FENÓMENOS MOLECULARES ADHESIÓN La fuerza de atracción entre moléculas de diferente clase se llama Adhesión. Cuando están en contacto dos sustancias distintas, existen tanto la cohesión como la adhesión; las características de las sustancias implicadas, determinan que fuerza controla la acción sobre la superficie de contacto. Consideremos una molécula de líquido A en contacto con la pared de un vaso. Será atraída por el líquido por fuerzas de cohesión en la dirección de los radios de una semiesfera cuyo centro es la propia molécula. La resultante de estas acciones,⃗ , es perpendicular a la pared y hacia el interior. Las paredes del vaso la atraen por un sistema de fuerzas análogo al anterior y cuya resultante, ⃗ , es perpendicular a la pared y hacia el exterior. Si ⃗ > ⃗ , el líquido no moja al sólido. Si ⃗ < ⃗ , el líquido moja al sólido. En cualquier caso, excepto cuando ⃗ = ⃗ , sobre toda la capa de líquido próxima a la superficie de separación del líquido y sólido (pared del recipiente), y con un espesor igual al radio de acción molecular, actúan fuerzas normales a ella y dirigidas hacia el interior del líquido (el líquido no moja) o hacia el exterior (el líquido moja) causando la que llamábamos presión molecular, que al tender a acercar las moléculas se ve compensada por el aumento de la fuerza repulsiva de cohesión. COHESIÓN A la fuerza de atracción entre moléculas de la misma clase se le llama Cohesión. Llamemos la distancia a la que la fuerza de enlace entre dos moléculas (monoatómicas o no) es nula por ser iguales las fuerzas de atracción y de repulsión entre ellas y tal que a distancias menores que la fuerza de repulsión es tan intensa que no puede haber ninguna molécula en tal lugar, por lo que a una distancia aproximadamente igual a ella el valor de «radio medio» en la dimensión de tal molécula. En toda sustancia en reposo las moléculas que la componen se encuentran en su mayor parte (exceptuamos a las que se encuentran a la distancia ) a distancias interaccionando entre sí por las fuerzas de atracción que llamamos de COHESIÓN, por cuyo efecto permanecen unidas para el caso de sólidos y líquidos. En consecuencia, una molécula cualquiera en el interior de un líquido en reposo atrae, y a su vez es atraída por todas las moléculas que la rodean, acciones que se manifiestan en un
espacio lamado campo de fuerzas. Si dentro de este campo hay homogeneidad, las acciones iguales en todas las direcciones y sentidos se equilibran. Pero las fuerzas de cohesión disminuyen rápidamente al aumentar la distancia y, prácticamente, solo se tendrán en cuenta las acciones de aquellas moléculas que se encuentran lo suficientemente próximas a ella; definiendo: El RADIO DE ACCIÓN MOLECULAR (R) es la distancia en la cual son sensibles las fuerzas de cohesión, y a la esfera de radio R la llamamos ESFERA DE ACCIÓN MOLECULAR. Dentro de la esfera de acción molecular trazada alrededor de una molécula cualquiera A en el interior de un líquido en reposo, hay un gran número de moléculas, las fuerzas debidas a ellas sobre la A están dirigidas en los distintos sentidos y en promedio se compensan y, por tanto, la fuerza resultante sobre ella es nula. CAPILARIDAD En tubos con diámetros muy pequeños, se observa que los líquidos suben o bajan en relación con el nivel del líquido que rodea al tubo. A este fenómeno se le llama capilaridad. El que el líquido suba o baje depende de las intensidades relativas de las fuerzas de adhesión y cohesión. Los líquidos que mojan a las paredes de un tubo muy estrecho ascienden en su interior, quedando el líquido a mayor altura que el nivel externo. Por el contrario, los líquidos que no mojan descienden en los tubos capilares. Ejemplo claro de capilaridad es la subida de la savia en las plantas por vasos capilares. La causa de los fenómenos de capilaridad es la reacción a la tensión superficial, que actúa tangencialmente a los puntos de contacto del líquido con la pared del tubo. A tal fuerza por unidad de longitud la podemos suponer descompuesta en otras dos: una perpendicular a la pared y anulada por la reacción de ésta, y otra en la propia dirección de la pared y cuyo valor es:
