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TENSION SUPERFICIAL DE LIQUIDOS

1.- OBJETIVOS

Determinación de la tensión superficial de un líquido a diferentes temperaturas por el método del ascenso capilar.

Mediante las gráficas reconocer la relación existente entre la tensión superficial del agua y la variación de la temperatura.

2.- FUNDAMENTO TEÓRICO

Tensión superficial :

Dentro de un líquido, alrededor de una molécula actúan atracciones simétricas pero en la superficie, una molécula se encuentra sólo parcialmente rodeada por moléculas y en consecuencia es atraída hacia adentro del líquido por las moléculas que la rodean. Esta fuerza de atracción tiende a arrastrar a las moléculas de la superficie hacia el interior del líquido (tensión superficial), y al hacerlo el líquido se comporta como si estuviera rodeado por una membrana invisible.

La tensión superficial es responsable de la resistencia que un líquido presenta a la penetración de su superficie, de la tendencia a la forma esférica de las gotas de un líquido, del ascenso de los líquidos en los tubos capilares y de la flotación de objetos u organismos en la superficie de los líquidos.

Termodinámicamente la tensión superficial es un fenómeno de superficie y es la tendencia de un líquido a disminuir su superficie hasta que su energía de superficie potencial es mínima, condición necesaria para que el equilibrio sea estable. Como la esfera presenta un área mínima para un volumen dado, entonces por la acción de la tensión superficial, la tendencia de una porción de un líquido lleva a formar una esfera o a que se produzca una superficie curva o menisco cuando está en contacto un líquido con un recipiente.

A la fuerza que actúa por centímetro de longitud de una película que se extiende se le llama tensión superficial del líquido, la cual actúa como una fuerza que se opone al aumento de área del líquido. La tensión superficial es numéricamente igual a la proporción de aumento de la energía superficial con el área y se mide en erg/cm2 o en dinas/cm. La energía superficial por centímetro cuadrado se representa con la letra griega gamma ( γ ). En el grafico se muestra cómo actúan las fuerzas sobre una molécula de agua.

Figura 1. Moléculas del líquido

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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.

Método para hallar la tensión superficial

a) Ascenso capilarCuando 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.

Figura 2. Ascenso del líquido en el capilar

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 están representado en la ecuación de Young-Laplace.

ΔP=2 . γR

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.

Laboratorio de Fisicoquímica

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El método de un capilar utiliza la siguiente ecuación

γ=h×g×r×ρ2cosθ

Donde h = altura de la columna líquida dentro del capilar, g = aceleración debida a la gravedad; r es el radio del capilar; p densidad del líquido en cuestión.

Para ángulos de contacto que tienden a cero y líquidos que mojan totalmente las paredes de los capilares, el ángulo = 0 entonces la fórmula a seguir es:

γ=h .g . rρ2

Para calcular el cambio de entropía recurrimos a la termodinámica:

dU = TdS – PdV

Sea:

W = PdV = σ Da dU = TdS - σ dA

Como las fuerzas de cohesión realizan un trabajo para aumentar el área superficial, la energía interna no varía, ya que no hay en el fenómeno un cambio de temperatura. Por la tanto queda:

TdS = σ dA

El Cambio de Entropía depende del cambio de Área, por consiguiente:

dSdA =

σT

Donde

dSdA es el cambio de entropía por unidad de Área.


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3.- DATOS

3.1.-Datos Experimentales:

a) Liquido 1: Agua

agua

T(°C) 26°C 39°C 57°C

H(cm) 3.1 3.2 3 2.8 2.9 2.8 2.6 2.7 2.7

b) Liquido 2: Etanol

Profundidad del tubo capilar: aprox. 1cm

3.2.-Datos Biográficos:

Densidad a distintas Temperaturas

Agua

Temperatura (°C)

Densidad(kg / m3)

26 996,8639 992,6357 984,66

Tensión Superficial a distintas Temperaturas

Agua

Temperatura (°C)

Tensión Superficial( 10^(-2)N/m

26 7.24039 7.02857 6.716

4.-TRATAMIENTO DE DATOS:

4.1.- Usando la ec. (4) de la guía, para el agua a 26°C y con ayuda de manuales, determine el radio capilar:

La ecuación 4 es la siguiente:


etanol

T(°C) 25°C

H(cm) 2.3 2.1 2.2

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Ahora despejando:

A 26°C:

