Subido por Karla Ximena Bautista Espinoza

Tension Superficial

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1. OBJETIVOS
1.- Determinar el efecto de la adición de alcoholes sobre la tensión superficial del
agua.
2.- Determinar la isoterma de adsorción de Gibbs para la adición de diferentes
alcoholes al agua.
3.- Comprender el concepto de adsorción en superficies líquidas.
2. INTRODUCCIÓN
La tensión superficial puede definirse como la fuerza que ejerce un líquido sobre una
determinada superficie debido a la existencia de una atracción no compensada hacia el
interior de este sobre las moléculas individuales de la superficie. Es la forma en que se
refleja la cohesión entre moléculas en un líquido. La tensión superficial depende de la
naturaleza de este, del medio que le rodea y de la temperatura. En general, disminuye con
la temperatura, ya que las fuerzas de cohesión disminuyen al aumentar la agitación térmica.
“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”. Chang, R. (2008). Las moléculas
que se encuentran en la superficie de un líquido son atraídas hacia el seno de este por las
moléculas existentes en su interior. Así, la fuerza resultante que actúa en un plano tangente
a la superficie, por unidad de longitud, se denomina tensión superficial (Adam son (1967)).
Las moléculas de un líquido se atraen mutuamente. Aunque en total las moléculas son
eléctricamente neutras, suele haber una pequeña asimetría de carga que da origen a las
fuerzas de atracción entre ellas (llamadas fuerzas de Van Der Waals). Dentro de un líquido,
cualquier molécula está rodeada totalmente por otras moléculas y la fuerza neta es cero.
Sin embargo, no hay fuerza de atracción que actúe dese arriba sobre las moléculas que
están en la superficie del líquido. (El efecto de las moléculas del aire se considera
insignificante.) El resultado es que sobre las moléculas de la capa superficial actúa una
fuerza neta, debida a la atracción de moléculas vecinas que están justo debajo de la
superficie. Esta “tracción” Hacia adentro sobre las moléculas superficiales hace que la
superficie del líquido se contraiga y se resista a estirarse o romperse. Esta propiedad se
denomina tensión superficial. la ecuación de adsorción de Gibbs proporciona una clara
descripción física del comportamiento de la tensión superficial en términos moleculares. La
ecuación de estado resultante puede expresarse en composición tanto de la fase
volumétrica como de la fase superficial, evaluar la concentración micelar crítica en
tensoactivos y calcular de forma directa e inmediata las energías de adsorción y
micelización, sin necesidad de constantes empíricas. Para la adsorción en fases fluidas,
como es el caso de líquido-vapor o líquido-líquido, es necesario emplear la ecuación de
adsorción de Gibbs para evaluar la concentración del anfibillo en la superficie, mediante la
medición de la tensión superficial o interfacial.
La isoterma de adsorción de Gibbs contiene la relación entre la concentración de soluto en
la superficie y la variación de la presión superficial respecto a la composición de la fase
volumétrica (Novelo-Torres y Gracia-Fadrique, 2003).
El método del ascenso del capilar (líquido-gas), en el que un líquido asciende por un tubo
capilar y moja las paredes del tubo, debido a ello, forma un menisco en la superficie por la
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 un ascenso del líquido en el interior
del capilar que se detiene en el momento en que las presiones se equilibran, es decir, la
presión hidrostática de la columna de líquido en el capilar y la presión fuera del mismo.
Figura 1.1 Ascenso Capilar
Método de placa de WILHELMY, En este método se mide la fuerza hacia abajo que sobre
una placa lisa ejerce la superficie o interfase a la cual se desea determinar la tensión cuando
esta placa toca exactamente esa superficie o interfase. La fuerza ejercida es: P = m g = 2
(l + d) γ donde l es la longitud de la placa y d su espesor. La medida de la fuerza se hace
uniendo la placa a una balanza sensible de torsión, con alguna clase de dispositivo de
elevación bien para bajar la placa hacia la superficie del líquido o elevar la superficie del
líquido hacia la placa. (A. de SALAGER, 2005).
Figura 1.2 Plato de Wilhelmy
3. METODOLOGIA
1. Calibrar el dispositivo para
determinar tensión superficial
por el método del ascenso
capilar
empleando
agua
destilada como líquido de
referencia
2. Mediante el método del
ascenso capilar, determinar la
tensión superficial de cada
una de las soluciones que se
indican en la tabla.
3. Registrar la temperatura a
la que se llevó a cabo el
experimento.
4. Determinar mediante un
picnómetro la densidad en
g/cm3, de cada una de las
disoluciones.
Fig. 3.1. Detalle esquemático del
método de ascenso capilar para la
determinación de tensión superficial en
líquidos
Fig. 3.2 Montaje del dispositivo para la la
determinación de la tensión superficial. 1)
Pipeta pasteur; 2) Tapón de hule horadado; 3)
Cuba de la trampa de humedad; 4) Tapón de
hule horadado;
5) Pipeta
pasteur
despostillada; 6) Tramo de manguera de hule;
7) Brazo de la trampa de humedad; 8) Vista
amplificada del tubo capilar colocado en su
sitio dentro de la cuba de la trampa de
humedad.