Siendo el ÁNGULO DE CONJUNCIÓN. Esta componente, actuando en cada unidad de longitud en el contacto del líquido con la pared, origina los fenómenos capilares. «Los ascensos o descensos de los líquidos por tubos capilares, son inversamente proporcionales a los radios de los tubos». En efecto: en los tubos capilares las fuerzas descritas actúan sobre los centímetros de la circunferencia del tubo, dando una resultante en la dirección del eje y de valor: , que habrá de equilibrar el peso del cilindro de base y de altura la correspondiente al ascenso del
líquido dentro del tubo; si
es su densidad, se verificará:
Fórmula que demuestra la LEY DE James JURIN (1684-1750). Interpretando la fórmula anterior, observamos que: «Los ascensos o descensos son directamente proporcionales a la tensión superficial y al coseno del ángulo de conjunción, e inversamente proporcionales a la densidad del líquido». Capilaridad en láminas paralelas y en ángulo «La altura alcanzada por un líquido entre dos LÁMINAS PARALELAS es la mitad de la que alcanzaría en un tubo que tuviese por diámetro la separación de las láminas». En efecto: Consideremos unas láminas paralelas introducidas parcialmente en un líquido y cuya distancia es la misma que el diámetro de un tubo introducido en el mismo líquido. La fuerza , actúa en cada unidad de longitud de la lámina a lo largo de su contacto con el líquido; la fuerza que actúa sobre los dos lados de longitud l, será: . Esta fuerza equilibra al peso del paralelepípedo de líquido que tiene por base y por altura :
En las LÁMINAS EN ÁNGULO, parcialmente introducidas en un líquido, éste asciende tanto más cuanto más cercanos están a la arista los puntos considerados. La línea de contacto del líquido con las paredes es una hipérbola.
TENSIÓN SUPERFICIAL Para comprender y cuantificar los fenómenos de superficie en líquidos, los comparamos con un símil mecánico que consiste en identificar una membrana elástica estirada y en equilibrio con la película superficial del líquido, también resistente a la ruptura y, así por ejemplo, se observa cómo partículas más densas que el agua (polvo, insectos y aun un alfiler colocado cuidadosamente) flotan en su superficie. Esta analogía deja de corresponderse al estirar la membrana, por cuyo efecto la tensión aumenta, en cambio la fuerza de tensión superficial permanece constante con el aumento de superficie del líquido.
Consideremos una molécula C, en la superficie del líquido. Estará sometida a las atracciones del propio líquido, que actúan en una semiesfera de acción produciendo una resultante vertical y hacia abajo , y una serie de fuerzas superficiales cuyas acciones se compensan. Las fuerzas de atracción entre las moléculas de la superficie de un líquido, considerada en una unidad de longitud, constituyen su constante de TENSIÓN SUPERFICIAL ( ). Si se consiguen desequilibrar las acciones de la tensión superficial, se pone ésta de manifiesto claramente, lo que se logra poniendo un borde a la superficie del líquido, ocurriendo lo mismo que para una membrana elástica, la tensión se manifiesta al hacerle un corte. Estas fuerzas se observan claramente en la experiencia que se describe a continuación: si colocamos un bucle formado por un hilo sobre una membrana jabonosa, tomará una forma cualquiera. Si pinchamos en su interior adopta una forma perfectamente circular, pues al eliminar la membrana jabonosa correspondiente a la parte interior del bucle, la tensión superficial tira de cada uno de sus puntos con la misma intensidad, en la dirección de los radios. Una forma de medir la tensión superficial consiste en introducir en un líquido (por ejemplo agua jabonosa) un rectángulo de alambre, uno de cuyos lados es móvil, se forma una membrana, en cuyos puntos las acciones superficiales estarán anuladas por la simetría de las fuerzas, excepto en el contacto de la membrana con el alambre, pues las fuerzas estarán distribuidas en un semicírculo y darán, en cada punto, una resultante perpendicular al alambre y hacia el interior. El conjunto de fuerzas, actuando sobre el lado móvil (sin rozamiento con las guías), hacen que éste retroceda; para evitarlo se coloca un pequeño peso , pendiente de una poleita. La tensión actúa sobre cada centímetro del lado AB; sobre los l centímetros de su longitud, la fuerza es . Pero considerando la existencia de dos superficies libres, superior e inferior, la fuerza es:
De esta forma se puede medir la tensión superficial, que en el SI se expresa en N/m.
