Tension Superficial Lab. Fisicoquimica (1)

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UNIVERSIDAD NACIONAL MAYOR DE SAN

MARCOS
(UNIVERSIDAD DEL PERÚ, DECANA DE AMÉRICA)

FACULTAD DE QUÍMICA E INGENIERÍA QUÍMICA
ESCUELA ACADÉMICO PROFESIONAL DE INGENIERÍA QUÍMICA

DEPARTAMENTO ACADÉMICO DE FISICOQUÍMICA

LABORATORIO DE FISICOQUÍMICA
PRÁCTICA N°5: TENSIÓN SUPERFICIAL
GRUPO/HORARIO

:

MIERCOLES/ 8:00 – 11:00 AM

PROFESORA

:

Puca Pacheco, Mercedes

FECHA DE ENTREGA :

19 de Noviembre del 2014

ALUMNO(s)
13070202

Terreros Rocha Aníbal Perfecto

:

Díaz Yachachín Edson Javier
13070038

Lima – Perú

INDICE

1. INTRODUCCION...................................................................3
2. RESUMEN...........................................................................4
3. OBJETIVOS..........................................................................5
4. PRINCIPIOS TEORICOS.........................................................5
5. PARTE EXPERIMENTAL.......................................................10
5.1. Materiales, equipos y reactivos.......................................10
5.2. Procedimiento experimental............................................10
6. TABLA DE DATOS...............................................................11
7. CALCULOS......................................................................... 12
8. TABLA DE RESULTADOS......................................................16
9. DISCUSION DE RESULTADOS...............................................17
10. CONCLUSIONES...............................................................18
11. RECOMENDACIONES........................................................19
12. CUESTIONARIO...............................................................20
13. BIBLIOGRAFIA.................................................................22
13. ANEXOS.........................................................................22

1. INTRODUCCION
La tensión superficial se expresa de muchas maneras, inclusive en
nuestra vida cotidiana observamos fenómenos que nos manifiestan la
existencia de dicho tensión, ya sea al observar caminar insectos sobre el
agua, flotar una aguja sobre la superficie de un líquido o la formación de
las burbujas o pompas de jabón. Una manera de demostrar la existencia
de la tensión superficial es mediante la capilaridad, que desarrollaremos
en la presente experiencia. El método de elevación capilar es uno muy
utilizado para la determinación del coeficiente de tensión superficial, por
su sencillez y exactitud, el cual solo relaciona la diferencia de alturas
existentes entre el nivel del líquido en el recipiente y el nivel del líquido
en el capilar.

2. RESUMEN
En la siguiente experiencia ‘’Tensión Superficial’’, realizada a la
temperatura ambiente de T °C, presión de 756 mmHg y 92 % de
Humedad relativa, demostraremos la existencia y variación de la tensión
superficial de los líquidos, en este caso el agua y metanol, en función de
la temperatura, para el cual mediante un sistema cerrado (tubo y tapón)
mediremos la variación en el nivel de altura del líquido alcanzado en un
capilar introducido al sistema desde la temperatura de 10 °C hasta los 50
°C en intervalos de 10 °C cada uno. Finalmente mediante los cálculos
correspondientes determinaremos el coeficiente de tensión superficial
experimentales tanto para el agua y para el metanol y compararemos los
valores obtenidos con los datos teóricos encontrados en tablas para
hallar el porcentaje de error cometido durante el experimento.

3. OBJETIVOS

Determinar la existencia de la tensión superficial en los líquidos.

Hallar el coeficiente de tensión superficial para el agua y el
metanol.

Determinar la variación de la tensión superficial en función de la
temperatura.

4. PRINCIPIOS TEORICOS
Tensión Superficial
Si se detiene a observar un charco de agua estancada notará que en ella
ciertos de insectos tales como los zancudos, arañas caminan sobre el
agua.

