Tensión Superficial PDF

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La tensión superficial se define en general como la fuerza que hace la superficie dividida por la longitud del borde de esa superficie. Así, la expresión que define lo anterior es: ...

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INFORME DE LABORATORIO TENSIÓN SUPERFICIAL

I.

POR: MARIBEL ARANGO ROMÁN

DÍA: MARTES 13 – 16

FECHA DE ENTREGA: 16/05/2017

PROFESOR: LEONARDO BETANCUR CASTRILLÓN

MARCO TEÓRICO.

Las moléculas de un líquido se atraen entre sí, de ahí que el líquido esté "cohesionado". Cuando hay una superficie, las moléculas que están justo debajo de la superficie sienten fuerzas hacia los lados, horizontalmente, y hacia abajo, pero no hacia arriba, porque no hay moléculas encima de la superficie. El resultado es que las moléculas que se encuentran en la superficie son atraídas hacia el interior de éste. La tensión superficial se define en general como la fuerza que hace la superficie dividida por la longitud del borde de esa superficie. Así, la expresión que define lo anterior es: 𝛾=

𝐹 2𝐿

La tensión superficial de puede medir por varios métodos entre ellos el método de elevación del capilar y el método del anillo. En el método de elevación del capilar, cuando un líquido se encuentra confinado dentro de un tubo capilar, éste forma un menisco cuya forma depende del ángulo de contacto y, dependiendo del valor de éste ángulo, ascenderá o descenderá. Si el ángulo de contacto es < 90° el líquido muestra ascenso capilar, en caso contrario se presenta descenso capilar. En este método se mide la ascensión de un líquido dentro de un tubo capilar. La magnitud del ascenso es inversamente proporcional al radio del capilar y directamente proporcional a la tensión superficial del líquido. Es el método más exacto, en parte porque no perturba la superficie, aunque es difícil de usar correctamente debido a la dificultad en la determinación de ángulos de contacto. La ecuación fundamental es: 𝛾=

ℎ𝑟𝑔 2

(𝜌𝑙𝑖𝑞 − 𝜌𝑎𝑖𝑟𝑒 )

Donde h es la diferencia de niveles entre el líquido del vaso y en el capilar, r es el radio del capilar, g es la aceleración de la gravedad, ρaire es la densidad del aire a la temperatura del experimento y ρliq es la densidad del líquido problema a la temperatura del experimento. El método del anillo de Du Noüy permite determinar la tensión superficial de un líquido a través de la fuerza requerida para retirar un anillo de platino – iridio o de oro de la superficie del líquido. El anillo se sumerge en el líquido y luego se lo hace ascender lentamente. A medida que el mismo sube, se forma un menisco de líquido y la fuerza ejercida pasa por un máximo y luego disminuye, desprendiéndose el líquido del anillo y volviendo a su posición original. El cálculo de la tensión superficial se basa en medir esa fuerza máxima, en la cual el ángulo de contacto es cero. La lectura sobre la escala en el momento de la ruptura es el indicativo de la tensión superficial aparente del líquido (𝛾𝐿 ′). Para obtener el valor real (𝛾𝐿 ) debe multiplicarse por un factor de corrección “k”, que se obtiene a partir de un líquido de tensión superficial conocida. 𝛾𝐿 = 𝑘 ∙ 𝛾𝐿 ′ II.

TABULACIÓN DE DATOS. -

Método del capilar.

Temperatura del laboratorio: 25°C Tensión superficial del agua a la temperatura del laboratorio: 72 dinas.cm-1

Altura a la cual asciende el agua en el capilar: 2,8 cm Densidad del aire: 0,0012 g.cm-3 Compuesto Etanol Isopropanol Agua -

Altura entre niveles(cm) 48,7 – 47,7 = 1 48,8 – 48 = 0,8 49,0 – 46,2 = 2,8

Método del anillo

Masa del papel: 0,5194 g Lectura en la escala para equilibrar el peso del papel, n=35,0 dinas.cm-1 Valor de s de cada escala del dial del tensiómetro= 1,2247 dinas.cm-1 Compuesto Agua Etanol Isopropanol Solución jabón 5 g.L-1 Solución jabón 4 g.L-1 Solución jabón 3 g.L-1 Solución jabón 2 g.L-1 Solución jabón 1 g.L-1 Solución jabón 0,8 g.L-1 Solución jabón 0,4 g.L-1 Solución jabón 0,2 g.L-1

