INTRODUCCIÓN En el presente informe referente a la tensión superficial de líquidos, ácidos carboxílicos (ácido acético) y como alcoholes (etanol), ambos solubles en agua, donde determinaremos experimentalmente la magnitud de la fuerza de la tensión superficial que ejerce un líquido, teniendo en cuenta la variación de temperaturas. De esa forma observaremos la relación existente de la tensión superficial con el ascenso capilar de un líquido.
MARCO TEORICO 1. Tensión Superficial La tensión superficial puede definirse como la fuerza que ejerce un líquido sobre una determinada superficie debido a la existencia de una atracción no compensada hacia el interior del mismo sobre las moléculas individuales de la superficie. Es la forma en que se refleja la cohesión entre moléculas en un líquido. La tensión superficial depende de la naturaleza del mismo, del medio que le rodea y de la temperatura. En general, disminuye con la temperatura, ya que las fuerzas de cohesión disminuyen al aumentar la agitación térmica. La influencia del medio exterior se comprende ya que las moléculas del medio ejercen acciones atractivas sobre las moléculas situadas en la superficie del líquido, contrarrestando las accionesde las moléculas del líquido.
2. Métodos de Elevación Capilar 2.1 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 estárepresentado en la ecuación de Young-Laplace.
AP=
2. σ R
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.
DETALLES EXPERIMENTALES Materiales Termómetro Baño María de temperatura constante Tubo capilar. Probeta. Regla milimetrada. Tubo de ensayo.
Reactivos Agua destilada (H2O) Acido acético (CH3COOH) al 10% Etanol (C2H5OH) al 20%
PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL a) Lavamos cuidadosamente el capilar y el recipiente para la muestra, enjuagamos varias veces con agua destilada y lo secamos en la estufa. b) Instalamos el equipo experimental como se mostraba en el manual. c) Llenamos con agua destilada hasta un volumen adecuado al recipiente. d) Luego introducimos el capilar 1cm en el seno del líquido y ubicamos una escala indicada de lectura adecuada. e) Pusimos el aparato en un baño de temperatura constante. f) Sin retirar del baño, usando una bombilla de jebe, elevamos la altura del líquido en el capilar y deje en libertad hasta obtener h constante. g) Bueno después repetimos los pasos e y f para las temperatura de 20 ºC 30 °C y 40°C para los demás líquidos.
DETERMINACION DE LA TENSIÓN SUPERFICIAL 1. Esquema
2. Ecuación de RAMSAY γ
2
M 3 . =2.12(t c −6° −t ) ρ
( )
Dónde: ρ
= Densidad
t c =¿
Temperatura Critica
M = Peso Molar γ
2
M 3 . =Energia superficial libre ρ
( )
3. Datos dados de la tensión y de densidad del agua 20 ° c
ρ H 2 O=0.9982323 g/ ml
30 ° c
ρ H 2 O=0.995967556 g / ml
°c ρ40 H 2 O=0.9922455 g/ ml
M = 18g/mol Tc H2O = 374°C 4. Remplazamos datos en la ecuación de Ramsay 2
M 3 . =2.12(t c −6° −t ) ρ
γ
( )
γ
20° c H 2O
γ
30°c H 2O
°c γ 40 H 2O
2
(
18 . 3 =2.12 ( 374−6 °−20 ° )=107.27 0.998
(
18 . 3 =2.12 ( 374−6 °−3 0 ° )=103.98 0.995
(
18 . 3 =2.12 ( 374−6 °−4 0 )=100.7 0.992
) )
)
2
2
Tensión superficial relativa
1. Ecuación
γ 1 h1 ρ 1 = γ 2 h2 ρ 2
Donde: γ 1 h 1 ρ1
= tensión superficial, altura y densidad de la solución de
ácido acético γ 2 h 2 ρ2
=
tensión superficial, altura y densidad de la solución
liquida de agua destilada 2. Tenemos °c °c 20 ° c γ 20 h20 1.0040 g/ml (5 cm) hac hac . ρ hac = 20° c 20 ° c = =0.8381 20 ° c γ H 2O h H 2 O . ρ H 2 O 0.9982323 g/ml (6 cm)
c γ 20° hac =89.903
°c °c 30 ° c γ 30 h30 1.0011 g /ml (4 cm) hac hac . ρ hac = 30° c 30 ° c = =0.8041 30 ° c γ H 2O h H 2 O . ρ H 2 O 0.995967556 g /ml (5 cm)
30° c
γ hac =83.61
°c °c 40° c γ 40 h40 0.9970 g /ml(3 cm) hac hac . ρ hac = = =0 . 7536 40° c 40 ° c 40° c γ H 2O h H 2 O . ρ H 2 O 0.9922455 g/ml (4 cm)
°c γ 40 hac =75.886
Consideramos ρ2CH0 °3cCOOH=1.0040 g /ml
°c ρ30 CH 3 COOH=1.0011g / ml
ρ4CH0 °3cCOOH=0.9970 g /ml
