condiciones de temperatura y volumen. Se obtuvieron valores de la tensión superficial ()
del etanol a 10, 20 y 30ºC,
siendo estas equivalentes a 27.43, 28.54 y 29.36 dinas/cm respectivamente; con porcentajes de error igual a -16.18, -25.45 y -30.38% respectivamente. Se concluye de la experiencia que 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, la temperatura y del radio del tubo. Además el aumento de la temperatura, provoca una disminución en la tensión superficial de los líquidos. Antes de comenzar a trabajar, se debe revisar el equipo y en especial los capilares, de tal forma que se encuentren limpios y secos para así evitar los posibles errores (como los cometidos en esta práctica), por interferencia de sustancias extrañas como grasas o detergentes que modifiquen el valor de la tensión superficial del líquido en estudio. Además de tener mucha concentración a la hora de observar las alturas.
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INTRODUCCIÓN La determinación de las propiedades físicas de los líquidos (Densidad, viscosidad, compresibilidad, tensión superficial) juega un papel importante en diferentes campos a nivel industrial. Esta última propiedad por ejemplo es muy estudiada en la industria de los surfactantes, también conocidos como agentes tenso activos o detergentes. Estas características peculiares hacen posible que al aumentar la concentración, las moléculas se agreguen en determinadas formas para obtener un mínimo de energía libre en el sistema. Este proceso es espontáneo y los agregados macromoleculares que se forman se denominan en general micelas. La tensión superficial es responsable de la resistencia que un líquido presenta a la penetración de su superficie, la tendencia esférica de las gotas que forman 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. La tensión superficial además son estudiados en diversas aplicaciones como: medicina, procesos biológicos, soldadura aeroespacial, automotriz, etc.
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PRINCIPIOS TEORICOS TENSION SUPERFICIAL Los líquidos tienden a adoptar formas que minimicen su área superficial, condiciones en las que existe un mayor número de moléculas en el interior de la fase que están totalmente rodeadas, y por tanto interaccionando con las vecinas. Las gotas de líquido tienden a ser esféricas, debido a que la esfera es la forma geométrica con menor relación superficie- volumen. No obstante, existen otras fuerzas presentes que compiten con la tendencia a adoptar la forma ideal como, por ejemplo, la gravedad que puede aplastar las esferas formando los charcos o los océanos. Los efectos superficiales se pueden estudiar utilizando el lenguaje de las energías de Helmholtz y Gibbs. La conexión entre estas magnitudes y el área superficial la da el trabajo necesario para modificar en una cierta extensión el área y el hecho de que dA y dG sean iguales (bajo diferentes condiciones) al trabajo realizado al variar la energía de un sistema. El trabajo necesario para modificar el área superficial, de una muestra en una cantidad infinitesimal d y se escribe: dw=d
La constante de proporcionalidad, recibe el nombre de tensión superficial; sus dimensiones son energía/área y sus unidades son normalmente joule por metro cuadrado (J m-2). Sin embargo, los valores de se suelen dar en N m1. El trabajo necesario para formar una superficie a volumen y temperatura constantes se puede identificar con la variación de la energía de Helmholtz y se puede escribir dA=d
Puesto que la energía de Helmholtz disminuye (dA<0) si el área disminuye (d<0), las superficies tienen una tendencia natural a contraerse. Ésta es una manera más formal de expresar lo que habíamos descrito anteriormente.