La interacción de las partículas en la superficie del agua, hace que esta
se presente como una superficie elástica, lo que impide que se pueda
ingresar al seno del líquido.
Talvez se habrá preguntado por qué se forman las gotas

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 .O por que el mercurio no se dispersa y siempre queda
como esferas cuando se derrama o como es que se forman
las burbujas de jabón con las que juegan los niños. Todos estos hechos se
deben a una propiedad de los líquidos denominada “tensión superficial”.
Estos hechos que ser observan en la vida diaria se presentan durante los
procesos de producción por ejemplo la formación de espumas(cerveza,
jabón, etc.); en el desplazamiento de ciertas aves y otros animales en el
agua , en el fenómeno de la capilaridad que permite a las plantas llevar
agua desde las raíces hasta la parte más alta del tallo y las ramas a
través del xilema, el que los adhesivos y pegamentos lleven a cabo
eficientemente su función y la sangre llegue a los diversos órganos del
cuerpo.
Una molécula al interior de un líquido está sometido a fuerzas atractivas
(denominadas “fuerzas de cohesión”) en todas las direcciones, no
habiendo tendencia en ninguna dirección, siendo la resultante nula en
cambio una molécula ubicada en la superficie del líquido sufre la acción
de fuerzas de cohesión hacia abajo pero no hacia arriba de la superficie,
esto origina una fuerza resultante perpendicular a la superficie que
tiende a jalar a las moléculas hacia adentro del
Líquido, lo que ocasiona que la superficie se tense como si fuera una
película elástica, esta es la propiedad denominada tensión superficial.
Los
líquidos
que
tienen fuerzas
intermoleculares grandes
tienen tensiones superficiales grandes, como el mercurio, el agua.

CAPILARIDAD
La tensión superficial produce un fenómeno denominado capilaridad, el
cual se manifiesta por la elevación o descenso de un líquido en un tubo
capilar o en placas juntas. La capilaridad es producida por dos tipos de
fuerzas: una de atracción intermolecular entre moléculas semejantes
denominada cohesión (esta propiedad permite mantener juntas a las
moléculas del líquido, resistiendo pequeños esfuerzos de tensión). Y otra
fuerza conocida como adhesión que es la atracción de moléculas
distintas (como por ejemplo la que ocurre en el capilar, entre la superficie
de vidrio y la película del líquido que lo moja). Dependiendo de las
magnitudes relativas de la cohesión del líquido y de la adhesión del
líquido a las paredes del tubo, se produce la elevación o descenso del
líquido en el tubo capilar. Si la adhesión es más fuerte que la cohesión
(adhesión> cohesión) los líquidos ascienden en tubos que mojan (ver
figura 2.a) hasta que la fuerza cohesiva queda balanceada por el peso del
agua en el tubo. Si la cohesión es mayor que la adhesión (cohesión
>adhesión) (ver figura 2.b) sucede una depresión y los líquidos
descienden en tubos a los que mojan .La capilaridad tiene importancia
para tubos menores de 10 mm de diámetro. Para tubos con diámetros
mayores a 10 mm, este efecto es despreciable

Cuando las fuerzas de cohesión son grandes en relación a las fuerzas
adhesivas los ángulos de contacto tienden a ser grandes. Cuando las
fuerzas de cohesión en relación a las fuerzas de adhesión los ángulos
de contacto son pequeños resultando en una tendencia del fluido a mojar
la superficie. Se tienen distintos casos de ángulos de contacto entre el
líquido y una superficie sólida

Cuando el extremo de un tubo capilar se sumerge verticalmente en un
líquido, una película asciende por la pared del capilar hasta que la fuerza
de gravedad que actué sobre el líquido en el capilar por encima de la
superficie exterior contrapésela tensión en la superficie del capilar,
entonces:

Método del ascenso capilar

Cuando el extremo de un capilar se sumerge verticalmente en un líquido,
una película de éste asciende por la pared capilar, siendo la superficie
libre del líquido en el capilar de forma cóncava.

La causa de la elevación del líquido en el capilar puede explicarse por la
diferencia de presión a través del menisco o por la tendencia del líquido a
presentar la menor área superficial posible.

El líquido se mantiene arriba del capilar por acción de
fuerza ascendente igual a:

F1=2 πrγCosθ

La fuerza descendente debido a la gravedad es:

γ

que es una

F2 =π r 2 ρgh

Cuando se alcanza el equilibrio, las ecuaciones se igualan

γ

por ser θ

muy pequeño, Cosθ=1:

γ=

hρgr
2

Tensión superficial de soluciones.