4. RESULTADOS
4.1 Agua
Tabla 4.1.1 Obtención de densidad del agua a 20°C por picnómetro.
Tabla 4.1.2 Cálculo del radio de la pipeta pasteur
4.2 Etanol
Tabla 4.2.1 Calculo h prom. Experimental, densidad y tensión superficial
tubo 1
hp
1.52
1.92
1.6
1.88
1.54
1.91
1.58
1.9
Prom
1.56
1.94
Prom h
1.75 cm
p(g/mL) / kg/m^3
0.9885
988.5139
V(mL)
ms
mp
10.578
26.9235
16.467
hs
Tensión
0.06463 N/m
hs
ms
tubo 2
hp
2
1.95
1.99
hs
1.98
2.01
2.09
1.9800
2.0267
2.0033 cm
0.9875
987.5024
mp
26.9128
16.467
tubo 3
hp
1.62
1.74
1.78
hs
1.81
1.84
1.91
1.7133
1.8533
1.7833 cm
0.9865
986.4625
ms
mp
26.9018
16.467
0.0739 N/m
tubo 4
hp
1.58
1.54
1.6
1.78
1.84
1.88
1.5733
1.8333
1.7033 cm
0.9850
985.0066
ms
mp
26.8864
16.467
0.06572 N/m
0.06268 N/m
tubo 5
hp
1.5
1.68
1.56
hs
1.8
1.82
1.81
1.5800
1.8100
1.695 cm
0.9838
983.8438
ms
mp
26.8741
16.467
0.06230 N/m
Tabla No. 4.2.2 Radio y Gravedad Etanol
Tabla 4.2.3 Obtención de la tensión superficial y radio del etanol a distintas concentraciones
C (mol/m^3) ϒ(N/m)
∆C
0
0.0728
160
0.06463
320
0.0739
480
0.06572
640
0.06268
800
0.0623
∆ϒ
160
160
160
160
160
∆ϒ/∆C
-0.0082
0.0093
-0.0082
-0.0030
-0.0004
C°(mol/m^3) Г(mol/m^2)
0
0
-0.0000511
80 1.676E-06
0.0000579
240 -5.705E-06
-0.0000511
400 8.390E-06
-0.0000190
560 4.365E-06
-0.0000024
720 7.016E-07
Grafica 4.2.1 Tensión superficial en relación con la concentración de Etanol
4.3 Propanol
Tabla No. 4.3.1 Calculo h prom. Experimental, densidad y tensión superficial
Prom
Prom h
p(g/mL)/kg/m^3
V(mL)
ms
10.2911
tubo 1
hp
1.96
2.07
1.74
1.78
2.2
1.9
2.1
1.9
1.7
1.99
1.94
1.928
1.934 cm
0.9961
996.0548
mp
30.2615
20.011
Tensión
0.07197 N/m
hs
hs
ms
tubo 2
hp
1.63
1.69
1.4
1.65
2.1
1.68
2.06
1.68
2.1
1.74
1.8580
1.6880
1.773 cm
0.9933
993.3049
mp
30.2332
20.011
0.0658 N/m
tubo 3
hp
1.76
1.46
1.92
1.58
1.86
1.66
1.87
1.57
1.92
1.64
1.8660
1.5820
1.7240 cm
0.9920
992.0319
ms
mp
30.2201
20.011
hs
0.06389 N/m
Tabla No. 4.3.2 Radio y Gravedad Propanol
r
0.0007617 m
g
9.81 m/s^2
tubo 4
hp
1.64
1.6
1.7
1.55
1.9
1.76
1.83
1.5
1.87
1.76
1.7880
1.6340
1.711 cm
0.9910
990.9922
ms
mp
30.2094
20.011
hs
0.06335 N/m
tubo 5
hp
1.66
1.5
1.2
1.5
1.15
1.25
1.83
1.45
1.8
1.5
1.5280
1.4400
1.484 cm
0.9900
989.9914
ms
mp
30.1991
20.011
hs
0.05489 N/m
Tabla No. 4.3.3 Obtención de la tensión superficial y radio del propanol a distintas concentraciones
C (mol/m^3) ϒ(N/m)
∆C
∆ϒ
∆ϒ/∆C
C°(mol/m^3) Г(mol/m^2)
0
0.0728
0
0
160
0.07197
160
-0.0008 -0.0000052
80 1.703E-07
320
0.0658
160
-0.0062 -0.0000386
240 3.797E-06
480
0.06389
160
-0.0019 -0.0000119
400 1.959E-06
640
0.06335
160
-0.0005 -0.0000034
560 7.754E-07
800
0.05489
160
-0.0085 -0.0000529
720 1.562E-05
Grafica 4.3.1 Tensión superficial en relación con la concentración de Propanol
Гmax(mol/m^2)
NA
1.5619E-05
6.022E+23
Área de una molecula
9.40595E+18 molecula/m^2
1.0632E-19 m^2/molecula
4.4 Butanol
Tabla 4.4.1 Calculo h prom. Experimental, densidad y tensión superficial
hs
Prom
Prom h
p(g/mL) / kg/m^3
V(mL)
ms
10.421
Tensión
tubo 1
hp
1.57
1.86
1.51
1.89
1.5
1.86
1.54
1.9
1.83
1.86
1.59
1.874
1.732 cm
0.9907
990.6919
mp
27.364
17.04
0.06410 N/m
tubo 2
hp
1.56
1.68
1.66
1.7
1.39
1.69
1.73
1.68
1.37
1.67
1.5420
1.6840
1.613 cm
0.9897
989.7035
ms
mp
27.3537
17.04
hs
0.0596 N/m
tubo 3
hp
1.27
1.63
1.08
1.57
1.32
1.58
1.69
1.6
1.36
1.58
1.3440
1.5920
1.4680 cm
0.9889
988.9166
ms
mp
27.3455
17.04
hs
0.05424 N/m
hs
tubo 4
hp
1.67
1.52
1.26
1.32
hs
1.29
1.25
1.3
1.27
