Tensión superficial
Publicado el 30 de abril de 2025 · Por admin
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Las fuerzas de atracción y de repulsión intermoleculares afectan propiedades de la materia, tales como el punto de ebullición, punto de fusión, calor de vaporización y tensión superficial. Dentro de un líquido, las moléculas experimentan atracciones simétricas en todas direcciones.
Sin embargo, en la superficie, una molécula se encuentra solo parcialmente rodeada por otras moléculas, lo que provoca que sea atraída hacia el interior del líquido por las moléculas de la superficie, un fenómeno conocido como tensión superficial. Debido a esta tensión, el líquido se comporta como si estuviera rodeado por una «membrana invisible».
La tensión superficial es responsable de la resistencia de un líquido a la penetración en su superficie, de la tendencia de las gotas a adoptar una forma esférica, del ascenso de los líquidos en tubos capilares y de la flotación de objetos u organismos en la superficie de los líquidos.
Desde el punto de vista termodinámico, la tensión superficial es un fenómeno de superficie que representa la tendencia de un líquido a minimizar su área superficial para alcanzar la condición de menor energía potencial, lo cual es necesario para que el sistema esté en equilibrio estable. Como una esfera tiene la menor área para un volumen dado, la tensión superficial tiende a hacer que una porción de líquido adopte una forma esférica o que forme una superficie curva o menisco cuando el líquido está en contacto con un recipiente.
La fuerza que actúa por centímetro de longitud de una película líquida se denomina tensión superficial del líquido. Esta fuerza se opone al aumento del área superficial del líquido. La tensión superficial es igual, en términos numéricos, a la razón de aumento de la energía superficial con el área, y su unidad de medida es el erg/cm² o la dina/cm. La energía superficial por centímetro cuadrado se representa por la letra griega $\gamma$.
Métodos para Determinar la Tensión Superficial
Existen varios métodos para determinar la tensión superficial. Estos pueden ser clasificados en métodos estáticos o dinámicos, dependiendo del tiempo de exposición de la superficie, y en métodos basados en tubos capilares o superficies curvas.
Método del Ascenso Capilar
Cuando un líquido asciende por un tubo capilar y moja las paredes del tubo, se forma un menisco cóncavo en la interfaz líquido-aire debido a 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 el ascenso del líquido en el capilar hasta que las presiones se igualan; es decir, hasta que la presión hidrostática de la columna de líquido en el capilar equilibra la presión externa.
El equipo para determinar la tensión superficial mediante el método de ascenso capilar se muestra a continuación
A medida que el líquido asciende por el capilar, la diferencia de presión aumenta, lo que incrementa el valor de la tensión superficial del líquido. Esta relación está representada en la ecuación de Young-Laplace:
donde $\gamma$ es la tensión superficial, $\Delta P$ la diferencia de presión y $r$ el radio del capilar.
La capilaridad es un fenómeno influenciado por la magnitud relativa de las fuerzas de cohesión entre moléculas del mismo líquido y las fuerzas de adhesión entre el líquido y las paredes del capilar.
Si la adhesión es mayor que la cohesión (adhesión > cohesión), el líquido asciende hasta que la fuerza de cohesión queda equilibrada por el peso del líquido. Si la cohesión es mayor que la adhesión, el líquido desciende por el capilar, formando un menisco convexo.
Estas fuerzas también determinan el ángulo de contacto que forma el líquido con la superficie del capilar. Si este ángulo es pequeño, se dice que el líquido moja la superficie, formando un menisco cóncavo.
En equilibrio, la relación entre las fuerzas de adhesión y cohesión puede expresarse como:
Despejando $\sigma$ (tensión superficial):
Para la mayoría de los líquidos en contacto con superficies de vidrio limpias, el ángulo de contacto es cero ($\cos \theta = 1$), entonces:
Esta ecuación permite calcular la tensión superficial del líquido cuando el ángulo de contacto es cero, situación que es común en líquidos que mojan superficies de vidrio limpias.
Materiales
- Equipo de medición de tensión superficial por capilaridad
- Regla milimitrada
- Termómetro
Reactivos
- Agua destilada
- Solución etanol – agua
Procedimiento
Introducir el líquido de referencia en el tubo receptor, aproximadamente hasta la mitad de su capacidad.
Esperar a que el líquido ascienda por los capilares y se estabilice. Medir la diferencia de altura de la columna de líquido en los capilares. Repetir esta medición varias veces para obtener un promedio y asegurar que el valor se encuentre por triplicado.
Limpiar cuidadosamente el equipo y secar los capilares después de cada medición.
Repetir el procedimiento para la solución etanol – agua. Se pueden medir soluciones con distintas concentraciones para observar el comportamiento
Después del laboratorio
Registrar los datos en la siguiente tabla
| Temperatura (ºC) | Altura (mm) |
|---|---|
| 25 | 10 |
| 30 | 8 |
| 40 | 7 |
| 60 | 6 |
| 80 | 5 |
| 100 | 4 |
Cálculo del Radio del Capilar
Usando el valor de la tensión superficial del agua a 25ºC, $\gamma_{H_2O} = 72$ dinas/cm, y aplicando la ecuación:
Agua Destilada
| Temperatura (ºC) | Altura (cm) | Densidad (g/cm³) | Tensión Superficial (dina/cm) |
|---|---|---|---|
| 25 | 1.0 | 0.99708 | 72.0000 |
| 30 | 0.8 | 0.99568 | 57.5190 |
| 40 | 0.7 | 0.99225 | 50.1558 |
| 60 | 0.6 | 0.98324 | 42.6003 |
| 80 | 0.5 | 0.97183 | 35.0883 |
| 100 | 0.4 | 0.95838 | 27.6800 |
Solución de Etanol-Agua a Temperatura Ambiente
| Fracción Molar de Etanol (X) | Altura (cm) | Densidad (g/cm³) | Tensión Superficial (dina/cm) |
|---|---|---|---|
| 0.3 | 0.7 | 0.95382 | 48.2133 |
| 0.6 | 0.5 | 0.89113 | 32.1746 |
Analizar la relación entre la concentración de etanol en solución y su tensión superficial. Compararlo con la tensión superficial del agua destilada.
