UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERÍA FACULTAD DE INGENIERÍA QUÍMICA Y TEXTIL Departamento Académico de Ingeniería Química
“TENSION SUPERFICIAL DE LIQUIDOS”
GRUPO N° 6
INTEGRANTES: DOCENTES:
Hancco Palomino Danny Ruben Ing. Olga Bullón Camarena
LIMA – LIMA – PERÚ PERÚ 2017
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ÍNDICE GENERAL
Portada…………………………………………………………………………………………..1 Índice general…………………………………………………………………………………...2 Objetivos…………………………………………………………………………………………3 Fundamento teórico…………………………………………………………………………….3 Datos experimentales………………………………………………………………………...4 Cálculos químicos…………………………………………………………………………….4 Observaciones………………………………………………………………………………10 Discusión resultados……………………………………………………………………….10
de
Conclusiones…………………………………………………………………………………..11 Bibliografía……………………………………………………………………………………..11 Anexos………………………………………………………………………………………….12
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TENSIÓN SUPERFICIAL DE LÍQUIDOS OBJETIVOS Determinación de la tensión superficial de un líquido a diferentes temperaturas por el método de ascenso capilar.
FUDAMENTO TEORICO Los líquidos presentan unos efectos asociados a la superficie libre entre los que se encuentra el de la tensión superficial. En el interior del líquido, una molécula está rodeada de otras semejantes en todas las direcciones. No ocurre así con las moléculas de la superficie, ya que por la parte de arriba no están rodeadas de moléculas del líquido. Estas moléculas de la superficie están sometidas a una fuerza F, dirigida hacia el interior, por tanto la superficie libre se encuentra en un estado de tensión cuyo comportamiento es asimilable al de una membrana elástica tensa. Cuando se eleva ligeramente una molécula superficial las moléculas adyacentes producen una fuerza restauradora que tiende a hacer a la molécula superficial volver a su posición inicial, de igual modo ocurre si el desplazamiento es hacia abajo. Se encuentra la superficie libre en un estado de tensión semejante al de la membrana elástica. Si se quiere llevar una molécula del interior hasta la superficie libre se ha de realizar un trabajo en contra de la fuerza resultante, a la que aludíamos anteriormente. De manera que las moléculas en la superficie libre poseen más energía potencial que las del interior. La energía potencial de estas moléculas constituye la energía potencial de la superficie libre. Como indican las leyes de la mecánica la energía potencial alcanza un valor mínimo en un estado de equilibrio y ello ocurre cuando la superficie ocupa la menor extensión permitida. Esta tendencia está asociada con la existencia de unas fuerzas tangenciales en la superficie libre que intentan contraerla cuando sea posible. Si imaginamos una línea en la superficie libre, el estado de tensión citado anteriormente nos permite suponer que una parte, a un lado de la línea, ejerce una atracción sobre la otra parte y viceversa. Esta fuerza tangencial es perpendicular a la línea considerada. Con estas consideraciones podemos definir la tensión superficial σ como la fuerza por unidad de longitud, ejercida perpendicularmente a una línea cualquiera de la superficie. σ=
=
∆W ∆S
Su valor depende de la naturaleza del líquido y de la temperatura. La variación con la temperatura es prácticamente lineal. A la temperatura crítica, en la que coexisten el líquido y su vapor, la tensión superficial se anula.
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PARTE EXPERIMENTAL Datos experimentales Temperatura de la experiencia: 22°C Presión: 1 atm Para el agua destilada Temperatura 22°C 40°C 60°C H (m) 0.0546 0.05306 0.051 Tabla N° 1 Alturas alcanzadas por el agua destilada en el capilar Para el etanol Temperatura 22°C H (m) 0.027 Tabla N° 2 Alturas alcanzadas por el etanol en el capilar Cálculos químicos Densidad de la sustancia alcohol etílico a 22°C agua destilada a 22°C agua destilada a 40°C agua destilada a 60°C (Chang, 1986)
kg/m 3 788.234 998.02 992.2455 983.24
Tabla N° 3 Densidad de las sustancias empleadas a distintas temperaturas Temperaturas (°C) 22°C 40°C 60°C
Tensión superficial del agua (dyn/cm) 72.49 69.92 66.97 (P.W.Atkins)
Temperaturas (°C) 25°C
Tensión superficial del etanol (dyn/cm) 22.05 (David, 2012)
Tabla N° 4 Tension superficial de distintas sustancias a distinta temperatura 4
A) Usando la Ec (4), para el agua a 22°C y con la ayuda de manuales, determine el radio del capilar.
