INTRODUCCIÓN .

Características del estado líquido.

A nivel microscópico el estado líquido se caracteriza porque la distancia entre las moléculas es sensiblemente inferior a la de los gases. Mientras que en un gas la distancia intermolecular media es igual o mayor que diez veces el tamaño de la molécula, en un líquido viene a ser del mismo orden de magnitud que el diámetro molecular, y sólo un poco mayor que en los sólidos. Eso explica que la densidad de los líquidos sea, salvo algunas excepciones, sólo algo inferior a la de los sólidos.

La proximidad entre las moléculas hace que se dejen sentir fuerzas atractivas de interacción, que evitan que una molécula pueda «escaparse» de la influencia del resto, como sucede en el estado gaseoso, pero que les permite moverse deslizándose unas sobre otras. Por esta razón los líquidos no poseen forma propia, sino que se adaptan a la del recipiente que los contiene, es decir, pueden fluir. Sin embargo, el hecho de que las moléculas estén ya suficientemente próximas hace de los líquidos fluidos incompresibles. Toda compresión lleva consigo una disminución de la distancia intermolecular, y si ésta fuera apreciable entrarían en juego las fuerzas repulsivas entre los núcleos atómicos que se opondrían a dicha compresión y la neutralizarían.

Tensión superficial.

¿Quién no ha invertido algunos minutos de su vida en observar cómo el agua se acumula en el extremo de un grifo, formando gotas que caen sucesivamente? Inicialmente, puede observarse una pequeña superficie ovalada. Después, a medida que el agua se acumula, esta superficie va tomando forma esférica y finalmente cae. Se observa que las gotas siempre caen cuando alcanzan un determinado volumen, si el flujo de agua se mantiene constante, es un hecho que las gotas desprendidas tienen siempre el mismo tamaño.

Ahora, si el vez de agua lo que cae es alcohol o cualquier otro tipo de líquido el tamaño de las gotas que caen variaran respecto de cada tipo de líquido esto es debido a la existencia de interacciones moleculares o iónicas que los mantienen cohesionados. Estas fuerzas son de magnitudes diferentes para cada líquido por lo que para el alcohol, cuyas interacciones moleculares son bastante menos intensas que las del agua, el tamaño de la gota será menor que la del agua.

La explicación que justifica el hecho de que líquidos diferentes generen gotas de distinto tamaño, reside en la misma explicación que justifica que algunos insectos puedan “caminar” sobre la superficie del agua, así como el uso de servilletas de papel como absorbente, cómo la savia accede desde las raíces hasta las hojas y porqué el detergente sirve para lavar. Lo que explica todos estos fenómenos es lo que denominamos como tensión superficial.

Todos los líquidos presentan una cierta tendencia a disminuir su superficie libre, la cual se comporta de forma parecida a como lo hace una membrana elástica. Dicha propiedad es debida a la existencia de fuerzas tangenciales a la superficie o fuerzas de tensión, por lo que se denomina tensión superficial.

Desde un punto de vista molecular, la tensión superficial se explica como debida a la condición especial de las moléculas situadas en la superficie del líquido. Una molécula del líquido situada en el interior del mismo es solicitada en todas direcciones por fuerzas atractivas procedentes de las otras moléculas que la rodean, de modo que, por simetría, se compensan mutuamente sus efectos.

En la superficie o en sus proximidades, la simetría se rompe y sólo las moléculas que están por debajo de la superficie atraen a las de la capa límite, dando lugar a una fuerza neta dirigida hacia el interior de la masa líquida que tensa la superficie libre y produce ese efecto de malla o membrana elástica. De aquí que sea necesario consumir cierto trabajo para mover las moléculas hacia la superficie venciendo la resistencia de estas fuerzas, por lo que las moléculas de la superficie tienen más energía que las interiores.

Se define cuantitativamente la tensión superficial como el trabajo que debe realizarse para llevar moléculas en número suficiente desde el interior del líquido hasta la superficie para crear una nueva unidad de superficie. Debido a estas fuerzas , la superficie tiende a contraerse y ocupar el área más pequeña posible, si se trata de una gota libre, tiende a tomar forma esférica.

Podremos calcular el trabajo necesario , para incrementar en la superficie de la gota como;

donde: , representa la fuerza neta que apunta al interior de la gota y se denomina tensión superficial.

, representa a la interfases limítrofes (agua y aire).

Las unidades de tensión superficial serían . Empelando las unidades recomendadas por el sistema internacional se expresarían como . S i desarrollamos este cociente, se llega a:

Tensioactivos.

Se dice que una sustancia es un agente tensioactivo o surfactante cuando da lugar a un descenso significativo en la tensión superficial de un líquido. Los tensioactivos más efectivos (jabones, detergentes y colorantes), presentan en su estructura molecular una parte hidrófila y otra hidrófoba.