Lectura en la escala del tensiómetro (n) 59,4 60,1 59,8 19,2 19,0 19,1 18,5 18,5 18,5 25,0 24,6 24,8 25,2 24,9 25,1 25,4 25,3 25,4 25,5 25,5 25,5 25,9 25,7 25,8 26,4 26,9 26,7 27,6 27,3 27,5 33,6 31,7 32,7

Datos auxiliares g= 981 cm.s-2 Densidad del agua= 0,9971 g.cm-3 Densidad del etanol= 0,789 g.cm-3 Densidad del isopropanol= 0,7863 g.cm -3 Tensión superficial etanol (20°C)= 22,3 din.cm-1 Tensión superficial isopropanol= 21,7 din.cm-1

III. -

CÁLCULO DE RESULTADOS. Método del capilar

Para encontrar el radio del capilar se utiliza la fórmula: 𝛾=

ℎ𝑟𝑔 (𝜌𝑙𝑖𝑞 − 𝜌𝑎𝑖𝑟𝑒 ) 2

Utilizando el valor teórico de la tensión superficial del agua y despreciando el valor dela densidad del aire (ya que con respecto a la del aire es mucho menor), despejando el radio de la fórmula se tiene: 𝑟=

2𝛾 ℎ𝑔𝜌𝑎𝑔𝑢𝑎

2(72) 𝑟 = (2,8)(981)(0,9971) = 0,05258 𝑐𝑚 Utilizando la misma fórmula de tensión superficial se encontró el valor correspondiente para el etanol y el isopropanol: 𝛾= 𝛾𝑎𝑔𝑢𝑎 =

ℎ𝑟𝑔 (𝜌𝑙𝑖𝑞 − 𝜌𝑎𝑖𝑟𝑒 ) 2

(2,8)(0,05258)(980) (0,9971 − 0,0012) 2 𝛾𝑎𝑔𝑢𝑎 = 71,84 𝑑𝑖𝑛 ∙ 𝑐𝑚 −1

𝛾𝑒𝑡𝑎𝑛𝑜𝑙 =

(1)(0,05258)(980) (0,789 − 0,0012) 2 𝛾𝑒𝑡𝑎𝑛𝑜𝑙 = 20,30 𝑑𝑖𝑛 ∙ 𝑐𝑚−1

𝛾𝑖𝑠𝑜𝑝𝑟𝑜𝑝𝑎𝑛𝑜𝑙 =

(0,8)(0,05258)(980) (0,7863 − 0,0012) 2 𝛾𝑒𝑡𝑎𝑛𝑜𝑙 = 16,18 𝑑𝑖𝑛 ∙ 𝑐𝑚−1

-

Método del anillo

Para encontrar el valor de S de cada escala del dial del tensiómetro se usó la siguiente ecuación: 𝑠=

𝑚𝑔 (0, 5194)(980) = 2. 𝐿. 𝑛 2(5,9375)(35)

𝑠 = 1,2247 𝑑𝑖𝑛 ∙ 𝑐𝑚 −1

Para calcular el valor de la tensión superficial para cada líquido se utiliza la siguiente expresión: 𝛾 = 𝑛𝑆 Compuesto Agua Etanol Isopropanol Solución jabón 5 g.L-1 Solución jabón 4 g.L-1 Solución jabón 3 g.L-1 Solución jabón 2 g.L-1 Solución jabón 1 g.L-1 Solución jabón 0,8 g.L-1 Solución jabón 0,4 g.L-1 Solución jabón 0,2 g.L-1

Lectura en la escala del tensiómetro (n) 59,8 19,1 18,5 24,8 25,1 25,4 25,5 25,8 26,7 27,5 32,7

S 1,2247 1,2247 1,2247 1,2247 1,2247 1,2247 1,2247 1,2247 1,2247 1,2247 1,2247

Tensión superficial en dinas.cm-1 73,24 23,39 22,67 30,37 30,74 31,12 31,23 31,60 32,70 33,70 40,05

Realizar un gráfico de tensión superficial vs concentración para las soluciones de jabón.