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COHESIÓN Y ADHESIÓN La atracción entre moléculas que mantiene unidas las partículas de una sustancia. La cohesión es distinta de la adhesión; la cohesión es la fuerza de atracción entre partículas adyacentes dentro de un mismo cuerpo, mientras que la adhesión es la interacción entre las superficies de distintos cuerpos. CAPILARIDAD La capilaridad de los líquidos se debe a que la atracción de sus moléculas por la superficie con la que están en contacto (adhesión) es mayor o menor que la atracción que experimentan entre ellas mismas (cohesión). Las moléculas de agua, por ejemplo, se atraen menos entre sí de lo que son atraídas por el vidrio, por lo que el agua asciende por un tubo de vidrio delgado sumergido en un recipiente con agua. Las moléculas de mercurio, en cambio, se atraen más entre sí de lo que atraen al vidrio, por lo que el mercurio baja por un tubo de vidrio delgado sumergido en un recipiente con mercurio. TENSIÓN SUPERFICIAL COMO UNA FUNCIÓN DE LA TEMPERATURA La tensión superficial de los líquidos disminuye con la elevación de la temperatura. La mayor agitación a temperaturas más altas, baja la resultante con la fuerza de atracción jalando a las moléculas hacia el interior. Ramsay e Shields han comprobado que la tensión superficial se anula a los 6° centígrados antes de la temperatura crítica. Esto último está de acuerdo con el criterio que el punto crítico es más bien una región que un punto, pues la superficie de separación liquido-vapor se nota que desaparece unos cuantos grados antes de la temperatura en la cual el líquido deja de existir. La relación entre la tensión superficial y la temperatura es aproximadamente lineal. Cerca de la temperatura critica, la tensión superficial varia lentamente con la elevación de la temperatura. La variación de la energía superficial molar con la temperatura se puede representar por la ecuación de Ramsay-Shields-Eötvos: Y(M/p)2/3=k(Tc – T – 6)
Y: tensión superficial M: Peso molecular P: Densidad del líquido a la temperatura (T) T: Temperatura del experimento LABORATORIO DE FISICOQUIMICA Página 6
Y(M/p)2/3 : Energía superficial molar Ramsay-Shields encontraron para un grupo de líquidos el valor de k=2.12; tales líquidos se conocen como líquidos normales. TENSION SUPERFICIAL RELATIVA Se puede determinar la tensión superficial de un líquido desconocido usando un líquido de referencia. 1 h 1 ρ1 = 2 h 2 ρ2 TENSION SUPERFICIAL DE SOLUCIONES
Incremento de Tensión Superficial debido a solutos como ácidos fuertes Disminución de Tensión Superficial debido al agregado de electrolitos débiles o no electrolitos. Agregados de sustancias tenso activas (jabones, espumantes) tienen la capacidad de disminuir la tensión superficial del agua a valores muy bajos, aun cuando este a concentraciones muy pequeñas.
MÉTODO DE LA ELEVACIÓN CAPILAR El extremo del tubo capilar se sumerge verticalmente en un líquido, una película de este asciende por la pared del capilar, siendo la superficie libre del líquido en el capilar de forma cóncava. La película que constituye esta superficie tiende a contraerse en virtud de su tensión superficial y por lo tanto esta ejerce un esfuerzo hacia el centro de la espera de la cual forma parte la superficie, es decir hacia arriba. La causa de la elevación del líquido en el capilar puede explicarse por la diferencia de presión atravesó F 1=2 πrγ del menisco o por la tendencia del líquido a presentar la menor área superficial posible. En consecuencia el líquido subirá por el interior del tubo capilar hasta un altura suficiente para que el peso de la columna liquida iguale a dicho esfuerzo o a la energía superficial. Un líquido se mantiene arriba del tubo capilar por la acción de la tensión superficial que es una fuerza ascendente igual a:
La fuerza descendente debida a la gravedad que actúa sobre el líquido en el capilar por encima de la superficie exterior es: F 2=π r 2 ρhg
En el equilibrio la fuerza se igualan:
hρgr γ= 2
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ascendente y la descendente
TABLA DE DATOS 1.-DATOS EXPERIMENTALES TABLA #1: CONDICIONES EXPERIMENTALES DEL LABORATORIO
Temperatura : T(ºC)
Presión (mmHg)
23
%humedad relativa(HR)
756
92
TABLA #2: VARIACION DE LAS ALTURAS DEL AGUA Y EL ETANOL EN EL CAPILAR EN FUNCION A LA TEMPERTAURA PARA LA DETERMINACION DE LA TENSION SUPERFICIAL DEL ETANOL QP
LIQUIDOS
AGUA
ETANOL QP
T(°C)
h1
h2
h3
H4
10
3.0
2.9
3.0
3.0
20
2.6
2.5
2.6
2.6
30
2.3
2.4
2.3
2.3
10
1.4
1.3
1.4
1.4
20
1.3
1.3
1.2
1.3
30
1.2
1.2
1.3
1.2
3.-DATOS TEORICOS TABLA #3: DATOS TEORICOS DE LA DENSIDAD Y LA TENSION SUPERFICIAL DEL AGUA Y EL ETANOL QP(*) LIQUIDOS AGUA
TEMPERATURA(°C)
ρ (g/mL)
γ (dinas/cm)
10
0.999728
74.22
20
0.998234
72.75
30
0.995678
71.18
10
0.79788
23.61
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ETANOL QP
20
0.78945
22.75
30
0.78097
21.89
REFERENCIAS: (*) Handbook of Chemistry and Phisics 53° Edición, Pág. F-5-30-31 (**)Perry’s Chemical Engineers Handbook, 8° edición, págs. 2-55 al 2-60
TABLA #4: DATOS TEÓRICOS DEL ETANOL QP: ´ M
46.0684 g/mol
Tc
241°C
REFERENCIA: *Grace Baysinger, Lev I. Berger, Robert N. Goldberg, William M. Haynes, “CRC Handbook of Chemistry and Physics”, 64th edition, Ed. Advisory Board, 1983, pág: 902, 913.