El comportamiento de

γ

de soluciones con respecto a la concentración

se puede expresar mediante gráficos:

 Curva I.- Comportamiento de electrolitos fuertes como el ácido
benzoico en agua, anilina en ciclohexano etc. En estos soluciones la
adición de soluto implica un aumento pequeño de

γ .

 Curva II.- Comportamiento de electrolitos débiles o no electrolitos en
agua. La adición de soluto implica una ligera disminución de

γ .

 Curva III.- Soluciones acuosas de jabón, ácidos sulfónicos, sulfonatos y
otros compuestos orgánicos. Se les llama agentes activos

superficiales, ya que disminuyen el

γ

del agua a niveles muy bajos

aún en concentraciones pequeñas.

Tensión superficial como función de T.- La relación entre

γ

y t está

representada con exactitud por la ecuación Ramsey-Shield-Eotovos:
2

γ(

M 3
) =2,12(t c −6−t )
ρ

Tensión superficial relativa.-

γ 1 h1 ρ 1
=
γ 2 h2 ρ 2

5. PARTE EXPERIMENTAL
5.1. Materiales, equipos y reactivos

Cocinilla, Tubos capilares, Pipeta

Vasos de precitado de 100 y 250 ml

Termómetro

Agua destilada, Metanol, Hielo

5.2. Procedimiento experimental
Liquido de referencia

a) Lave cuidadosamente el capilar y el recipiente para la muestra
con detergente, enjuague varias veces con agua de caño y al
final con agua desionizada, finalmente séquela en la estufa.
b) Instale el equipo experimental (tubo – capilar).
c) Llene el recipiente con agua desionizada hasta un volumen
adecuado de forma que el capilar quede sumergido 1 cm. debajo
del líquido, mida el volumen usado. Coloque la escala de lectura
y termómetro.
d) Coloque el recipiente dentro de un baño de temperatura a T 1 °C.
Sin retirar del baño usando la bombilla de jebe, eleve la altura
del líquido dentro del capilar, retire la bombilla, anote la altura, y
repita el procedimiento hasta obtener h constante, anote esta
altura. Repita el procedimiento a T2 y T3.
e) Retire el agua, luego seque el capilar y el recipiente en la estufa.

Muestras liquidas y/o soluciones.
a) Repita todo el procedimiento 4.1 para el líquido orgánico, a las
temperaturas de trabajo.

6. TABLA DE DATOS
Condiciones experimentales:
PRESION (mmHg)
756

TEMPERATURA( ºC )
23

H. R. (%)
94

Alturas, densidades y tensiones superficiales para el AGUA :

Temp. (°C)

Altura (mm)

Densidad
Teorica (g/mL)

Tensión
Superficial
Teórica
(dinas/cm)

10

31

0.99977

73.91

20

30

0.99829

72.75

30

29

0.99571

71.18

40

27

0.99225

69.55

50

25

0.98802

68.10

Alturas, densidades y tensiones superficiales para el METANOL:

Temp. (°C)

Altura (mm)

Densidad
Teorica (g/mL)

Tensión
Superficial
Teórica
(dinas/cm)

10

16

0.80064

23.89

20

14

0.79150

22.65

30

12

0.78260

21.58

40

11.5

0.773826

20.22

7. CALCULOS
a) Mediante la ecuación (6) calculamos la tensión superficial
experimental de las muestras usando datos teóricos de γ
del agua.
1
1
γ Tagua
hT 1 . ρTagua
=
2
2
γ Tagua
hT 2 . ρTagua

-

Para el agua a 10°C
°C
°C
γ 10
h10 ° C . ρ10
agua
agua
=
°C
°C
γ 20
h20 ° C . ρ20
agua
agua

y

ρ

0.99977 g
31 mm .
°C
γ 10
ml
agua
=
dinas
0.99829 g
72.75
30 mm .
cm
ml
10° C

γ agua =75.29 dinas/cm
-

Para el agua a 30°C
°C
°C
γ 30
h30 ° C . ρ30
agua
agua
=
°C
°C
γ 20
h20 ° C . ρ20
agua
agua
0.99571 g
γ
ml
=
dinas
0.99829 g
72.75
30 mm .
cm
ml
29 mm .