Tensión Superficial Vs Concentración Sln de Jabón Tensión superficial (dina/cm)

42 40 38 36 34 32 30 0

1

2

3

4

5

6

Concentración (g/L)

Calcular los porcentajes de error para los líquidos estudiados durante cada experimento. 𝛾𝑡𝑒𝑜𝑟 − 𝛾𝑒𝑥𝑝 | ×100 % 𝐸𝑟𝑟𝑜𝑟 = | 𝛾𝑡𝑒𝑜𝑟 -

IV. -

Para el método del capilar

-

Para el método del anillo

Agua= 0,22%

Agua=1,72%

Etanol= 8,97%

Etanol= 4,89%

Isopropanol=25,44%

Isopropanol= 4,47%

PREGUNTAS. Mencione 3 fenómenos en los cuales se manifiesta la existencia de la tensión superficial en un líquido.

Algunos ejemplos donde se observa la tensión superficial en un líquido son:    

Las hojas que quedan flotando en la superficie del agua. Agregar aceite al agua con la posterior formación de dos capas no miscibles. Algunos insectos que se pueden posar en el agua sin hundirse. La formación de pequeñas gotas de agua en la piel de una manzana al mojarla fruta.

-

Qué diferencia existe entre tensión superficial y viscosidad (desde el punto de vista fisicoquímico)

En ambos casos se trata de medidas de resistencia a alguna deformación. En el caso de la viscosidad se trata de la medida de la resistencia a la deformación para un fluido que puede mover a diferentes velocidades. Por su parte, la tensión superficial tiene como principal efecto la tendencia de un líquido a disminuir, en lo posible, su superficie para un volumen dado. -

Cómo varía la tensión superficial con la temperatura?

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, es decir, aumenta el movimiento de las moléculas que conforman el líquido. 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. -

Cuándo se dice que un líquido moja o no moja una superficie?

En base a la mojabilidad, los fluidos pueden clasificarse en: • •

Mojantes: Son aquellos que tienen la mayor tendencia a adherirse las superficies. No mojantes: Los que no se adhieren a la superficieo lo hacen parcialmente.

El estudio de la mojabilidad se hace a través de un ángulo θ denominado ángulo de contacto el cual es definido como el ángulo formado entre la superficie y la línea tangente al punto de contacto entre la gota de líquido con la superficie. Este ángulo depende de la energía superficial del sólido, la energía interfacial y la tensión superficial del líquido. Cuando θ menor a 90º el fluido es no mojante y mayor a 90º el fluido es mojante. Una tensión de adhesión de cero indica que los fluidos tienen igual afinidad por la superficie. La mojabilidad tiene sólo un significado relativo. Teóricamente, debe ocurrir mojabilidad o no mojabilidad completa cuando el ángulo de contacto es 0° o 180° respectivamente. Sin embargo, un ángulo de cero es obtenido sólo en pocos casos. -

Explicar la diferencia en la tensión superficial de los líquidos empleados en esta practica según su estructura molecular.

Para la soluciones jabonosas: Los surfactantes, como el jabón, son generalmente compuestos orgánicos anfifílicos (Se aplica a las moléculas que tienen una cabeza polar unida a una larga cola hidrófoba) que en medios acuosos migran hacia las superficies acuosas para que su componente hidrosoluble permanezca en la fase acuosa y el hidrófobo quede fuera de esa fase. Este organización y agregación de las moléculas de surfactante en las interfases agua-aire o agua-aceite afecta a las propiedades de estas superficies, disminuyendo en este caso la tensión superficial. En cuanto al agua y el alcohol. El agua presenta mayor tensión superficial debido a la energía generada por sus atracciones internas y mientras esa energía no sea por lo menos igualada con la energía del medio externo, el agua mantendrá dicha tensión. En el caso del alcohol, la energía de dichas interacciones es considerablemente menor y para el medio resulta más fácil igualar dicha energía resultando más fácil la penetración de dicho fluido. -

Qué conclusión puede inferir del gráfico de tensión vs concentración de las soluciones jabonosas.