2.-RESULTADOS TABLA #5: VALORES DE LA TENSION SUPERFICIAL DEL ETANOL POR EL METOD DEL ELEVACION CAPILAR
SUSTANCIA ETANOL QP
T(°C)
γ (dinas/cm)
hprom
10
1.38
27.43
20
1.28
28.54
30
1.22
29.36
TABLA #6: DETERMINACION DEL RADIO CAPILAR SUSTANCIA AGUA
T(°C)
hprom
r(cm)
10
2.98
0.0508
20
2.58
0.0576
30
2.32
0.0629
TABLA #7: Valores de (M/)2/3 vs (Tc – 6 – T ) para hallar la constante de Eötvös T(°C) 10
(M/)2/3 409.77
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Tc – 6 – T (°C) 225
20 30
429.38 444.91
215 205
TABLA #8: %ERROR EN LA DETERMINACION DE LA TENSION SUPERFICIAL DEL METANOL POR EL METODO DE LA ELEVACION CAPILAR TEMPERATURA (°C) 10
%ERROR −16.18
20
−25.45
30
−30.38
EJEMPLO DE CÁLCULOS 1. Determinación de la tensión superficial experimental Para hallar la tensión superficial del etanol se usará al agua como líquido de referencia, para la cual se utilizará los valores teóricos de y del agua en la fórmula de tensión superficial relativa: LABORATORIO DE FISICOQUIMICAPágina 10
❑C2 H 5OH hC 2 H 5 OH .❑C 2 H 5 OH = ❑H O hH O .H O 2
2
❑C 2 H 5OH =
2
hC 2 H 5 OH . ❑C 2 H 5 OH ❑H O hH O . ❑ H O 2
2
2
Donde: hC 2 H 5 OH = altura promedio del etanol en el capilar ❑C 2 H 5OH = densidad del etanol hH O
= altura promedio del agua en el capilar
❑H
= densidad del agua
2
2
O
Cálculo de la tensión superficial del etanol a 10°C: ❑C 2 H 5OH =
1.38 ×0.79788 ×71.97 2.98 ×74.22
❑C 2 H 5OH =27.43
dinas cm
De la misma manera se calcula las tensiones superficiales a 20°C y 30°C 2. Cálculo del radio del capilar La tensión superficial también se puede expresar de la forma: ¿
h gr 2
Despejando r: Donde:
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r=
2 h..g
hC 2 H 5 OH = altura promedio del etanol en el capilar ❑C 2 H 5OH = densidad del etanol g
= gravedad (cm/s)
r
= radio del capilar
Calculando el radio del capilar: T=10ºC r=
2×74.22 2.98 ×0.999728 × 980
r=0.0508 cm
De la misma manera se calculan los radios a 20°C y 30°C y se obtiene un promedio. 3. Tensión superficial como una función de la temperatura La relación entre la temperatura y la tensión superficial de un líquido o no asociado está representada con toda exactitud por la ecuación de Ramsay-Shield-Eötvös : 2
M /¿ 3 =( Tc – 6 ° – T ) ¿ Donde: = densidad del líquido M= peso molecular Tc= temperatura crítica del líquido 2 3
M /¿ =¿ Energía superficial libre molar ¿ Cálculo de la energía superficial libre molar a 10°C LABORATORIO DE FISICOQUIMICAPágina 12
2
46.0684 /0.79788 ¿ 3 2
M / ¿ 3 =27.43 ¿ ¿ 2 3
M /¿ =¿ 409.7754 ¿ Cálculo de Tc – 6 – T en Tc – 6 ° C – T =241 ° C−6 ° C−10 ° C
Tc – 6 ° C – T =225 ° C Luego se calculó a las temperaturas de 20°C y 30°C para plotear 2
M ¿ 3 vs (Tc – 6 – T ) :¿
4. Cálculo de los porcentajes de error %error=
teórico−e xperimental x 100 teórico