30 ° C
agua

C
γ 30°
agua =70.14 dinas/cm

-

Para el agua a 40°C
40° C
°C
γ agua
h 40° C . ρ40
agua
=
°C
C
γ 20
h 20° C . ρ20°
agua
agua
0.99225 g
27 mm .
°C
γ 40
ml
agua
=
d inas
0.99829 g
72.75
30 mm.
cm
ml
°C
γ 40
agua =65.08 dinas/cm

-

Para el agua a 50°C
°C
°C
γ 50
h50 ° C . ρ50
agua
agua
=
°C
°C
γ 20
h20 ° C . ρ20
agua
agua
0.98802 g
25 mm .
°C
γ 50
ml
agua
=
dinas
0.99829 g
72.75
30 mm .
cm
ml
C
γ 50°
agua =60.00 dinas/cm

Ahora para las distintas temperaturas que trabajamos con la
sustancia orgánica de metanol:
T1

T1

γ metanol h T 1 . ρmetanol
=
T2
T2
γ agua
hT 2 . ρagua

-

Para el metanol a 10°C
10 ° C
10° C
γ metanol h 10° C . ρmetanol
=
20° C
20 ° C
γ agua
h20° C . ρagua
0.80064 g
γ
ml
=
dinas
0.99829 g
72.75
30 mm .
cm
ml
10° C
metanol

16 mm .

10° C

γ metanol=31.12 dinas/cm
-

Para el metanol a 20°C
°C
°C
γ 20
h 20° C . ρ20
metanol
metanol
=
C
°C
γ 20°
h20° C . ρ20
agua
agua
0.79150 g
γ
ml
=
dinas
0.99829 g
72.75
30 mm .
cm
ml
20° C
metanol

14 mm .

C
γ 20°
metanol =26.92 dinas/cm

-

Para el metanol a 30°C
30 ° C
30 ° C
γ metan ol h30° C . ρmetanol
=
20 ° C
20 ° C
γ agua
h20 ° C . ρagua
0.78256 g
γ
ml
=
dinas
0.99829 g
72.75
30 mm .
cm
ml
30° C
metanol

12 mm .

30° C

γ metanol=22.81 dinas/cm
-

Para el metanol a 40°C
40° C
°C
γ metanol
h 40° C . ρ40
metanol
=
C
°C
γ 20°
h20 ° C . ρ20
agua
agua
0.773826 g
11.5 mm .
°C
γ 40
ml
metanol
=
dinas
0.99829 g
72.75
30 mm .
cm
ml
°C
γ 40
metanol =21.62 dinas/cm

b) Con los datos experimentales de tensión superficial del agua y
usando la ecuación (4) calcularemos el radio del capilar.

T

r=

2 γ agua
T
T
h . ρagua . g

Sabiendo de antemano que:
cm
1 dina=1 g . 2
s
-

A 10°C
cm
s2
2 73.91
cm
r=
0.99977 g
cm
3.1 cmx
x 9.81 x 102 2
3
cm
s

(

g.

)

r=0.0486 cm
-

A 20°C
cm
s2
2 72.75
cm
r=
0.99829 g
cm
3.0 cmx
x 9.81 x 102 2
3
cm
s

(

g.

)

r=0.0495 cm
-

A 30°C
cm
s2
2 71.18
cm
r=
0.99571 g
cm
2.9 cmx
x 9.81 x 102 2
3
cm
s

(

g.

)

r=0.05 cm
-

A 40°C
cm
s2
2 69.55
cm
r=
0.99225 g
cm
2.7 cmx
x 9.81 x 10 2 2
3
cm
s

(

g.

)

r=0.053 cm

-

A 50°C
cm
s2
2 68.10
cm
r=
0.98802 g
cm
2.5 cmx
x 9.81 x 102 2
3
cm
s

(

g.

