UNIVERSIDAD NACIONAL MAYOR DE SAN MARCOS (Universidad del Perú, Decana de América)
FACULTAD DE QUÍMICA E INGIENIERIA QUÍMICA Escuela Académico Profesional de Química
Informe de Práctica nº 5 de Laboratorio de Fisicoquímica AI
“Tensión Superficial” Grupo de Laboratorio: Grupo “B” viernes de 8:00 a.m. a 12 m.
Trabajo presentado por: -Jorge Martín Cabrera Rocha Para el curso de: Laboratorio de Fisicoquímica AI Profesor: Ing. Yarango Rojas, Alejandro
Ciudad Universitaria, Junio del 2014
Tensión Superficial Fisicoquímica
Tabla de contenido I.
INTRODUCCIÓN ................................................................................................................... 2
III.
RESUMEN ............................................................................................................................ 2
III.
PRINCIPIOS TEORICOS ......................................................................................................... 4
IV.
DETALLES EXPERIMENTALES............................................................................................... 6
V.
TABLA DE DATOS ................................................................................................................ 7
VI.
CALCULOS Y GRAFICOS ..................................................................................................... 8
VII.
TABLA DE RESULTADOS ................................................................................................... 10
VIII.
DISCUSIÓN DE RESULTADOS ........................................................................................... 12
IX.
CONCLUSIONES ............................................................................................................... 13
X.
RECOMENDACIONES ....................................................................................................... 14
XI.
CUESTIONARIO ................................................................................................................ 15
1
Tensión Superficial Fisicoquímica
I.
INTRODUCCIÓN
La superficie de cualquier líquido se comporta como si sobre esta existe una membrana a tensión. A este fenómeno se le conoce como tensión superficial. La tensión superficial de un líquido está asociada a la cantidad de energía necesaria para aumentar su superficie por unidad de área. El cual podemos observarlo cuando los insectos 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) o cuando se forma una gota (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). En la industria la tensión superficial juega un rol tan importante desde la actividad minera en la separación por flotación de minerales, pasando a la fabricación de detergentes y jabones hasta la alimenticia, en la separación de la nata para la elaboración de mantequilla, estas y muchas otras prácticas más son de uso cotidiano en las empresas para el desarrollo industrial y económico en favor del país.
2
Tensión Superficial Fisicoquímica
II.
RESUMEN
En la práctica del laboratorio de fisicoquímica N°5 se realizó la experiencia de como determinar la tensión superficial y observar sus variaciones respecto a la concentración y la temperatura. Para ello se trabajó con un capilar, se midió el volumen de líquido que subía por este y por medio de la relación de la altura que subía el líquido y densidad del mismo respecto a otro líquido de referencia se halla la tensión superficial de la muestra en estudio. Las condiciones en las que se trabajó: presión= 756mmHg, temperatura=22C y %HR=94 . Se trabajaron con cuatro muestras de metanol con concentraciones de 10, 25, 50, 100% y las temperaturas de 20 y 30 °C utilizando de líquido de referencia al agua. Los valores calculados de las tensiones superficiales son a 20º 55.14dnas/cm, 48.05dinas/cm, 30.57dinas/cm y 25.63 dinas /cm a 30ºC 56.91 dinas/cm, 42.83 dinas/cm, 33.54 dinas/cm, 21.96 dinas/cm a 10%, 25%, 50% y 100% respectivamente a ambos casos. Los % de error son para 20 ºC 6.6%, -4.44%, 12.26% y -13.37 a 30ºC 0.62%, 5.82%, 2.81% y -1.77% para las concentraciones de 10%, 25%, 50% y 100 % respectivamente en ambos casos. Se pudieron deber a inexactitud en la medición de las alturas o al control de temperatura, esto último evidenciaría el error negativo.
3
Tensión Superficial Fisicoquímica
III.
PRINCIPIOS TEÓRICOS
Se denomina tensión superficial al fenómeno por el cual la superficie de un líquido tiende a comportarse como si fuera una delgada película elástica. Este efecto permite a algunos insectos, 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 por ejemplo. 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. 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.
4
Tensión Superficial Fisicoquímica
Método de elevación capilar: Cuando el extremo de un tubo capilar se sumerge verticalmente en un líquido una película de este asciende por la pared capilar, siendo la superficie libre del líquido en el capilar de forma cóncava. La causa de la elevación del líquido en el capilar puede explicarse por la diferencia de presiones a través del menisco o por la tendencia del líquido a presentar al menor área de superficial posible.
r : radio del tubo capilar en cm. :
Tensión superficial del agua
: Gravedad igual a 9.78 m/s
2
h : altura del agua en el tubo capilar. :
Densidad del agua.