Generalmente la parte hidrofílica es un grupo iónico, ya que los iones suelen presentar una fuerte afinidad por el agua, motivada por su atracción electrostáticas hacia sus dipolos. La parte hidrófoba suele consistir en un larga cadena hidrocarbonada, una estructura muy parecida a la de las grasas y parafinas, hacia las que experimenta atracción, y que presenta repulsión al agua. Cuando se agrega estas sustancias al agua, forman al principio una película monomolecular en la superficie, con la parte hidrófoba orientada para fuera. Al mismo tiempo, los tensioactivos forman miscelas y si hubiera un gas presente en este sistema, la tendencia sería alojarse en el interior de estas miscelas. Este conjunto, aire miscela, es uno de los factores de estabilización de la espuma. Aún cuando este conjunto llegue a la superficie del líquido, la estabilidad permanece, pues el gas pasa a ser protegido por una doble capa de tensioactivo.

La ubicación ideal de un tensioactivo es en la superficie del líquido, donde puede orientar su parte hidrófoba para el aire ( también hidrófobo). Las moléculas del tensioactivo generan entonces una fuerza vertical en sentido de la superficie. esta fuerza es de sentido contrario a la tensión superficial y está dirigida hacia el interior del líquido, lo que se traduce en una disminución de la tensión superficial. Esto facilita la oclusión del aire y la fijación de burbujas en la superficie por la formación de capas dobles.

ð Tensioactivo = γ solvente - γ solución

PROCESO EXPERIMENTAL .

En la práctica que nos ocupa lo que tratamos es de determinar la tensión superficial de una serie de líquidos (agua, benceno, metanol, etanol) utilizando dos métodos; el método de la burbuja y el de la gota.

a)Método de la gota: el proceso de formación de una gota en el extremo de una superficie sólida, es un fenómeno regido por la tensión superficial. Para que una gota de líquido se desprenda y caiga, es preciso que su peso supere e una cantidad infinitesimal al trabajo ejercido por la tensión superficial para la ampliación de su superficie.

Para poder calcular la tensión superficial de un líquido mediante este método en primer lugar vamos a tener que calibrar una bureta limpia y seca, calculando K que es la constante característica de ese capilar, para ello la rellenamos con agua destilada y sobre un vaso de precipitado previamente tarado se deja caer de manera constante 100 gotas. Una vez que tenemos las 100 gotas volvemos a pesar el vaso de precipitado y establecemos la masa de las 100 gotas por diferencia de peso, dividiendo el valor obtenido entre 100 tenemos el peso de una gota de agua y sustituyendo en

y tomando como el valor tabulado de la tensión superficial del agua a 20º C calculamos K.

Una vez obtenido la constante característica del capilar repito la operación para cada líquido obteniendo la tensión superficial de cada uno de ellos.

b)Método de la burbuja: este método está basado en la medida de la presión que tiene la parte cóncava de una burbuja que desciende del líquido problema. Dicha presión coincide con la presión máxima necesaria para hacer salir una burbuja por un tubo capilar, de radio “r” , introduciéndolo en un líquido problema a una superficie conocida. Esta presión máxima se mide en el manómetro inclinado en la práctica.

En primer lugar se prepara un capilar de pequeño diámetro, lavándolo perfectamente y colocándolo en el dispositivo adecuado del aparato. Se llena el depósito A con agua .

Necesitamos calcular el radio del capilar, para ello llenamos un vaso de precipitado con agua destilada hasta el enrase superior y colocamos el capilar en su interior hasta el enrase inferior. Tomamos como tensión superficial del agua a la Tª a la que se encuentre de unas tablas tabuladas, en nuestro caso a 20º C. En primer lugar abrimos las llave 1 que controla la cantidad de agua hasta que el manómetro se aproxime a la mitad. Posteriormente se abre la llave 2 hasta igualar la lectura en ambas ramas de la presión. Se anota la lectura de las posiciones de ambas ramas H1 y h1. Una vez que se cierra la llave 3, para que no salga el aire al abrir la llave 2 ya que si se dejara abierta al abrir la 2 no habría desplazamiento del líquido manométrico, se abre la llave 2 comenzando a desplazarse el líquido de tal manera que el gas sale por le capilar formándose una pequeña burbuja, cuando ésta se ha formado se cierra la llave 2 y se anota las alturas correspondientes. H2 y h2.

La presión máxima necesaria para la formación de la burbuja se calcula de la siguiente manera:

x sen (ángulo de inclinación del manómetro)

Se determina la densidad del agua tarando un matraz de 10 ml y rellenándolo posteriormente con agua, calculándose la diferencia de peso. Una vez obtenido la masa y el volumen se calcula la densidad. Con la presión máxima y la densidad del agua ya se puede calcular el radio del capilar, aplicando las ecuaciones correspondientes a este método.

Una vez conocido el radio del capilar se puede calcular ya la tensión superficial de cualquier sustancia en función de la presión máxima, operando como anteriormente se explicó, llenando el vaso con el líquido correspondiente.

CUESTIONES .

1 )Calcular el radio del capilar y la tensión superficial de los líquidos por el método de la burbuja.