DISCUSIÓN DE RESULTADOS Por el posible error de la máquina, materiales y otros dificultades tuvimos que hacer el experimento, para lo cual el resultado de nuestro experimento es afectado. Sin embargo se determinó la tensión superficial de los dos tipos de líquido a temperaturas de 20 ºC, 30 ºC y 40 ºC , por lo cual llegué a la conclusión a mayor temperatura menor será la tensión superficial.
RECOMENDACIONES Tener sumo cuidado en la primera cantidad de agua introducida en el tubo de ensayo que nos servirá de referencia para calcular la variación de altura en el tubo capilar. Luego de calentar respectivo líquido la medición de variación de alturas se hará de manera inmediata a las temperaturas dadas, porque nuestro valor puede cambiar con cada punto de temperatura. La medida se hará en milímetros o cm de acuerdo al caso, nunca tomar como medida de variación de alturas dentro del capilar porque cuya medida está dada volúmenes.
CUESTIONARIO 1. Enumere y describa brevemente otros métodos para determinar la tensión superficial de los líquidos.
a) Ascenso capilar placas paralelas Consiste en introducir dos placas paralelas separadas a una distancia “d” en la intercara. Si el ángulo de contacto es cero y la distancia “d” es pequeña, el menisco adoptara forma cilíndrica, con un radio de curvatura infinito y el otro igual a d/2; en estas condiciones, puede aplicarse la ecuación de Laplace y determinar la tensión superficial o interfacial en función de la altura a la cual se elevo el menisco. Roeder describe un método óptico para determinar la tensión supreficial, basado en la determinación de la pendiente de las líneas tangenciales a meniscos en paredes verticales planas inmersas en el líquido. Morcos determino tensiones superficiales de los líquidos por medición de la altura del menisco entre placas verticales infinitamente anchas. Para un liquido que moja las placas con ángulo de contacto cero, la tensión superficial esta dada por en que “h= altura” del menisco, pero un pequeño aumento en el ángulo de contacto puede tener influencia mucho mayor sobre el ascenso del menisco que en el caso de ascenso en un capilar. b) Ascenso capilar entre placas inclinadas Si las placas no se introducen paralelas en el líquido, sino inclinadas formando un pequeño ángulo β, el perfil de la intercara tiene la forma de una hipérbola rectangular, debido al ángulo entre las placas, la distancia entre ellas aumenta al aumentar la distancia desde la línea de inmersión. Si “y” y “x” son las coordenadas vertical y horizontal de un punto en la superficie liquida, tomando como origen de coordenadas el punto en donde la línea de intersección de las dos placas corta el liquido a una distancia x de la unión, las placas estarán separadas a una distancia x. Si el ángulo “β” es pequeño, se aplica la ecuación. La forma de hipérbola rectangular se debe a que el producto xy es constante. Si “β” no es pequeño , se usan los factores de corrección calculados por Ferguson y Vogel que se aplica a la ecuación c) método de la placa de Wihelmy sin desprendimiento del menisco Este método debido a Wihelmy consiste en medir la fuerza adicional sobre una placa vertical inmersa parcialmente en un líquido. Para medir esta fuerza se suspende la placa de un brazo de una balanza o de un brazo ligero unido a un alambre de torsión. La fuerza adicional medida es igual al producto del perímetro de la placa por la tensión superficial. Si la fuerza se aplica para levantar la placa hasta que su borde inferior alcance el mismo nivel que la superficie del liquido, la fuerza F mide el peso del menisco adherido a la placa, que es equivalente al producto de la tensión superficial por el perímetro, siempre que el ángulo de contacto sea cero; en el caso de que el ángulo de contacto sea distinto de cero, el peso del menisco es por el perímetro de la placa. Si el borde de la placa no coincide exactamente con el nivel de la superficie, sino que la placa esta parcialmente inmersa, es preciso corregir del empuje del líquido.