La presencia de jabón en la solución reduce la tensión superficial de la misma. Dicho efecto es inversamente proporcional ya que al aumentar la concentración de jabón disminuye la tensión superficial de la solución. -

Cómo podrían emplearse, desde un punto de vista cuantitativo, los resultados de la tensión superficial obtenidos para las soluciones de jabón, en la valoración de una solución de jabón de concentración desconocida. ¿Qué restricciones tendría este procedimiento?

De la curva presente podría encontrarse su respectiva ecuación en función de la concentración para hallar la tensión superficial para cualquier concentración desconocida. Esta ecuación sólo serviría para analizar muestras que se hayan elaborado bajo las mismas condiciones que las soluciones originales, es decir a 25°C y utilizando el mismo tipo de jabón. No sería una ecuación general para todas las soluciones jabonosas ni a cualquier temperatura. -

¿Qué son agentes tensoactivos? Mencionar 5 de ellos.

Los tensioactivos llamados también surfactantes o agentes de superficie activa, son especies químicas con una naturaleza o estructura polar-no polar, con tendencia a localizarse en la interfase formando una capa monomolecular adsorbida en la interfase que cambia el valor de la tensión superficial. Las soluciones de tensioactivos resultan ser activas al colocarse en forma de capa monomolecular adsorbida en la superficie entre las fases hidrofílicas e hidrofóbicas. Esta ubicación "impide" el tráfico de moléculas que van de la superficie al interior de líquido en busca de un estado de menor energía, disminuyendo así el fenómeno de tensión superficial. Algunas sustancias tensoactivas pueden ser: jabonas, alcoholes, éteres, proteínas e hidrocoloides. -

¿Por qué en el tensiómetro de DuNouy se emplea un anillo de metales precioso como el oro o de una aleación platino-iridio?

Al emplear este tipo de metales se garantiza que el líquido que se va a estudiar no va a reaccionar con el anillo con el cual se encuentra en contacto. Entonces, el anillo del tensiómetro debe elaborarse de materiales que sean inertes químicamente con las muestras para evitar que se altérenlas mediciones realizadas. -

Mencionar 3 empleos prácticos del fenómeno de la tensión superficial.

En minería, puede aprovecharse el fenómeno de tensión superficial en el método de separación de minerales por flotación. En la industria de pinturas también se aprovecha dicha propiedad en la elaboración de pinturas impermeabilizantes. Impermeabilizar es hidrofobizar una superficie determinada para que el agua escurra en vez de penetrar. Los detergentes y jabones a los que se recurre en caso de limpieza. Con las soluciones jabonosas se busca separar lo limpio de lo que se denomina sucio V.

ANÁLISIS DE RESULTADOS.

De forma general, los resultados obtenidos fueron buenos ya que los porcentajes de error obtenidos para ambos métodos son relativamente bajos exceptuando el valor obtenido para el isopropanol en el método del capilar. Por otra parte, en el gráfico es bastante apreciable la relación que existe entre la función tensoactiva del jabón en un medio tan tenso como el agua. Como se observa, los tenso activos como el jabón afectan la tensión superficial de un medio ya que reducen la resistencia a la penetración del mismo por el rompimiento de las atracciones entre las moléculas internas del agua (para este caso) lo que no permite que se forme la especie de membrana que recubriría el medio. Para todos los resultados obtenidos en la práctica, deben considerarse errores sistemáticos debido a la operación de los estudiantes, donde por un inadecuado uso de los equipos o una mala lectura de los valores mostrados por estos implicaría directamente una variación de los resultados registrados. Además, debe tenerse en cuenta que los porcentajes de error fueron hallados con valores teóricos a una diferente temperatura que la del laboratorio; aunque la temperatura de dichos datos es bastante cercana a la experimental de alguna forma de pueden ver afectados los resultados obtenidos alejándolos quizás un poco de los reales. VI.

BIBLIOGRAFÍA.

Rincón, F. (2004). Manual de laboratorio de fisicoquímica. Universidad de Antioquia: Reimpresos, duplicación de textos y documentos académicos. Pp 43 – 54....