2p Efecto De La Temperatura Sobre La Tension Superficial (fisicoquimica3)

Universidad Nacional Autónoma de México Facultad de Estudios Superiores Cuautitlán Química Laboratorio de Fisicoquímica III Práctica No. 1 (Investigación previa) “Efecto de la temperatura sobre la tensión superficial” Martínez Luna Itzel Fecha: 21/agosto/12 OBJETIVOS 1. Determinar experimentalmente los valores de tensión superficial de líquidos puros, así como los cambios que pueda sufrir esta con la temperatura. 2. Calcular la energía de superficie total de los líquidos utilizados en función de la temperatura. 3. Determinar experimentalmente las constantes de Eötvös, Katayama y Van de Waals  – Guuuenheim, las cuales presentan modelos matemáticos que plantean la dependencia de la te nsión superficial con la temperatura. INVESTIGACION PREVIA  Dependencia de la tensión superficial con la temperatura. Una de las características de la tensión superficial es que su valor disminuye cuando cuando se incrementa la temperatura, esto es porque aumenta la agitación té rmica, es decir que las moléculas que c onforman el líquido aumentan su movimiento, lo que par efectos prácticos resulta e n una disminución de las fuerzas de cohesión que actúan sobre las moléculas. De esto se puede apreciar que la tensión superficial de un liquido liquido tiende a cero siempre que la temperatura de dicho sistema se acerca a la temperatura critica del sistema, ya que en este punto no hay una clar a distinción entre el estado liquido y vapor de una sustancia y en consecuencia no se puede apreciar una interface bien definida o alguna superficie entre ambas. La tensión superficial es inversamente proporcional a la te mperatura:  Ecuaciones de Eötvös, Katayama y Van de Waals  – Guggenheim Los resultados experimentales muestran que la tensión superficial disminuye con la temperatura siendo, para muchos líquidos, una función lineal de la misma. Existen varias relaciones empíricas que vinculan la tensión superficial con la temperatura. Entre ellas podemos mencionar la propuesta por Rolan Roland d Von Von Eö tv ös en 1886, según la cual: M En esta ecuación, V  es el volumen molar, T  c es la temperatura crítica y k  una constante de proporcionalidad. Se puede demostrar que el área  A de cualquier cuerpo está vinculado a su volumen por una expresión del tipo De modo que el volumen volumen molar elevado a esa potencia potencia en la ecuación es proporcional al área superficial superficial molar. El producto de esa área molar superficial por la tensión superficial da la energía superficial molar. La ecuación de Eötvös es coherente en el sentido de que el punto crítico no hay superficie de separación entre ambas fases. Siendo William Ramsay y John Shields encontraron en 1893 que la ecuación de Eötvös se adapta mejor a los resultados re sultados experimentales si se la expresa. Esto implica que la tensión superficial se anula 6 K  por debajo de la temperatura crítica, lo que está de acuerdo con el hecho experimental de que cuando se tiene un líquido en un tubo estrecho, el menisco que separa el liquido de la fase o vapor desaparece a unos 6 por debajo de la temperatura crítica. La constante k  de las ecuaciones de Eötvös y de Ramsay y Shields, viene dada por la pendiente de la recta que resulta de representar la energía superficial molar en función de la temperatura. Por ello k  recibe el nombre de coeficiente de temperatura de la energía superficial molar . Para un gran número de sustancias al estado líquido el valor de k  es 2,12. Los líquidos para los cuales k  tiene este valor se llaman normales. Otros líquidos, como el agua, el alcohol etílico y, en general, todos aquellos que forman asociaciones moleculares por puente de hidrógeno o por otras causas, tienen valores que no sólo son menores que 2,12 sino que, además, varían con la temperatura. Se ha intentado calcular el grado de asociación de estos líquidos, estimando que valor debería tener la masa molar para que k  fuese 2,12. Estudios modernos han probado que la asociación molecular no es la única causa que afecta el valor de k . Así, sustancias que aparentemente no presentan asociación molecular, como el nitrilo del ácido succínico, tienen valores muy bajos de k  – del orden de 0.56 y otras como el triestearato de glicerilo valores muy altos: 6 ,0. Diferenciando la ecuación Gs = Y en t érminos de la temperatura se obtiene: Esto es, de la dependencia de la temperatura de la tensión superficial se obtiene la entropía superficial especifica. Una ecuación semiempirica para predecir la dependencia de la tensión superficial con la temperatura fue propuesta por Van der Waals y Guggenheim: o Donde, Tc es la temperatura critica (temperatura a la cual la fase condensada desaparece) y, Y = Y a T= 0 K. de acuerdo con la ecuación anterior, la tensión superficial desaparece a T =Tc. La determinación de n es experimental y tiene un valor cercano a la unidad para metales y algo mayor a la unidad para muchos líquidos orgánicos.  Temperatura critica y tensión superficial Si tenemos el líquido en equilibrio con su vapor, las diferencias entre las fases disminuyen a medida que nos acercamos a la temperatura crítica, Tc, momento en que desaparece la interfase y existe una única fase (fluido supercrítico). Por lo tanto para una temperatura igual o superior a Tc γ=0. Cabe esperar pues que γ disminuya a medida que T aumenta hasta llegar a Tc. Desde un punto de vista molecular, el aumento de la temperatura se traduce en una mayor energía cinética de las moléculas, lo que les permite vencer más fácilmente las atracciones existentes entre ellas y pasar más fácilmente a la interfase.  Energía de superficie total La asimetría en la distribución de las fuerzas atractivas llega al máximo cuando la molécula se encuentra en la superficie del líquido. Por esta razón, para llevar una molécula desde A hasta C hay que realizar un trabajo que queda almacenado en la s. del líquido en forma de energía potencial. Energía total de superficie de los líquidos. La energía total de s. de los líquidos puede obtenerse midiendo el coeficiente de tensión superficial a temperaturas diferentes. La influencia de la temperatura es muy pequeña, pero ahora el valor de la energía no es completamente independiente de la estructura molecular. El valor de esta energía puede calcularse muchas veces a partir del calor de vaporización. En algunas moléculas simétricas, la energía total de s. es, con mucha aproximación, la mitad del calor de vaporización. A medida que la molécula es menos simétrica, la energía total de s. es una fracción tanto más reducida del calor de vaporización. En el alcohol metílico, p. ej., apenas vale un octavo del calor de vaporización. Tensión superficial de los sólidos. La energía libre de las s. de los sólidos es mucho más difícil de medir que la de los líquidos. La entalpía de una unidad de área de cualquier superficie, que es igual a la energía total de superficie Es , se expresa por la ecuación: (γ = energía libre de la superficie por unidad de área; S = Entropía de la superficie por unidad de área, T = temperatura absoluta). Toda Interfase es el lugar de una fuerza de tensión que actúa en el plano de la interfase, a tal fuerza de tensión se le conoce como tensión superficial y se considera igual a la energía libre de superficie. La entropía de la superficie a presión constante se expresa por la ecuación: De manera que la energía total de superficie puede relacionarse con la tensióninterfacial mediante la ecuación: El agua en contacto con el aire 20° C tiene una tensión de superficie de 0.073 N/my dγ /dT es igual a-1.6 x 10-4 N/m °C. La energía total de superficie del agua es, 0.12N/m.
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Universidad Nacional Autónoma de México Facultad de Estudios Superiores Cuautitlán