=
ℎ 2 ∗
Donde: : Tensión superficial
h: altura del agua g: la constante gravitacional r: radio del tubo capilar En la mayoría de los líquidos, θ el ángulo de contacto, es aproximadamente cero y, por ende cosθ=1.
A 60°C 66.97 =
ℎ ∗ 983.24 ∗ 9.81 ∗ 2∗1
h= 0.051 r=0.2722773863mm b) calcular a las diferentes temperaturas experimentalmente en dyn/cm; para el agua y los otros líquidos. Usando: =
ℎ 2 ∗
A 22°C
=
0.0546 ∗ 998.02 ∗ 9.81 ∗ 0.272773863 2∗1 = 72,90 dyn/cm
0.5655%error 5
A 40°C
=
0.05306 ∗ 992.2455 ∗ 9.81 ∗ 0.272773863 2∗1 = 70,44 dyn/cm
0.7437 %error
A 60°C = 66.97 dyn/cm
Etanol a 22°C
=
0.027 ∗ 788.234 ∗ 9.81 ∗ 0.272773863 2∗1 = 28.47 dyn/cm
29.1156 %error c) haga un cuadro comparativo de estos valores y grafique Tensión superficial del agua (dyn/cm) Vs Temperatura (K) Para agua destilada A 22°C %error 0.5655 A 40°C
Para el etanol A 22°C
%error 0.7437
%error 29.1156
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Cuadro comparativo Temperaturas (°C) Agua destilada 22°C 40°C 60°C Etanol 22°C
Tensión superficial Tensión superficial (dyn/cm) teórico (dyn/cm) Experimental 72.49 69.92 66.97
72.90 70.44 66.97
22.05
28.47
Tabla N° 5 Cuadro comparativo
tension superficial Vs Temperatura (K)
) m c / 74 n y 73 d ( a 72 u g 71 a l e 70 d l 69 a i c i 68 f r e p 67 u s 66 n ó 290 i s n e T
y = -0.1564x + 119.15 295
300
305
310
315
320
325
330
Temperatura (K)
Figura N° 1 Tensión superficial Vs Temperatura d) Calcule el cambio de entropía ∆S, por unidad de área ∆S/∆A ∆G = τ = ∆H − T∆S
Debido a que en esta experiencia no hay reacción química el valor ∆ H = 0 ∆S =
τ/T
7
335
Para el agua destilada A 22°C ∆S =
7290 295
∆S =24.7118 J/K .m 2 A 40°C ∆S =
7044 313
∆S =22.5047 J/K .m 2 A 60°C ∆S =
6697 333
∆S =20.1111 J/K .m 2 Para el etanol
A 22°C ∆S =
2847 295
∆S =9.6508 J/K .m 2
e) con la ecuación de E ̈tvos, dadas en fisicoquímica por Oscar Almenara, calcule para el agua, Ke; para cada temperatura. =
V: volumen molar
∗ ( − )
Tc: temperatura crítica de un líquido ( kelvin) = 647.15K Ke: constante de E ̈tvos
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: tensión superficial
Para el agua destilada Además el volumen está relacionado por:
=
A 22°C 0.7295 =
∗ (647.15 − 295) (
(0.018 /) ) kg 998.02
Ke=1.4246x10 -6
A 40°C
0.7044 =
∗ (647.15 − 313) (
(0.018 /) ) kg 992.2455
Ke= 1.4553 * 10 -6 A 60°C 0.6697 =
∗ (647.15 − 333) (
(0.018 /) ) kg 983.24
Ke= 1.4807*10 -6
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OBSERVACIONES Comenzamos armando el sistema que consta de un tubo capilar, un termómetro y una escala, todos juntos y al mismo nivel. Agregamos el líquido a tratar hasta las ¾ partes de su volumen y una vez hecho sumergimos el conjunto (capilar, termómetro, escala) un 1cm aproximadamente asegurándose que este al mismo nivel. Succionamos con la bombilla por la parte superior del tubo capilar y esperamos unos segundos hasta que se equilibre la columna de líquido. Realizamos tres mediciones en cada líquido para tener un valor más exacto. A medida que aumentamos la temperatura notamos que la altura disminuye. No pudimos mantener el sistema a la temperatura pedida pero nos aseguramos que se encuentre en un rango aceptable.