σ =0.0724N/m; ρ = 996.86kg/m3; h= 0.031m y Θ=0°

Reemplazando los datos:

r = 4.781 x 10-4

4.2.- Cálculos de la tensión superficial a diferentes temperaturas experimentales en dy/cm; para el agua y los otros líquidos:

Para el agua:

Temperaturas 26°C 39°C 57°CDensidad del agua 996.86kg/m3 992.63 kg/m3 984.66 kg/m3

Altura promedio 0.031m 0.0283m 0.0266m

Hallando la tensión superficial a cada temperatura:

A 26°C:

σ = [(0.031) (996.86) (9.8) (4.781 x 10-4)]/2

σ =0.07239 N/m

A 39°C:

σ = [(0.0283) (992.63) (9.8) (4.781 x 10-4)]/2

σ =0.06581 N/m

A 57°C:

σ = [(0.0266) (984.66) (9.8) (4.781 x 10-4)]/2

σ =0.06136 N/m

Para el etanol:

Temperatura 25°C

Densidad del etanol 789 kg/m3

Altura promedio 0.022m

A 25°C:

σ = [(0.022) (789) (9.8) (4.781 x 10-4)]/2

σ =0.04067 N/m


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4.3.- Haga un cuadro comparativo de estos valores y grafique (vs. (°K):

Liquido Temperatura σExperimental

σ Teórico % Error

Agua

26°C 72.39 dinas/cm 72.4 dinas/cm 0.01%



Etanol25°C 40.67dinas/cm 22.3 dinas/cm 82.37%

a) Grafica de Tensión Superficial(N/m) vs. Temperatura (K):

295 300 305 310 315 320 325 330 3350.0540.0560.058

0.060.0620.0640.0660.068

0.070.0720.074

Tension Superficial vs. Temperatura

Temperatura (K)

Tens

ion

Supe

rficia

l (N/

m)

y = -0.0003x + 0.176


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4.4.- Calcule el cambio de entropía por unidad de área:

Basándonos en la siguiente ecuación:

En la experiencia que hemos no se ha realizado ningún tipo de reacción química por lo que la entalpia se mantiene constante entonces la variación de entalpia seria cero (ΔH= 0).

a) Para el agua:

A 26°C:

(-0.07239 N/m)/299K=-2.4210x10-4N/m K

A 39°C:

(-0.06581 N/m)/312K=-2.1092x10-4N/m K

A 57°C:

(-0.06136 N/m)/330K=-1.8593x10-4N/m K

b) Para el etanol:

A 25°C:

(-0.04067 N/m)/298K=-1.3647x10-4 N/m K

6.-CONCLUSIONES:

El cambio de entropía por unidad de área nos indica el aumento de desorden molecular debido al cambio de área superficial. Mientras más tensión superficial tenga el líquido, habrá un mayor desorden por unidad de área cuando aumente el área superficial.

El etanol tiene menor tensión superficial que el Agua ya que es un compuesto menos polar. Esto se verifica en el experimento cuando presenta un menor ascenso capilar debido a que las fuerzas de cohesión son menores, por lo tanto no asciende mucho por dicho tubo como lo hace el Agua. Por lo tanto, mientras más Tensión Superficial tenga un líquido, mayor será su ascenso por el tubo capilar.

El agua tiene una alta tensión superficial, respecto al etanol, por los puentes de hidrógeno que originan una mayor polaridad, y por consiguiente una mayor repulsión en sus moléculas que originan que las fuerzas de adhesión entre las moléculas sean menores que las fuerzas de cohesión entre las moléculas y las paredes del recipiente.


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Se determinó también que por medio del método del ascenso capilar, los valores hallados de la tensión superficial no están muy alejados de los valores en tablas, salvo el del etanol; por lo tanto hace de este método confiable.

7.-RECOMENDACIONES:

Al realizar el laboratorio correspondiente verificar que el capilar, la escala y el termómetro estén sujetados bien ya que influiría en el error al obtener los datos.

Los líquidos que estudiamos deben encontrarse libre de impurezas. Al momento de sumergir el vaso precipitado con el líquido que se va a estudiar,

evitar que parte del otro líquido que se encuentra en el termo ingrese al vaso. Comprobar que todos los materiales de laboratorio se encuentren en buen

estado. Revisar minuciosamente los capilares, que se encuentren totalmente limpios de

residuos que puedan afectar en la medición de la tensión de los líquidos.


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