Química Laboratorio de Fisicoquímica III Práctica No. 1 (Investigación previa)

“Efecto de la temperatura sobre la tensión superficial”
Martínez Luna Itzel Fecha: 21/agosto/12

OBJETIVOS 1. Determinar experimentalmente los valores de tensión superficial de líquidos puros, así como los cambios que pueda sufrir esta con la temperatura. 2. Calcular la energía de superficie total de los líquidos utilizados en función de la temperatura. 3. Determinar experimentalmente las constantes de Eötvös, Katayama y Van de Waals – Guuuenheim, las cuales presentan modelos matemáticos que plantean la dependencia de la tensión superficial con la temperatura. INVESTIGACION PREVIA  Dependencia de la tensión superficial con la temperatura. Una de las características de la tensión superficial es que su valor disminuye cuando se incrementa la temperatura, esto es porque aumenta la agitación térmica, es decir que las moléculas que conforman el líquido aumentan su movimiento, lo que par efectos prácticos resulta en una disminución de las fuerzas de cohesión que actúan sobre las moléculas. De esto se puede apreciar que la tensión superficial de un liquido tiende a cero siempre que la temperatura de dicho sistema se acerca a la temperatura critica del sistema, ya que en este punto no hay una clara distinción entre el estado liquido y vapor de una sustancia y en consecuencia no se puede apreciar una interface bien definida o alguna superficie entre ambas. La tensión superficial es inversamente proporcional a la temperatura:

 Ecuaciones de Eötvös, Katayama y Van de Waals – Guggenheim Los resultados experimentales muestran que la tensión superficial disminuye con la temperatura siendo, para muchos líquidos, una función lineal de la misma. Existen varias relaciones empíricas que vinculan la tensión superficial con la temperatura. Entre ellas podemos mencionar la propuesta por Roland Von Eötvös en 1886, según la cual: En esta ecuación, V es el volumen molar, T es la temperatura crítica y k una constante de
c M

proporcionalidad. Se puede demostrar que el área A de cualquier cuerpo está vinculado a su volumen por una expresión del tipo De modo que el volumen molar elevado a esa potencia en la ecuación es proporcional al área superficial molar. El producto de esa área molar superficial por la tensión superficial da la energía superficial molar. La ecuación de Eötvös es coherente en el sentido de que el punto crítico no hay superficie de separación entre ambas fases. Siendo William Ramsay y John Shields encontraron en 1893 que la ecuación de Eötvös se adapta mejor a los resultados experimentales si se la expresa. Esto implica que la tensión superficial se anula 6 K por debajo de la temperatura crítica, lo que está de acuerdo con el hecho experimental de que cuando se tiene un líquido en un tubo estrecho, el menisco que separa el liquido de la fase vapor desaparece a unos 6o por debajo de la temperatura crítica. La constante k de las ecuaciones de Eötvös y de