La inmovilidad de los lados fijos del rectángulo de la figura nos indica la existencia de fuerzas de reacción iguales y contrarias a las de la tensión superficial, ya que si no existiesen estas fuerzas se realizaría una contracción de la superficie. Las fuerzas intermoleculares dependen de la temperatura disminuyendo con ella, por lo que le sucederá lo mismo al coeficiente de tensión superficial. La existencia de las fuerzas de tensión superficial nos da la explicación a la formación de espuma en la superficie de los líquidos, puesto que al agitarlo e introducir aire en su interior, al pretender salir del líquido en forma de burbuja, no puede romper la membrana superficial permaneciendo bajo la superficie del líquido; un gran número de estas burbujas forman la espuma.
ÓSMOSIS La ósmosis es un fenómeno físico relacionado con el movimiento de un solvente a través de una membrana semipermeable. Tal comportamiento supone una difusión simple a través de la membrana, sin gasto de energía. La ósmosis del agua es un fenómeno biológico importante para el metabolismo celular de los seres vivos. Se denomina membrana semipermeable a la que contiene poros o agujeros, al igual que cualquier filtro, de tamaño molecular. El tamaño de los poros es tan minúsculo que deja pasar las moléculas pequeñas pero no las grandes, normalmente del tamaño de micrómetros. Por ejemplo, deja pasar las moléculas de agua, que son pequeñas, pero no las de azúcar, que son más grandes.
Si una membrana como la descrita separa un líquido en dos particiones, una de agua pura y otra de agua con azúcar, suceden varias cosas, explicadas a fines del siglo XIX por Van 't Hoff y Gibbs empleando conceptos de potencial electroquímico y difusión simple, entendiendo que este último fenómeno implica no sólo el movimiento al azar de las partículas hasta lograr la homogénea distribución de las mismas y esto ocurre cuando las partículas que vienen se equiparan con las que aleatoriamente van, sino el equilibrio de los potenciales químicos de ambas particiones. Los potenciales químicos de los componentes de una solución son menores que la suma del potencial de dichos componentes cuando no están ligados en la solución. Este desequilibrio, que está en relación directa con la osmolaridad de la solución, genera un flujo de partículas solventes hacia la zona de menor potencial que se expresa como presión osmótica mensurable en términos de presión atmosférica, por ejemplo: "existe una presión osmótica de 50 atmósferas entre agua desalinizada y agua de mar. El solvente fluirá hacia el soluto hasta equilibrar dicho potencial o hasta que la presión hidrostática equilibre la presión osmótica. El resultado final es que, aunque el agua pasa de la zona de baja concentración a la de alta concentración y viceversa, hay un flujo neto mayor de moléculas de agua que pasan desde la zona de baja concentración a la de alta. Dicho de otro modo: dado suficiente tiempo, parte del agua de la zona sin azúcar habrá pasado a la de agua con azúcar. El agua pasa de la zona de baja concentración a la de alta concentración.
Las moléculas de agua atraviesan la membrana semipermeable desde la disolución de menor concentración, disolución hipotónica, a la de mayor concentración, disolución hipertónica. Cuando el trasvase de agua iguala las dos concentraciones, las disoluciones reciben el nombre de isotónicas.
En los seres vivos, este movimiento del agua a través de la membrana celular puede producir que algunas células se arruguen por una pérdida excesiva de agua, o bien que se hinchen, posiblemente hasta reventar, por un aumento también excesivo en el contenido celular de agua. Para evitar estas dos situaciones, de consecuencias desastrosas para las células, estas poseen mecanismos para expulsar el agua o los iones mediante un transporte que requiere gasto de energía.
BIBLIOGRAFÍA FÍSICA GENERAL – SANTIAGO BURBANO ERCILLA es.wikipedia.org/wiki/%C3%93smosis