Tensión superficial como una función de la temperatura: La relación entre la temperatura y la tensión superficial de un líquido normal o no asociado está representada con toda exactitud por la ecuación. De Ramsay-Shield-Eotvos: (M/) :
2/3
=2.12 (TC-6º-T)
…. (2)
Densidad
M: peso molecular Tc: temperatura critica (M/)2/3:
energía molecular libre molar
Tensión superficial relativa: Para determinar la tensión superficial usando un líquido de referencia se puede expresar así:
5
….. (3)
Tensión Superficial Fisicoquímica
IV.
DETALLES EXPERIMENTALES
MATERIALES Y REACTIVOS: Materiales:
aparato para medir la tensión superficial por el método del ascenso capilar, termómetro, bombilla de jebe lo, probeta, vasos. Reactivos: Agua
destilada, metanol al 100%, metanol al 50%, metanol al 10%.
PROCEDIMIENTO: 1. Liquido de referencia.
a. Lave cuidadosamente el capilar y el recipiente para la muestra con detergente, enjuague varias veces con agua de caño y al final con agua destilada, finalmente séquelos en la estufa. b. Instalar el equipo experimental de ascenso de líquido en un tubo capilar. c. Llene el recipiente con agua destilada hasta un volumen adecuado de forma que el capilar quede surgido 1cm. Dentro del líquido mida el volumen usado. Colocan escala de lectura y el termómetro. d. Coloque el recipiente dentro de un baño de temperatura a T1°C. Sin retirar del año, usando la bombilla de jebe, eleve la altura del líquido dentro del capilar, retire la bombilla, anote la altura y repita el procedimiento hasta obtener tener h constante; anote esta altura. Repita el procedimiento a T2 y T3. e. Retire el agua, luego seque el capilar y a recipiente en la estufa. 2. Muestra liquida y soluciones. Repita todo el procedimiento uno para la muestra liquida pura a las temperaturas de trabajo y para las soluciones a la temperatura indicada por el Profesor. Para cada cambio de muestran debe lavar y secar el recipiente y el capilar.
6
Tensión Superficial Fisicoquímica
V.
TABLA DE DATOS
CONDICIONES DEL LABORATORIO P (mmHg)
756
T (º)
22
%HR
94
A. DATOS PARA EL AGUA DESTILADA Y METANOL T 20ºC
h1
h2
h3
hp
Agua
2.7
2.6
23.7
2.7
MetOH 100% MetOH 50% MetOH 25% MetOH 10%
1.2
1.2
1.2
1.2
1.4
1.3
1.3
1.3
1.8
1.9
1.9
1.9
2.2
2.2
2.1
2.1
T 30ºC Agua
h1 2.8
h2 2.9
h3 2.8
hp 2.8
MetOH 100% MetOH 50% MetOH 25% MetOH 10%
1.1
1.1
1.2
1.1
1.6
1.5
1.5
1.5
1.8
0.8
1.8
1.8
2.3
2.2
2.3
2.3
B) Datos obtenidos del hand book CRC 57 th Ed. T(°C)
20 30
7
metanol 10%
Metanol 25%
metanol 50%
γ (din/cm)
γ (din/cm)
γ (din/cm)
59.04 57.27
46.01 45.48
35.31 34.52
metanol 100% γ (din/cm)
22.61 21.58
Tensión Superficial Fisicoquímica
VI.
CÁLCULOS Y GRÁFICOS a. Mediante la ecuación seis calcule la tensión superficial de la muestra usando los datos teóricos de tensión superficial y densidad del agua. Calculamos las densidades a diferentes concentraciones a una temperatura de 20°C para luego calcular la tensión superficial. Metanol 10% Para w de solución de 100g tendremos 10g CH3OH y 90g H2O
Sea T=20°C y de la bibliografía se tiene
Aplicando la ecuación (1) :
Para hallar la tensión superficial del metanol al 10% Aplicamos la ecuación siguiente:
8
Tensión Superficial Fisicoquímica
Luego se calculó las densidades a diferentes concentraciones a una temperatura de 30°C y luego a 40°C para luego calcular la tensión superficial, usando las mismas ecuaciones que se usaron el caso anterior. Para 30°C Metanol 10% Para w de solución de 100g tendremos 10g CH3OH y 90g H2O Hallamos su densidad teórica aplicando
, donde B=1.259X10-3
Entonces para 30°C tenemos las siguientes densidades:
densidad metanol TºC 20
10%
50%
100%
0,9729
0,8829
0,7914
30
0,9692
0,8760
0,7820
b. Calculando el radio del capilar Para hallar el radio del capilar utilizamos la siguiente ecuación
c.
plotee
()
compare la pendiente de la recta con la constante de edtvos.