En el caso de determinación de tensiones interfaciales, la placa ha de mojarse completamente por uno de los líquidos. Para que la placa se moje por el agua, se puede usar un cubreobjetos de vidrio exento de grasa o una fina lamina de mica de superficie áspera. Si se recubre la lamina de mica con negro de humo, se moja preferencialmente por líquidos orgánicos. 2. ¿Cuál es el efecto de los detergentes sobre la tensión superficial del agua? Explica el mecanismo. Los jabones son sales de ácidos grasos de cadena larga. La porción acídica que se encuentra en un extremo y es la que forma la sal es hidrofilica (es decir tiene preferencia por el agua o dicho de otra forma se disuelve en agua, o mas estrictamente en solventes polares) toda la otra parte (la mas grande) es hidrofóbica (es decir se disuelve en grasa, o en otros solventes no polares). Estos compuestos se dice que son anfipaticos (por poseer porciones que se disuelven en distintos medios) esto hace que las dos fases (agua y grasa) se mezclen. Las moléculas de jabón se van intercalando entre las de grasa con su parte hidrofóbica y se van rodeando de agua en su parte hidrofílica, disgregando ambas fases. La tensión superficial proviene de interacciones entre muchas moléculas de agua a través de puentes hidrógenos. 3. ¿Cuál es la expresión matemática que relaciona la tensión superficial con la concentración de solución? La ecuación básica de trabajo es (1)
Donde soluto,
es el logaritmo natural de la actividad a dilución infinita para el es la presión reducida,
y
son parámetros
ajustables, que se obtienen al graficar . El coeficiente de actividad gi es la relación de la actividad ai con respecto a alguna expresión de la concentración, para nuestro caso la fracción molar xi, y se expresa: gi º ai / xi La presión reducida es obtenida a partir de los datos de tensión superficial. (2)
, y son respectivamente las tensiones superficiales de los componentes 1 y 2 puros y en solución.
Connors y Wright (1989) derivaron una ecuación simple para relacionar la tensión superficial con la composición de soluciones acuosas de cosolventes orgánicos en todo el rango de composición. La ecuación resultante es: (3) Esta ecuación al ser linealizada y tras la evaluación de los parámetros α y b, puede ser usada para calcular la constante de enlazamiento o constante de centros de enlace
.
ANEXOS
BIBLIOGRAFÍA
MARON, FUNDAMENTOS DE FISICOQUÍMICA. Chang, R. 1977. Physical chemistry with applications to biological systems. Macmillan Publ. Co., Inc., New York, N.Y. “Fisicoquímica” – Gastón Pons Muzzo – 3º Edición – Lima – Perú. FÍSICOQUÍMICA MANUAL DE LABORATORIO” –Ing. Alejandro BARBA REGALADO – Facultad de Ciencias– UNASAM– 2009
UNIVERSIDAD NACIONAL “SANTIAGO ANTUNEZ DE MAYOLO” FACULTAD DE CIENCIAS DEL AMBIENTE
“ESCUELA PROFECIONAL DE INGENIERIA AMBIENTAL” ASIGNATURA : PRÁCTICA
Fisicoquímica
: Laboratorio N° 03
DOCENTE
:
ALUMNO
:
Lic. Bárba
Regalada, Alejandro.
Martínez Sánchez Jean. CODIGO
:
131.0605.011