A 10°C: %E=
23.61−27.43 X 100 =−16.18 23.61
A 20°C: %E=
22.75−28.54 X 100 =−25.45 22.75
A 30°C: %E=
21.89−29.36 X 100 =−30.38 21.89
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DISCUSIÓN DE RESULTADOS Los resultados que se obtuvieron no tienen concordancia con los datos teóricos, según estos resultados la tensión superficial seria directamente proporcional a la temperatura. Pero esta conclusión es completamente errónea; porque se sabe teóricamente y experimentalmente que: A partir de los datos experimentales se obtendría de la experiencia los valores de la tensión superficial la cual tendría relación inversa y dependería de la temperatura. También que a medida que se aumentase la temperatura se incrementaría el porcentaje de error. Esto se debe básicamente a los errores cometidos al anotar las alturas en el capilar tanto para el agua como para el etanol. Por lo tanto básicamente el error se debe a un error personal. En esta experiencia se tomaron dos líquidos para realizarle sus medidas de alturas a temperaturas de 25, 35 y 45 °C, los líquidos usados fueron el agua y el metanol. Se utilizó el agua como líquido de referencia para hallar la tensión superficial relativa. Luego se tomaron los datos teóricos (densidad y coeficiente de tensión superficial) del agua para calcular la tensión superficial del metanol.
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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, la temperatura y del radio del tubo.
Se concluye que la tensión superficial del agua es mucho mayor que la del metanol debido a la presencia de enlaces puentes de hidrogeno que presenta.
El aumento de la temperatura, provoca una disminución en la tensión superficial del agua y del metanol.
RECOMENDACIONES
Antes de comenzar a trabajar, revisar el equipo y en especial los capilares, de tal forma que se encuentren limpios y secos para así evitar
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los posibles errores por interferencia de sustancias extrañas como grasas o detergentes que modifiquen el valor de la tensión superficial del líquido en estudio.
Trabajar varias veces el procedimiento para así poder tener un promedio de alturas, eliminando valores que se encuentren muy lejanos del promedio, acortando el error que se pueda cometer en la medición.
Los líquidos en estudio se deben encontrar libre de impurezas y de agentes que puedan afectar el valor de su tensión superficial.
BIBLIOGRAFÍA
Pons Muzzo, Gastón, “Fisicoquímica”, sexta edición, Edit. Universo S.A.1985 pág. 236-239
ATKINS, P. Fisicoquímica. Editorial Addison-WesleyIberoamericana, S.A. Tercera edición. México. 1986, pág. 156-159.
Lange,”Manual de química”, Tomo IV, 13 edición, Edit. Mc Graw Hill, sección 10, pág. 94-100.