Hallaremos para los datos tomados del metanol al 10%
9
z 20
H 2.1
p 0.9728
Y 55.1422
10-2cm 5.50
30
2.3
0.9692
56.9141
5.21
Tensión Superficial Fisicoquímica
y(M/P)2/3
Metanol 10%
tc-6-t
20
566.10
213,35
30
585.75
203,35
y(M/P)2/3 vs Tc-6-T 215 3 / 2
y = -0.509x + 501.67 R² = 1
210
) P / M ( y 205
200 565
570
575 Tc-6-T 580
585
590
c) grafique γ vs concentración de las soluciones empleadas
ɣ vs concentración
y = -32.687x + 55.07 R² = 0.8572
60 l a i c i f r e p u ɣ s n ó i s n e t
50 y = -35.706x + 55.329 R² = 0.9081
40
20ºC
30
30ºC
20
Linear (20ºC)
10
Linear (30ºC)
0 0%
20%
40%
60%
80%
100%
120%
Concentración de metanol
10
Tensión Superficial Fisicoquímica
VII.
Tabla de Resultados % densidad 20ºC densidad 30ºC densidad 20ºC densidad 30ºC
10%
25%
50%
100%
0.97280601
0.93700889
0.88286319
0.7914
0.96918835
0.93200578
0.87599379
0.782
MetOH
H2O
0.7914
0.99823
0.782
0.99567
72.75
ɣ h2o 20ºC
% ɣ MetOH
h= 2.7
0.99823
10%
25%
50%
100%
55.1422084
48.0547063
30.9795693
25.6339721
2.1
1.9
1.3
1.2
20ºC h
71.18
ɣ h20 30ºC
%
h= 2.8
0.99567
10%
25%
50%
100%
56.9141892
42.8327188
33.5487866
21.962611
h
2.3
1.8
1.5
1.1
%
10%
25%
50%
100%
20ºC r 5.50861646 30ºC
5.50861646
5.50861646
5.50861646
r 5.21060858
5.21060858
5.21060858
5.21060858
%error ɣ
10%
25%
50%
100%
% error 20ºC
6.60
-4.44
12.26
-13.37
%error 30ºC
0.62
5.82
2.81
-1.77
ɣ MetOH
30ºC
G=9.8m/s2
11
Tensión Superficial Fisicoquímica
VIII.
DISCUSIÓN DE RESULTADOS
Se observa que los porcentajes de error fueron altos esto debido a las condiciones de trabajo señalado que el capilar estaba roto y por ello dificultaba la medición de las alturas. Respecto a la constate Eötvos el valor hallado fue -0.509 mientras que el valor teórico de la constante es de 2.12 eso nos da un porcentaje de error de 124 %, sin embargo se halló este valor respecto a solo una de las concentraciones (10%) a 20ºC en el gráfico como la constante obtenida da un valor muy lejano al teórico. Se obtuvieron valores de tensión superficial a diferentes concentraciones con una regresión lineal aceptable en un R 2=0.8572 a 20ºC y R2=0.9081 a 30ºC según muestra el gráfico comparativo entre los datos a diferentes temperaturas. Los valores de la tensión superficial aumentaban según el porcentaje de contenido del agua esto indica que a mayor contenido de un electrolito o compuesto con dipolo la tensión superficial aumenta, otra conclusión, la tensión superficial es inversamente proporcional a la temperatura para un mismo líquido, así como lo demuestra en los valores del metanol puro y en sus mixturas con el agua este valor aumenta por la presencia de este electrolito en la solución metanólica. Los % de error son para 20 ºC 6.6%, -4.44%, 12.26% y -13.37 a 30ºC 0.62%, 5.82%, 2.81% y -1.77% para las concentraciones de 10%, 25%, 50% y 100 % respectivamente en ambos casos. Se pudieron deber a inexactitud en la medición de las alturas o al control de temperatura, esto último evidenciaría el error negativo.
12
Tensión Superficial Fisicoquímica
IX.
CONCLUSIONES
La superficie de cualquier líquido se comporta como si sobre esta existe una membrana a tensión. A este fenómeno se le conoce como tensión superficial. La tensión superficial de un líquido está asociada a la cantidad de energía necesaria para aumentar su superficie por unidad de área.
