Práctica 2 20 21 PDF

Preview

Summary

guion...

Description

Asignatura: Química Física Determinación de la tensión superficial de un líquido por el método del peso de la gota Objetivo En esta práctica se pretende determinar las tensiones superficiales del etanol y del agua con una elevada concentración de un electrolito fuerte (NaCl), así como realizar una medida de la disminución en la tensión superficial del agua cuando se le añade como soluto un detergente comercial. Fundamento La tensión superficial de un líquido se define como el trabajo necesario para aumentar, a temperatura constante y de modo reversible, el área de una superficie en una unidad. La tensión superficial nos permite explicar la forma esférica de las gotas de agua, los procesos de detergencia, etc. En la Figura 1 se muestran las fuerzas existentes entre las moléculas de un líquido, por ejemplo agua.

Figura 1. Representación de las fuerzas existentes en el interior de un líquido.

En el interior del líquido, una molécula de agua está rodeada de otras de su misma especie. Las interacciones se distribuyen en todas direcciones sin existir ninguna privilegiada. Sin embargo, en la interfase que limita la gota y la separa del aire, la situación es diferente. Una molécula de agua que ocupe cualquier posición de esta superficie, no tiene a otras sobre ella, lo que significa que no está sometida a interacciones con otras moléculas de agua, más allá de la interfase. En consecuencia, se da una asimetría en la distribución de las interacciones, y la aparición de una fuerza resultante neta que apunta hacia el interior de la gota. En términos de estabilidad, una molécula de agua se encuentra en una situación mucho más favorable cuando se encuentra en el interior que cuando se encuentra en la interfase. Esto es así porque debido a la fuerza resultante que apunta hacia el interior, el acceso de moléculas internas hacia la superficie corresponde con un proceso energéticamente costoso. Para vencer esta fuerza, el sistema debe consumir parte de su energía interna en

realizar el trabajo necesario para llevarla hasta allí. El trabajo necesario (dW) para incrementar en dA la superficie de la gota se calcula como: (1) dW = ! dA donde γ representa la tensión superficial y sus unidades son N/m. Se dice que una sustancia es un agente tensoactivo cuando produce un descenso significativo en la tensión superficial de un líquido; mientras que si lo incrementa se denomina tensoinactivo o soluto inactivo. Existen varios métodos para determinar la tensión superficial. El método del peso de la gota es muy conveniente para la medición de la tensión superficial en una interfase líquido-aire. Consiste en conocer el peso o medir el volumen de las gotas de un líquido que se desprenden lentamente de la punta de un tubo estrecho o capilar montado verticalmente. El peso de la gota se relaciona con la tensión superficial. El momento de desprendimiento de las gotas ocurre cuando su peso ya no está equilibrado por la tensión superficial que se ejerce a lo largo de la periferia exterior del extremo de la pipeta.

Figura 2. Desprendimiento de una gota en un capilar.

Para que una gota de líquido se desprenda y caiga, es preciso que su peso supere en una cantidad infinitesimal al trabajo ejercido por la tensión superficial para la ampliación de su superficie. En el caso de un líquido que gotea en el extremo de un tubo capilar de radio r, la condición de equilibrio en el instante anterior al desprendimiento de la gota es, P = ! !l

(2)

Por lo que se deduce:

!=

m ! g m´ g = 2 " r 2" r#

(3)

donde m es la masa de la gota ideal, m’ es la masa de la gota desprendida, medida experimentalmente, g es la aceleración de la gravedad, r es el radio exterior del capilar (el radio de la circunferencia de contacto líquido-vidrio) y ϕ es una función correctora que tiene en cuenta los restos de masa del líquido que no se desprende del extremo del capilar y que distingue a la gota ideal de la desprendida. Se ha comprobado que la masa de la gota obtenida por este método es menor que el valor ideal. La parte superior de la gota en formación, corresponde con un cuello cilíndrico, mecánicamente poco estable. Debido a la existencia de este cuello, se observa que sólo se desprende de la gota en

formación una pequeña porción, pudiendo quedar hasta un 40% del líquido adherido al capilar para entrar a formar parte de la siguiente gota. Para compensar este efecto, se incorpora la función ϕ. Su valor depende de la relación entre el radio externo del capilar y la raíz cúbica del volumen real de la gota desprendida (r/V1/3) y sus valores pueden calcularse por la expresión empírica de Harkins y Brown. Referencias bibliográficas FísicoQuímica de I. N. Levine (capítulo13) Química Física de J. Bertrán y J. Núñez (capítulo 47)

Material y Reactivos 3 Vasos de precipitados de 100 mL 1 Vaso de precipitados de 250 mL 3 Matraces Erlenmeyers de 100 mL 2 Matraces aforados de 100 mL 1 Picnómetro 1 Bureta de 25 mL de punta fina 1 Varilla de vidrio Cronómetro Detergente comercial Etanol 2 L de NaCl 1M para compartir Agua destilada Acetona (para secar material)