Alexander Findlay, “Practicas de Fisicoquímica”, 1era edición, Edit. México Quirúrgico, Buenos Aires, 1955 Capítulo 5, pág.61-65
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http://es.wikibooks.org/wiki/F%C3%ADsica/Fen %C3%B3menos_superficiales_de_los_l%C3%ADquidos/Tensi %C3%B3n_superficial
APÉNDICE Cuestionario: 1.- Explique las diferencias entre las fuerzas de cohesión y adhesión en los fenómenos capilares. Llamamos cohesión molecular a la fuerza de atracción que ejercen entre sí, moléculas del mismo tipo y llamamos adhesión molecular a la fuerza de atracción entre moléculas de diferente tipo. Las moléculas en el interior de un líquido como el agua, están rodeadas de otras moléculas iguales y entonces podríamos decir que las fuerzas de interacción sobre una de ellas se cancelan, lo que pone a la molécula en un estado de baja energía. Por el contrario las moléculas de la superficie del líquido, al no tener vecinas en la parte superior, están en un estado de mayor energía, debido al desbalance de fuerza de cohesión hacia el interior del líquido. Entonces para lograr un estado de menor energía el líquido tiende a LABORATORIO DE FISICOQUIMICAPágina 17
disminuir el número de moléculas en su superficie, lo que provoca una reducción de área y es la causa entre otras cosas de que las gotas del líquido y las burbujas de agua jabonosa, sean casi esféricas. Se deben los fenómenos capilares a los distintos valores de las fuerzas de cohesión del líquido y de adhesión del líquido-sólido. Si la adhesión es mayor que la cohesión, el líquido será atraído por la pared y forma una superficie cóncava, como en el caso agua-vidrio. Si por el caso contrario, la cohesión es mayor que la adhesión, la superficie libre del líquido desciende en el tubo y tendrá esta superficie la forma convexa como en el caso del mercurio-vidrio. 2.-Explique las características de los líquidos asociados y no asociados. Los líquidos cuyas moléculas se mantienen unidas por puentes de hidrógeno se denominan líquidos asociados. La ruptura de estos puentes requiere una energía considerable, por lo que un líquido asociado tiene un punto de ebullición anormalmente elevado para un compuesto de su peso molecular y momento dipolar. El fluoruro de hidrógeno, por ejemplo, hierve a una temperatura 100 grados más alta que el cloruro de hidrógeno, más pesado, pero no asociados; el agua hierve a una temperatura 160 grados más alta que el sulfuro de hidrógeno. También hay compuestos orgánicos que contienen oxígeno o nitrógeno con puentes de hidrógeno Consideremos el metano, por ejemplo, y reemplacemos uno de sus hidrógenos por un grupo hidroxilo, -OH. El compuesto resultante, CH3OH, es metanol, el miembro más pequeño de la familia de los alcoholes. Estructuralmente, no sólo se parece al metano, sino también al agua. Al igual que el agua, se trata de un líquido asociado, cuyo punto de ebullición es anormalmente elevado para un compuesto de su tamaño y polaridad. Los líquidos que no están asociados presentan el mismo aumento de entropía al pasar de líquido a vapor, pero los que se asocian por puente de hidrógeno presentan un aumento de entropía superior al que tendrían si no estuvieran asociados. El líquido asociado necesita además del calor de tránsito líquidovapor el calor preciso para romper el enlace por puente de hidrógeno. 3.-Explique la acción del tenso activo en productos de limpieza. Los tensoactivos o también llamados surfactantes son sustancias que influyen por medio de la tensión superficial en la superficie de contacto entre dos fases (por ejemplo dos líquidos insolubles uno en otro). Cuando se utilizan en la tecnología doméstica se denominan como emulsionantes; esto es, sustancias que permiten conseguir o mantener una emulsión. En función de su mayor o menor dispersión en agua, y su mayor o menor estabilización de
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las micelas o coloides, los tensoactivos se emplean emulsionantes, humectantes, detergentes o solubilizantes.
como
Entre los tensoactivos se encuentran las sustancias sintéticas que se utilizan regularmente en el lavado, entre las que se incluyen productos como detergentes para lavar la ropa, lavavajillas, productos para eliminar el polvo de superficies, gel de ducha y champús. Las propiedades de los tensoactivos se obtienen a través de su estructura molecular. Los tensoactivos se componen de una parte hidrófoba y un resto hidrófilo, o soluble en agua. Se dice que son moléculas anfifílicas. Al contacto con el agua las moléculas individuales se orientan de tal modo que la parte hidrofóbica sobresale del nivel del agua, encarándose al aire, mientras tanto la parte hidrofílica se queda sumergida. Otro fenómeno es que las moléculas anfifílicas se alinean de tal manera que las partes hidrofílicas quedan de un lado y las partes hidrófobicas del otro lado, por lo que empiezan a formar burbujas, las partes hidrófobas quedan en el centro, y los restos solubles en agua quedan entonces en la periferia disueltos en el agua. Estas estructuras se denominan micelas. Cuando un jabón se disuelve en agua disminuye la tensión superficial de ésta, con lo que favorece su penetración en los intersticios de la sustancia a lavar. Dada estas características, el jabón se convierte así es una agente tensoactivo. En conclusión el componente liposoluble hace que el jabón “moje” la grasa disolviéndola y el componente hidrosoluble hace que el jabón se disuelva a su vez en el agua. Las manchas de grasa no se pueden eliminar sólo con agua por ser insolubles en ella. El jabón en cambio, que es soluble en ambas, permite que la grasa se diluya en el agua.
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