La tensión superficial es causada por los efectos de las fuerzas intermoleculares que existen en la interfase. La tensión superficial depende de la naturaleza del líquido, del medio que le rodea y de la temperatura. Líquidos cuyas moléculas tengan fuerzas de atracción intermoleculares fuertes tendrán tensión superficial elevada
En general, la tensión superficial disminuye con la temperatura, ya que las fuerzas de cohesión disminuyen al aumentar la agitación térmica. La influencia del medio exterior se debe a que las moléculas del medio ejercen acciones atractivas sobre las moléculas situadas en la superficie del líquido, contrarrestando las acciones de las moléculas del líquido.
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.
13
Tensión Superficial Fisicoquímica
X.
RECOMENDACIONES
Para trabajar correctamente con el mínimo porcentaje de error: Se debe secar los instrumentos en la estufa. Limpiar bien el capilar ya que si estuviera sucio el cálculo de la tensión superficial sería erróneo. Mojar las paredes del capilar con la bombilla, con una ligera absorción. Si un capilar muy pequeño se sumerge parcialmente en un líquido. El líquido permanece a niveles diferentes fuera y dentro del capilar. Luego de terminada la práctica experimental guardar todos los instrumentos en la gaveta. Existen varios métodos para medir la tensión superficial de un líquido. Uno de ellos consiste en utilizar un anillo de platino que se coloca sobre la superficie del agua. Se mide la fuerza que se requiere para separar el anillo de la superficie del agua con una balanza de alta precisión.
14
Tensión Superficial Fisicoquímica
XI.
CUESTIONARIO
1. Explique la variación de la constante de Eötvos con la temperatura.
Se puede confirmar que la tensión superficial de los líquidos disminuye a medida que aumente la temperatura, y se hace igual a cero en la temperatura crítica. Estudios posteriores ha permitido confirmar que la constante de K a varía de 0.56 a 19.3. 2. Indique el uso del Paracor. Una propiedad física que ha tenido importancia histórica, aunque no es de uso común se le conoce como el paracor, la idea general es que el volumen molar debería de ser considerada un propiedad aditiva, es decir, deberíamos ser capaces de llenar el volumen molar sumado volúmenes de grupos atómicos o grupos funcionales la actividad de los volúmenes no se sigue muy bien y Sudger en (1924) sugirió que se debería corregir como consecuencia de las fuerzas intermoleculares sobre los volúmenes molares. Una indicación de tales fuerzas es la tensión superficial de los líquidos y la propuesta del volumen molar corregida que debería de ser ahora un parámetro aditivo:
15
Tensión Superficial Fisicoquímica
Donde
[] fue denominado paracor, y γ tensión superficial
3. Explique la estimación de la tensión superficial de los sólidos. La tensión superficial entre sólidos, no se le puede definir, como tensión superficial. Ya que solo hay fuerzas de cohesión en las moléculas de los sólidos y cuando estas en contacto, hay fricción, esto se definiría mejor como dureza. Pero la tensión superficial entre sólidos y líquidos se puede definir en otros términos llamado mojabilidad. La mojabilidad es la capacidad que tiene un líquido de extenderse y dejar una traza sobre un sólido. Depende de las interacciones intermoleculares entre las moléculas superficiales de ambas sustancias. Se puede determinar a partir del ángulo que el líquido forma en la superficie de contacto con el sólido, denominado ángulo de contacto; a menor ángulo de contacto, mayor mojabilidad.1 La mojabilidad está relacionada con otros efectos, como la capilaridad. Independientemente del valor de la mojabilidad, cualquier líquido sobre una superficie sólida forma un casquete esférico. Algunas sustancias disueltas en el agua pueden modificar su tensión superficial y por tanto su mojabilidad.
16
Tensión Superficial Fisicoquímica
X. BIBLIOGRAFÍA
Maron S., Lando J, "Fisicoquímica Fundamental", 2da Ed, Ed. Limusa, México, 1987, pág. 70 – 75. Crockford H., Navell J., "Manual de Laboratorio de Química Física", 1ra ed, Ed. Alambra, Madrid, 1961, pág. 70 – 73. Glasstone S. "Tratado de química física", 7ma Ed, Ed. Aguilar, España, 1979, pág. 449 – 452. Pons Muzzo G., "Fisicoquímica", 5ta edición, Ed. Universo SA, Lima, 1981. CRC, "Handbook of Chemistry and Physics", 57d Ed, Ed CRC Press, pág. 10 – 141 15 – 23. Norbert Adolph Lange, "Handbook of Chemistry", Ed. Mc Graw Hill, Book Company, 1974 .
17
