TENSION SUPERFICIAL
I.
OBJETIVO Determinar el coeficiente de tensión superficial de los líquidos, l íquidos, utilizando el método de Rayleigh (clásico) y mediante el uso de un equipo automatizado (Cobra 3 Basic-Unit).
II.
EQUIPOS/MATERIALES Método de Rayleigh (clásico) 1 Soporte Universal 1 Bureta, medir diámetro externo 1 Vaso de precipitados
1 Clamp 1 Termómetro Líquidos: agua, alcohol, ron
Equipo automatizado (Cobra 3 Basic-Unit) 1 Aro de medida de tensión superficial de diámetro promedio 19.5 1 Pc con Windows XP/ Windows 98 1Varilla de 25 cm 1 Cobra 3 Basic-Unit 1Clamp 1 Fuente de poder de 12 V/2A 1 Plataforma de elevación vertical 1 Software Cobra 3 Force/Tesla 1 Cubeta Petri, d=20 cm 1 Módulo de medición de Newton 1 Paño 1 Sensor Newton 1 Probeta de 100 ml 1 Cronómetro 1 Trípode Base
III.
FUNDAMENTO TEÓRICO
Se denomina tensión superficial de un líquido a la cantidad de energía necesaria para disminuir su superficie por unidad de área. Esta definición implica que el líquido tiene una resistencia para aumentar su superficie. superficie. Teniendo como principal efecto la tendencia del líquido líquido a disminuir en lo posible su superficie para un volumen dado, de aquí que un líquido en ausencia de gravedad adopte la forma esférica, que es la que tiene menor relación área/volumen. 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 l a superficie, de ahí la reducción de área hasta el mínimo posible. Otra manera de definirlo será será verlo como un fenómeno por el cual la superficie superficie de un líquido tiende a comportarse como si fuera una delgada película elástica.. 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,.
Causas de la tensión superficial
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. Otra manera de verlo es que una molécula en contacto con su vecina está en un estado menor de energía que si no estuviera en contacto con dicha vecina. Las moléculas interiores tienen todas las moléculas vecinas que podrían tener, pero las partículas del contorno tienen menos partículas vecinas que las interiores y por eso tienen un estado más alto de energía. Para el líquido, el disminuir su estado energético, es minimizar el número de partículas en su superficie.2 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 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. Como resultado de minimizar la superficie, esta asumirá la forma más suave que pueda ya que está probado matemáticamente que las superficies minimizan el área por la ecuación de Euler-Lagrange. De esta forma el líquido intentará reducir cualquier curvatura en su superficie para disminuir su estado de energía de la misma forma que una pelota cae al suelo para disminuir su potencial gravitacional.
La tensión superficial puede afectar a objetos de mayor tamaño impidiendo, por ejemplo, el hundimiento de una flor. La tensión superficial suele representarse mediante la letra α. Sus unidades son; .N·m-1 .J·m-2.
Propiedades: 1. α > 0, ya que para aumentar el estado del líquido en contacto hace falta llevar más moléculas a la superficie, con lo cual disminuye la energía del sistema o la cantidad de trabajo necesario para llevar una molécula a la superficie. 2. α depende de la naturaleza de las dos fases puestas en contacto que, en general, será un líquido y un sólido. Así, la tensión superficial será igual por ejemplo para agua en contacto con su vapor, agua en contacto con un gas inerte o agua en contacto con un sólido, al cual podrá mojar o no (véase capilaridad) debido a las diferencias entre las fuerzas cohesivas (dentro del líquido) y las adhesivas (líquido-superficie). 3. α se puede interpretar como un ’’ fuerza por unidad de longitud ’’ (se mide en N·m 1). Esto puede ilustrarse considerando un sistema bifásico confinado por un pistón móvil, en particular dos líquidos con distinta tensión superficial, como podría ser el agua y el hexano. En este caso el líquido con mayor tensión superficial (agua) tenderá a disminuir su superficie a costa de aumentar la del hexano, de menor tensión superficial, lo cual se traduce en una fuerza neta que mueve el pistón desde el hexano hacia el agua.