La entropía de la superficie a presión constante se expresa por la ecuación: De manera que la energía total de superficie puede relacionarse con la tensióninterfacial mediante la ecuación: El agua en contacto con el aire 20° C tiene una tensión de superficie de 0. momento en que desaparece la interfase y existe una única fase (fluido supercrítico). La energía total de s.12N/m. Por lo tanto para una temperatura igual o superior a Tc γ=0. varían con la temperatura. Por ello k recibe el nombre de coeficiente de temperatura de la energía superficial molar. Energía total de superficie de los líquidos. Una ecuación semiempirica para predecir la dependencia de la tensión superficial con la temperatura fue propuesta por Van der Waals y Guggenheim: Donde. Los líquidos para los cuales k tiene este valor se llaman normales.. como el nitrilo del ácido succínico. La energía libre de las s. A medida que la molécula es menos simétrica.12 sino que. La influencia de la temperatura es muy pequeña.0.56 y otras como el triestearato de glicerilo valores muy altos: 6. que es igual a la energía total de superficie Es . La energía total de superficie del agua es. el alcohol etílico y. Cabe esperar pues que γ disminuya a medida que T aumenta hasta llegar a Tc. se expresa por la ecuación: (γ = energía libre de la superficie por unidad de área. de la dependencia de la temperatura de la tensión superficial se obtiene la entropía superficial especifica. El valor de esta energía puede calcularse muchas veces a partir del calor de vaporización. tienen valores que no sólo son menores que 2. 0. La determinación de n es experimental y tiene un valor cercano a la unidad para metales y algo mayor a la unidad para muchos líquidos orgánicos.12. Otros líquidos. pero ahora el valor de la energía no es completamente independiente de la estructura molecular. ej. todos aquellos que forman asociaciones moleculares por puente de hidrógeno o por otras causas. lo que les permite vencer más fácilmente las atracciones existentes entre ellas y pasar más fácilmente a la interfase. S = Entropía de la superficie por unidad de área. en general. Tensión superficial de los sólidos. viene dada por la pendiente de la recta que resulta de representar la energía superficial molar en función de la temperatura. Se ha intentado calcular el grado de asociación de estos líquidos. Tc es la temperatura critica (temperatura a la cual la fase condensada desaparece) y. con mucha aproximación. En algunas moléculas simétricas. T = temperatura absoluta). En el alcohol metílico. sustancias que aparentemente no presentan asociación molecular.  Temperatura critica y tensión superficial Si tenemos el líquido en equilibrio con su vapor. Así. tienen valores muy bajos de k – del orden de 0. como el agua. además.6 x 10-4 N/m °C. estimando que valor debería tener la masa molar para que k fuese 2. de los sólidos es mucho más difícil de medir que la de los líquidos. la energía total de s. para llevar una molécula desde A hasta C hay que realizar un trabajo que queda almacenado en la s. es una fracción tanto más reducida del calor de vaporización. Desde un punto de vista molecular. la mitad del calor de vaporización. Y = Y o a T= 0 K.073 N/my dγ /dT es igual a-1. La entalpía de una unidad de área de cualquier superficie. Toda Interfase es el lugar de una fuerza de tensión que actúa en el plano de la interfase. Tc. las diferencias entre las fases disminuyen a medida que nos acercamos a la temperatura crítica. a tal fuerza de tensión se le conoce como tensión superficial y se considera igual a la energía libre de superficie. . apenas vale un octavo del calor de vaporización.  Energía de superficie total La asimetría en la distribución de las fuerzas atractivas llega al máximo cuando la molécula se encuentra en la superficie del líquido. Por esta razón. Estudios modernos han probado que la asociación molecular no es la única causa que afecta el valor de k. Para un gran número de sustancias al estado líquido el valor de k es 2. la tensión superficial desaparece a T =Tc. Diferenciando la ecuación Gs = Y en términos de la temperatura se obtiene: Esto es. es. de acuerdo con la ecuación anterior.Ramsay y Shields.12. p. el aumento de la temperatura se traduce en una mayor energía cinética de las moléculas. de los líquidos puede obtenerse midiendo el coeficiente de tensión superficial a temperaturas diferentes. la energía total de s. del líquido en forma de energía potencial.