DISCUSIÓN DE RESULTADOS Durante la experiencia se observó que las alturas para el agua iban decreciendo en el tubo capilar, esto se debe a que a medida que la temperatura aumenta, las fuerzas intermoleculares se ven debilitadas pudiendo romperse con más facilidad, esto hace que ya no alcance alturas más ascendientes con relación a la temperatura, sino todo lo contrario, por lo que se evaluaron las posibles fallas del cual encontramos que el capilar no se encontraba muy bien sujeto a la varilla graduada por lo que en un segundo intento se lo sostuvo con una liga para que no se moviera, otro error fue el de no contabilizar de manera correcta la altura del líquido en el capilar partiendo de la superficie del líquido. Para llegar a las temperaturas indicadas era necesario esperar que la temperatura se restableciera dentro del vaso de precipitado donde estaba nuestra muestra problema. Finalmente se pudo corroborar la descendencia de la altura conforme iba en aumento la temperatura. Para la comprobación de nuestros datos experimentales si eran acertados o no, se buscó información de estas sustancias en distintos manuales de ingeniería química. Para el caso de la medición de la temperatura del etanol se tuvo que ser aún más cuidadoso porque no teníamos que realizar la experiencia a otras temperaturas ya que este se descompone y tenía que devolvérselo al mismo recipiente. Es por ello que solo sumergimos 1cm dentro del recipiente y succionando y dejando que el líquido se reestablezca al equilibrio. El porcentaje de error en ambas sustancias fue mínima por lo que se pudo realizar un buen experimento.
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CONCLUSIONES Determinamos las tensiones superficiales de diferentes líquidos a diferentes temperaturas y comprobamos experimentalmente que el valor de la tensión superficial disminuía al aumentar la temperatura. Los valores encontrados difieren del teórico debido a muchos factores, como por ejemplo un error en la variación de la temperatura, un mal manejo del equipo y entre otros. Podemos notar que el valor de la tensión superficial del agua es mayor al del etanol, esto se explica por las fuerzas intermoleculares que estas presentan. Por lo tanto podemos concluir que a mayor fuerzas intermoleculares, mayor es la tensión superficial del líquido.
BIBLIOGRAFÍA Young, H., & Roger A. Freedman. (2009). Física universitaria, vol 1. México: Pearson education . H. Perry, J. (1980). manual del ingeniero quimico . Mexico DF: McGraw-Hill . Escuela de INGENIERIA QUIMICA, UNIVERSIDAD de Los ANDES Mérida 5101 VENEZUELA http://www.firp.ula.ve Maron, S. H., & Prutton, C. F. (2012). Fundamentos de Fisicoquimica. En S. H. Maron, Fundamentos de Fisicoquimica (págs. 813-815). Mexico D.F.: LIMUSA S.A.
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ANEXOS Anexo 1 Densidad del agua en función a su temperatura
Anexo 2 =
ℎ(−0.85 + 806.34) 2
T: tensión superficial t: temperatura h: altura r : radio del tubo capilar Modelo matemático para encontrar la tensión superficial para el etanol.
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Anexo 3 Tensión superficial de los líquidos a 20ºC Líquido
(10-3 N/m)
Aceite de oliva
33.06
Agua
72.8
Alcohol etílico
22.8
Benceno
29.0
Glicerina
59.4
Petróleo
26.0
Fuente: Manual de Física, Koshkin N. I. , Shirkévich M. G.. Editorial Mir (1975)
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