4. El valor de α depende de la magnitud de las fuerzas intermoleculares en el seno del líquido. De esta forma, ‘’cuanto mayor sean las fuerzas de cohesión del líquido, mayor será su tensión superficial.’’ Podemos ilustrar este ejemplo considerando tres líquidos: hexano, agua y mercurio. En el caso del hexano, las fuerzas intermoleculares son de tipo fuerzas de Van der Waals. El agua, aparte de la de Van der Waals tiene interacciones de puente de hidrógeno, de mayor intensidad, y el mercurio está sometido al enlace metálico, la más intensa de las tres. Así, la de cada líquido crece del hexano al mercurio. 5. Para un líquido dado, el valor de " α" disminuye con la temperatura, debido al aumento de la agitación térmica, lo que redunda en una menor intensidad efectiva de las fuerzas intermoleculares. El valor de α tiende a cero conforme la temperatura se aproxima a la
temperatura crítica Tc del compuesto. En este punto, el líquido es indistinguible del vapor, formándose una fase continua donde no existe una superficie definida entre ambos.
Coeficiente de tensión superficial y Método de Rayleigh
Se puede determinar la energía superficial debida a la cohesión mediante el dispositivo de la figura. Una lámina de jabón queda adherida a un alambre doblada en doble ángulo recto y a un alambre deslizante AB. Para evitar que la lámina se contraiga por efecto de las fuerzas de cohesión, es necesario aplicar una fuerza F al alambre deslizante. La fuerza F es independiente de la longitud x de la lámina. Si desplazamos el alambre deslizante una longitud Dx, las fuerzas exteriores han realizado un trabajo FDx, que se habrá invertido en incrementar la energía interna del sistema. Como la superficie de la lámina cambia en DS=2dDx (el factor 2 se debe a que la lámina tiene dos caras), lo que supone que parte de las moléculas que se encontraban en el interior del líquido se han trasladado a la superficie recién creada, con el consiguiente aumento de energía. Si llamamos a g la energía por unidad de área, se verificará que
La energía superficial por unidad de área o tensión superficial se mide en J/m2 o en N/m. La tensión superficial depende de la naturaleza del líquido, del medio que le rodea y de la temperatura. 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 comprende ya 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. En la formación de las gotas, apartir del análisis de la dinámica presente en la formación de la gota que se desprende de un tubo cilíndrico, de radio R y que el líquido tiene
un coeficiente de tensión superficial ‘’a’’ Mientras la gota no se ha desprendido, ella toma una forma tal, que la componente vertical de la fuerza detención superficial equilibra con el peso de la gota. La componente vertical de la fuerza de tensión superficial alcanza su valor máximo en el instante, justamente antes de que se desprende la gota, en el momento de desprenderse se sujeta la condición.
m . g = 2πR a
...
(1)
a = (m g ) /2πR
…
(2)
1. m = masa de la gota 2. R = radio de la punta de la bureta 3. α= c o e f i c i e n t e d e t e n s i ó n s u p e r f i c i a l d e l líquido De la ecuación (1) podemos determinar ‘’a ’, pero no se ha tenido en cuenta el trabajo de deformación cilindro esfera, por lo que no es muy exacta. Rayleigh retocó esta expresión, obteniendo un modo empírico para determinar :’’a’’ ’
Rectificando las constantes: α = ( 5 m g) / 19 R
…
(3)
Si V es el volumen del líquido de densidad y N el número de gotasy en este volumen V, entonces la masa de cada gota será: m = (Vρ)/ N
…
(4)
Por lo tanto: α = ( 5 Vg )/ 19 N R …
(5)
Medida de la tensión superficial de un líquido:
Método del anillo El método de Du Nouy O Método del anillo es uno de los más conocidos. Se mide la fuerza adicional ΔF que hay que ejercer sobre un anillo de aluminio justo en el momento en el que la lámina de líquido se va a romper. La tensión superficial del líquido se calcula a partir del diámetro 2R del anillo y del valor de la fuerza Δ F que mide el dinamómetro.
El líquido se coloca en un recipiente, con el anillo inicialmente sumergido. Mediante un tubo que hace de sifón se extrae poco a poco el líquido del recipiente.
En la figura se representa:
1. El comienzo del experimento 2. Cuando se va formando una lámina de líquido. 3. La situación final, cuando la lámina comprende únicamente dos superficies (en esta situación la medida de la fuerza es la correcta) justo antes de romperse. Si el anillo tiene el borde puntiagudo, el peso del líquido que se ha elevado por encima de la superficie del líquido sin perturbar, es despreciable.
IV.
PROCEDIMIENTO
MONTAJE 1 - MÉTODO DE RAYLEIGH Monte el equipo tal como muestra el diseño experimental de la figura 2. Vierta en la bureta el líquido, cuya tensión superficial desea determinar. 1. Mida la temperatura del líquido del interior de la bureta. Anote el valor correspondiente en la tabla1. 2. Use el vaso de precipitados como depósito de descarga del líquido de la bureta. 3. Tome dos puntos A y B como niveles de referencia. 4. Cuente el número de gotas de la porción de líquido entre los niveles de referencia. Repita este procedimiento no menos de 5 veces. Cada vez anote en la tabla 1 el número de gotas para el volumen elegido. 5. Repita los pasos del 1 al 5 para otros líquidos (alcohol, ron, agua). Para hallar la masa en cada medición usamos:
Hallamos el α (coeficiente de tensión superficial).