)

r=0.056 cm
Por lo tanto el radio será el promedio de los radios obtenidos a distintas
temperaturas medidas por el agua.
r prom=

r 10 ° C +r 20 ° C +r 30 ° C + r 40 ° C +r 50 ° C
5

r prom=

0.0486+ 0.0495+ 0.050+0.053+0.056
5

r prom=0.05142cm

8. TABLA DE RESULTADOS

Para el agua:

20

Tensión
Superficial
Experimental
(dinas/cm)
75.29

Tensión
Superficial
Teórica
(dinas/cm)
72.75

30

70.14

71.18

1.46

40

65.08

69.55

6.43

50

60.00

68.10

11.89

10

Tensión
Superficial
Experimental
(dinas/cm)
31.12

Tensión
Superficial
Teórica
(dinas/cm)
23.89

20

26.92

22.65

18.85

30

22.81

21.58

5.70

40

21.62

20.22

6.92

Temperatu
ra (°C)

% ERROR
3.49

Para el Metanol:
Temperatu
ra (°C)

% ERROR
30.26

Radio del Capilar:
Temperatura (°C)
10
20
30
40
50

Radio (cm)
0.0486
0.0495
0.0500
0.0530
0.0560

Radio Promedio (cm)

0.05142

Gráfico líquido orgánico:
M
ρ

2/ 3

( )

( Tc−6−T ) ° K

10

364.09

223.95

20

317.31

213.95

30

270.95

203.95

Temperatura (°C)

γ

40

258.75

193.95

9. DISCUSION DE RESULTADOS

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 de 2,12 si no que, además, varían
con la temperatura. En este caso, con nuestros valores experimentales
pudimos
obtener
un
k
igual
a
3.6244
de
la
gráfica

M
γ
ρ

2/ 3

( )

vs . ( Tc−6−T ) ° K . La ecuación es la siguiente en función de x yy:

y=3.6244 x−454.52


La capilaridad tiene importancia para tubos menores de 10 mm de
diámetro. Para tubos con diámetros mayores a 10 mm, este efecto es
despreciable, por eso vemos que nuestro radio capilar mide
aproximadamente 0.05cm y por eso el fenómeno de poder ascender
gracias a la ayuda de la pro pipeta.
Los resultados experimentales muestran que la tensión superficial
disminuye con la temperatura siendo, para muchos líquidos, una función
lineal de la misma.
Nuestras tensiones superficiales experimentales obtenidas tanto para el
agua como para la sustancia orgánica metanol se acercan de cierta
manera a las teóricas dándonos porcentajes de error no tan grande, pero
en algunos si sobrepasó el 10%, esto puede verse afectado o provocado a
que al succionar con la propipeta al capilar para que pueda ascender el
agua nos sobrepasamos de fuerza y pudimos provocar que el agua que
ascendía entre a éste mismo y por tanto obtener error en nuestra medición
de la altura.

10. CONCLUSIONES





Cuando se derraman líquidos simultáneamente el de menor tensión
superficial se extenderá más en la superficie de derrame, mientras
que el líquido de mayor tensión superficial parece aglomerarse,
como por ejemplo el agua y el alcohol.
Si el capilar fuese relativamente más delgado, el método de
elevación del capilar sería más exacto para que el menisco sea
simultáneamente esférico.
El líquido asciende en el capilar hasta que la fuerza de tensión
superficial, o sea la fuerza ascendente se iguala con la fuerza de
gravedad que actúa hacia abajo, fuerza descendente.
La tensión superficial de cualquier líquido disminuye a medida que
aumenta y se hace igual a cero la temperatura crítica, según las
experiencias de Ramsay-Shields.
A mayor concentración menor va a ser la tensión superficial. Esto
va hacer diferente para cada mezcla debido a que cada uno de
ellos tiene diferentes fuerzas de cohesión entre ellas.
Si la adhesión es más fuerte que la cohesión (adhesión> cohesión)
los líquidos ascienden en tubos que mojan hasta que la fuerza
cohesiva queda balanceada por el peso del agua en el tubo. Si la
cohesión es mayor que la adhesión (cohesión >adhesión) sucede
una depresión y los líquidos descienden en tubos a los que mojan.