Procedimiento Experimental Una simple bureta, con una punta lo más fina posible, es un instrumento adecuado para una primera aproximación a la determinación de tensiones superficiales. La punta debe estar completamente limpia. Para la obtención de una adecuada precisión, el sistema debe estar exento de vibraciones. Además, las gotas debe formarse lentamente y despreciarse la primera y las siguientes, hasta obtenerse un régimen estacionario de caída. 1. Calibración de las buretas con agua purificada. Cálculo del radio estimado de cada bureta. Enrase la bureta con agua destilada. Abra la llave de manera que caiga su contenido, gota a gota, a razón de unas seis por minuto (aprox.) y deseche las 5 primeras que caerán sobre uno de los vasos de precipitado. Utilice un matraz Erlenmeyer, previamente tarado, para contener las siguientes 40 gotas. Vuelva a pesar y calcule el peso de las 40 gotas por diferencia con el peso del matraz vacío. Seque perfectamente el matraz y repita la experiencia.

2. Determinación de la tensión superficial del etanol. Opere del mismo modo que en el proceso de calibración pero, en este caso, con la bureta enrasada con etanol. Anote las masas de 40 gotas de

etanol. Realice la determinación dos veces con la misma bureta y lleve a cabo los cálculos necesarios. 3. Determinación de la tensión superficial de una disolución de NaCl 1 M. Prepare 100 mL de una disolución 1M de NaCl. Calcule la densidad de la disolución de NaCl utilizando el picnómetro. Posteriormente, opere de la misma manera que en el caso anterior. Anote las masas de 40 gotas de la disolución. 4. Determinación de la tensión superficial del agua con detergente comercial. Pese 1 g de detergente en un vaso de 250 mL. Añada 100 mL de agua medidos en un matraz aforado y homogenice por agitación con una varilla de vidrio. Opere de la misma manera que en los casos anteriores y determine la masa de 40 gotas. Cálculos y resultados a) Cálculo del radio de la circunferencia de contacto líquido-vidrio. Una vez conocida la masa media de la gota de agua desprendida de la bureta, y el valor de la tensión superficial que se proporciona en la siguiente tabla, determine a partir de la ecuación (3) el valor del radio de la circunferencia de contacto líquido-vidrio (rBureta) que se utilizará en las próximas medidas. Tome ϕ=1 como factor corrector. Tabla 1. Valor de la tensión superficial del agua a distintas temperaturas.

b) Cálculo de la tensión superficial del etanol. A partir de la masa media de la gota desprendida y de la densidad del etanol puede determinar el volumen medio (V) de la gota de etanol. Con los valores de rBureta y V determine el factor ϕ con la función de ajuste, un polinomio de grado 7 desarrollado por Lee-Chan-Pogaku sobre los datos experimentales de Harkins y Brown and Wilkinson. Determine la tensión superficial del etanol con la ecuación (3). Exprese el resultado en mN/m. ! ! ! ! ! ! ! ! = 1,000 − 0,9121 !/! − 2,109 !/! + 13,38 !/! − 27,29 !/! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! + 27,53 !/! − 13,58 !/! + 2,593 !/! ! ! ! ! ≤ 1,20 0,00 ≤ !/! ! c) Cálculo de la tensión superficial de la disolución de NaCl y de detergente. Proceda de manera análoga al apartado anterior para calcular las tensiones superficiales de estas dos disoluciones.

Cuestiones a) Resultaría lo mismo obtener un promedio a 20 gotas que a 50 gotas en el método de pesada de la gota. b) ¿Qué otros métodos existen para la determinación de la tensión superficial?. Recoger las referencias bibliográficas. c) Los tensoactivos tienden a disminuir la tensión superficial del agua. ¿Por qué motivo?. Recoger las referencias bibliográficas. d) Explique las diferencias entre tensoactivos aniónicos y catiónicos. Cite algunos. Recoger las referencias bibliográficas.

Empleo del picnómetro. El picnómetro es un instrumento que sirve para medir la densidad de líquidos. La utilización correcta de este material requiere proceder según se indica a continuación: Calibración. Esta operación es necesaria para conocer el volumen del picnómetro a la temperatura de trabajo y se realizará solamente una vez. - Pese el picnómetro completamente seco y anote el peso. Mida la temperatura ambiente y anótela también. - Llene el picnómetro con agua destilada hasta rebosar y posteriormente coloque el tapón. - Seque la superficie de manera que el nivel del agua se sitúe en la marca del tapón. - Vuelva a pesar y calcule por diferencia la masa de agua contenida en el picnómetro. Con los datos de masa y densidad del agua, determine el volumen de picnómetro y anótelo. Calcule la densidad del agua con la siguiente expresión: ρ(agua)= (30,0658-7,48·10-3 T)/30 donde, ρ(agua), es la densidad del agua expresada en g/cm3, T, es la temperatura en grados centígrados. Medida de densidades. - Llene el picnómetro a rebosar con el líquido cuya densidad desea conocer y coloque el tapón. - Seque la superficie de manera que el nivel se sitúe en la marca del tapón. - Pese y calcule por diferencia la masa de líquido contenido en el picnómetro. - Calcule la densidad dividiendo la masa de líquido entre el volumen del picnómetro....