A. Para el H 2O
Como la densidad del agua es 1 g/cm 3 entonces la masa será el mismo valor del volumen para cada medición.
̅ ̅
Hallamos la masa de una sola gota:
De la ecuación:
B. Para el Alcohol
Usamos la densidad del alcohol para hallar la masa para cada volumen. Alcohol= 0.878
̅ ̅ Hallamos la masa de una sola gota:
De la ecuación:
C. Para el Ron
De la misma forma hacemos uso de la densidad del ron para hallar los valores de la masa en cada medición del volumen.
= 0.960 ̅ ̅ Ron
Hallamos la masa de una sola gota:
De la ecuación:
Y anotamos los valores hallados en la Tabla 1 A temperatura ambiente: T=24°C H2O
Líquido 1 2 3 4 5 Promedio α (dina/cm)
Alcohol
ρ
V
N
m
ρ
V
N
1
3
56
3
0.878
3
139
1
3
55
3
0.878
3
1
3
55
3
0.878
1
3
56
3
1
3
57
1
3
55.8
0.865
Ron V
N
m
2.721 0.96
3
130
2.976
140
2.721 0.96
3
133
2.976
3
138
2.721 0.96
3
131
2.976
0.878
3
142
2.721 0.96
3
132
2.976
3
0.878
3
138
2.721 0.96
3
130
2.976
3
0.878
3
139.4 2.721 0.96
3
0.304
m
ρ
131.2 2.976
0.353
MONTAJE 2 - MÉTODO DEL ANILLO Familiarícese con el equipo sensor de la unidad básica (Cobra 3) y monte el diseño experimental de la figura. 1. Vierta líquido en la cubeta Petric hasta la mitad. 2. Suspenda el aro del gancho del sensor Newton. No sumerja aun el anillo en el líquido. 3. Utilizando la plataforma de elevación vertical, girando la manija negra, sumerja lentamente el aro hasta que esté completamente cubierto por el líquido de estudio. 4. Con ayuda del profesor calibre el sensor. 5. Evite cualquier movimiento en la mesa de trabajo, ya que el sistema es altamente sensible. 6. Inicie la medición en software menú. 7. Con la ayuda de la plataforma de elevación vertical, descienda cuidadosamente la cubeta Petric hasta que observe que la película de interface del líquido esté tensionada hasta el límite. 8. Mantenga el aro tensionado por un tiempo de 10s. 9. Al término de los 10s suba cuidadosamente la cubeta Petric con la ayuda de la plataforma de elevación. 10. Repita los pasos (3) al (5) al menos 4 veces. 11. Detenga la medición.
o d i u q í L
1 2 3 4 5 Promedio α alcohol
EN BAÑO MARIA: T = 50ºC Alcohol V N ρ
m
g/cm3 0.878 0.878 0.878 0.878 0.878
ml 3 3 3 3 3
#gotas 141 140 140 141 142
g 0.0187 0.0188 0.0188 0.0187 0.0186
0.878
3
141
0.0187
0.301
De la ecuación:
12. De la gráfica fuerza vs tiempo que arroja el programa seleccione los datos correspondientes a la zona de máxima tensión y copie los datos a una hoja de cálculo Excel y obtenga el promedio para cada grupo de datos (Fuerza tensora). 1 2 3 4 5 Tiempo Fuerza F Tiempo Fuerza F Tiempo Fuerza F Tiempo Fuerza F Tiempo Fuerza F t/s F/N t/s F/N t/s F/N t/s F/N t/s F/N 38.5 39 39.5 40 40.5 41 41.5 42 42.5 43 43.5
0.0002 0.0026 0.0028 0.0031 0.0035 0.0031 0.0026 0.0024 0.0028 0.0032 0.0032
Fα
V.