11. RECOMENDACIONES


Los materiales como el capilar y el vaso deben estar bien lavados
y bien secos (secar en estufa) después de cada uso para
disminuir las posibilidades de error.
Para que la temperatura sea constante, se debe usar un baño de
agua maría y además se debe evitar el ingreso de vapores de
agua procedentes de la evaporación del agua del vaso en el que
se realiza el baño, al recipiente ya que los vapores condensados
empañan el vidrio evitando así una buena lectura de la altura.
Al succionar el líquido se debe evitar lo mejor posible el ingreso
de aire y la formación de burbujas en el capilar lo cual dificultaría
una correcta lectura.
Es necesario que la observación de la medida de la altura del
capilar sea cuidadosa con el fin de evitar que se cometan errores
al realizar el cálculo de la tensión superficial.

12.

CUESTIONARIO

1. Explique las diferencias entre las fuerzas de cohesión y
adhesión en los fenómenos capilares.
Barrev R. van Eotvos, llegó a una importante deducción en la
relación de la tensión superficial y la temperatura a partir de
consideraciones

basadas

en

la

idea

de

los

estados

correspondientes.
La variación de la constante de Eotvos con la temperatura se
obtiene primero conociendo la constante de Eotvos que está dado
por:
−d

[

]

γ ( Mv ) 2
3
=K
dt

Dónde:
- M: Peso molecular
- V: Volumen específico
- ‘‘K’’ es una constante universal.
El signo negativo se introduce porque la energía superficial molar al
igual

que

la

tensión

superficial,

disminuye

al

elevarse

la

temperatura.
2. Explique las características de los líquidos asociados y no
asociados.
Los líquidos cuyas moléculas se mantienen unidas por puentes de
hidrógeno se denominan líquidos asociados. La ruptura de estos
puentes requiere una energía considerable, por lo que un líquido

asociado tiene un punto de ebullición normalmente elevado para
un compuesto de su peso molecular y momento dipolar. El fluoruro
de hidrógeno, por ejemplo, hierve a una temperatura más alta que
el cloruro de hidrógeno, más pesado, pero no asociados; el agua
hierve a una temperatura 100 grados más alta que el sulfuro de
hidrógeno.
También hay compuestos orgánicos que contienen oxígeno o
nitrógeno con puentes de hidrógeno Consideremos el metano, por
ejemplo,

y reemplacemos uno de sus hidrógenos

por un grupo

hidroxilo, -OH. El compuesto resultante, CH3OH, es metanol, el
miembro

más

pequeño

de

la

familia

de

los

alcoholes.

Estructuralmente, no sólo se parece al metano, sino también al
agua:
H
H C H
Al

igual

se trata

H
H O H

H
Metano

H C O H
H

Agua

Metanol

que el agua,
de un líquido

asociado, cuyo punto de ebullición es “anormalmente” elevado
para un compuesto de su tamaño y polaridad.

3. Explique la acción del tenso activo en los productos de
limpieza.
La adición de un agente tenso activo, como un jabón o detergente
y/o cualquier otro que tenga moléculas con un extremo polar y un
gran extremo hidrocarbonato a los sistemas de agua y aceites
separados, originan que la tensión superficial descienda al igual
que cuando extendemos una película monomolecular de ácido
estereático sobre la superficie del agua en el “Experimento de

Langnur”, es decir puede disminuirse el requerimiento de energía
de Gibas para la formación de emulsión.

13.

BIBLIOGRAFIA

[1 Atkins, «Tensión Superficial » de Fisicoquimica. Pag. 202
]
[2 Perry´s Chemical Engineer´s Handbook, 8th Edition «Apéndice»
]
[3 G. P. Muzzo, «Tensión superficial y capilaridad» de Fisicoquimica.
]
[4] Findlay B. P., “ Quimica Fisica Practicas de Findlay”, 9nov ed.,Ed. Reverte,
S. A., España, 1979
[4] [5] F. D. Ferguson, “Fisicoquímica de Superficies”, 1ª Edición, Editorial
Alhambra, España, 1977.

13.

ANEXOS