58 58.5 59 59.5 60 60.5 61 61.5 62 62.5 63
0.0022 0.0012 0.0026 0.0022 0.0023 0.0024 0.0026 0.0022 0.0023 0.0022 0.0024
73 73.5 74 74.5 75 75.5 76 76.5 77 77.5 78
1 2 0.00294545 0.00226364
0.0037 0.0025 0.0028 0.003 0.0031 0.0032 0.0028 0.0026 0.0025 0.002 0.0022
88 88.5 89 89.5 90 90.5 91 91.5 92 92.5 93
0.0024 0.0027 0.0029 0.0029 0.0026 0.0025 0.0024 0.0027 0.0031 0.0027 0.0025
103.5 104 104.5 105 105.5 106 106.5 107 107.5 108 108.5
0.0018 0.0023 0.0032 0.0034 0.0028 0.0023 0.0028 0.003 0.0025 0.0026 0.003
3 4 5 0.0027 0.00268182 0.00281818
EVALUACION
1. Para el equipo automatizado, determine el coeficiente de tensión superficial utilizando la ecuación 7. Con su error correspondiente. Recuerde que la longitud del aro debe estar en metros.
Valores promedio de la fuerza de tensión superficial Fα
1 2 0.00294545 0.00226364
3 4 5 0.0027 0.00268182 0.00281818
De la ecuación:
α =0.3766 1 α = 0.4593 α3= 3 α =0.4390 α5= 5 α1=
α=4 α2=
α2=0.4218 α4=0.4187
2. Calcule el error porcentual y evalúe si este se encuentra en el valor estimado en el error total. Para determinar el error porcentual, primero debemos de priorizar que el coeficiente de tensión superficial disminuye al aumentar la temperatura del medio. Por consiguiente trabajamos con la temperatura ambiente de 25° C. El valor teórico del coeficiente de tensión superficial para esta temperatura es de 72 dinas/cm. Haciendo las conversiones de unidades, se determinó el valor. -3
α = 72x10 N/m
3. Dé cinco ejemplos de aplicación práctica del fenómeno de tensión superficial: En los campos de ciencia, tecnología y hogar. Se usa mucho para crear productos químicos que sean capaces de penetrar en las fibras de los tejidos para arrancar la suciedad (detergentes). Estos productos bajan la tensión superficial y permiten que el agua moje mejor los espacios minúsculos entre las fibras. Se usa para crear productos impermeabilizantes. Impermeabilizantes elásticos Impermeabilizantes cemento Productos cementosos Pinturas impermeabilizantes Hidrofugantes ( productos que aumentan la repelencia al agua de la superficie del cuero sin reducir la permeabilidad al vapor de agua).
Para crear moléculas de productos especiales que al rociarse sobre las manchas de petróleo sean capaces de disolverlas (fertilizantes como nutrientes para las bacterias: nitratos y fosfatos).
En la antigüedad los pobladores peruanos usaban el choloque para lavar su ropa: El Choloque: El nombre es alusivo al de un árbol de la familia de las Sapindáceas, originario del Perú
en zonas cálidas y cuyos frutos se usan a manera de jabón. Así como el jabón el choloque disminuye la tensión superficial del agua. Actúa como una sustancia tenso-activa (generan espuma). Antiguos pobladores utilizaban el choloque como la penca y los modernos “jabón-detergente". El choloque, es una semilla que también se le conoce como jaboncillo, pues se comporta como tal, disminuyendo la tensión superficial del agua. Las moléculas de jabón se orientan y se disponen en la interfase con la cabeza hacia el agua y la ropa. Si se agita este sistema, la grasa o suciedad se subdivide en gotitas y cada una es rodeada por agua. Cada glóbulo de grasa tiene a su al rededor cargas eléctricas del mismo signo que, al repelerse, hacen que las partículas grasas queden separadas entre sí. Se dice, por esta propiedad, que el jabón emulsifíca las grasas.
El Stone Wash, o lavar golpeando la ropa es otra forma de disminuir la tensión superficial del agua,
pues por fricción estamos aumentando la temperatura, y se sabe que al aumentar la temperatura disminuye la tensión superficial de los líquidos. 4. El diámetro interior y exterior del aro son: 20 mm y 19mm .Halle la longitud sobre la cual la superficie tensora del liquido hace su acción. Sabemos que:
Además este va ser un anillo por lo cual tomaremos las medidas por los dos lados entonces:
() VI.
CONCLUSIONES
VII.
Se concluye que la determinación del coeficiente de tensión superficial del agua puede determinarse de distintas maneras. El α depende de la naturaleza de las dos fases puestas en contacto que, en general, será un líquido y un sólido. El valor de α depende de la magnitud de las fuerzas intermoleculares en el seno del líquido. De esta forma, cuanto mayor sean las fuerzas de cohesión del líquido, mayor será su tensión superficial. RECOMENDACIONES
Al usar el equipo automatizado es necesario no mover la mesa a fin de no producir vibraciones innecesarias. Revisar que la bureta este limpia antes de colocar el líquido. Ser minuciosos con los resultados para así obtener resultados más exactos y óptimos para el experimento.