1.4425
1.2775
1.36 cm
0.9881
988.0530
ms
mp
27.3365
17.04
0.05020 N/m
tubo 5
hp
0.96
1.08
1.06
1.04
1.2
1.05
1.14
1.22
1.0350
1.1525
1.094 cm
0.9874
987.3908
ms
mp
27.3296
17.04
0.04035 N/m
Tabla No. 4.4.2 Radios y Gravedad Butanol
r
0.0007617 m
g
9.81 m/s^2
Tabla No. 4.4.3 Obtención de la tensión superficial y radio del butanol a distintas concentraciones
C (mol/m^3) ϒ(N/m)
∆C
∆ϒ
∆ϒ/∆C
C°(mol/m^3) Г(mol/m^2)
0
0.0728
0
0
160
0.0641
160
-0.0087 -0.0000544
80 1.785E-06
320
0.0596
160
-0.0045 -0.0000281
240 2.769E-06
480
0.05424
160
-0.0054 -0.0000335
400 5.498E-06
640
0.0502
160
-0.0040 -0.0000253
560 5.801E-06
800
0.04035
160
-0.0099 -0.0000616
720 1.819E-05
Grafica 4.4.1 Tensión superficial en relación con la concentración de Butanol
4.5 Pentanol
Tabla 4.5.1 Calculo h prom. Experimental, densidad y tensión superficial
Tabla No. 4.5.2 Radios y Gravedad Pentanol
r
0.0007617 m
g
9.81 m/s^2
Tabla 4.5.3 Obtención de la tensión superficial y radio del pentanol a distintas concentraciones
Grafica 4.5.1 Tensión superficial en relación con la concentración de Pentanol
4.6 Concentración
Tabla 4.6.1 Tensión superficial y concentraciones de los cuatro alcoholes tratados.
Concentración(M) pentanol
etanol
propanol
butanol
0
0.0728
0.0728
0.0728
0.0728
0.16
0.0529
0.06463
0.07197
0.0641
0.32
0.0463
0.0739
0.0658
0.0596
0.48
0.0446
0.06572
0.06389
0.05424
0.64
0.036
0.06268
0.06335
0.0502
0.8
0.02805
0.0623
0.05489
0.04035
Grafica 4.6.1 Representación de la Tensión superficial y concentraciones de los cuatro alcoholes
tratados.
5. ANÁLISIS
La tensión superficial es la cantidad de energía requerida para poder aumentar su
superficie por unidad de área si bien esta es única por cada sustancia también se
verá afectada por la influenciada en cuestión de interacciones con otro tipo de
sustancias.
En general, la tensión superficial disminuye con la temperatura, ya que las fuerzas
de cohesión disminuyen al aumentar la agitación térmica.
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.
0.08
Tensión superficial(N/m)
0.07
0.06
0.05
Pentanol
0.04
Etanol
0.03
Propanol
0.02
Butanol
0.01
0
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1
Concentación(M)
Figura 5.1 Comportamiento de la tensión superficial con los diversos alcoholes, así como su
concentración.
Observando el comportamiento expresado en la figura uno, se puede notar que en
ciertos de alcoholes la tensión superficial tiende a descender, de alguna manera
todos lo están haciendo, pero en algunos casos esto es más notorio que en otros,
mientras mayor tensión se presente mayor fuerza entre las interacciones habrá.
En concordancia con los resultados mostrados en la figura 5.1, según la cual la
tensión superficial de estas sustancias en solución cambia muy poco con relación a
la del agua pura, podemos inferir que las interacciones soluto-soluto, solutosolvente y solvente-solvente en el interior de las soluciones acuosas del etanolagua, propanol-agua, butanol-agua y pentanol-agua son muy similares y
compatibles con predominio de las interacciones soluto-solvente.
Las isotermas de Gibbs de los diferentes sistemas de alcohol-agua que fueron
etanol, propanol, butanol y pentanol nos muestra un comportamiento muy peculiar
ya que al aumentar el número de carbonos en la molécula el descenso de la tensión
superficial es mayor, esto se debe a las interacciones intermoleculares que existen
durante este fenómeno de superficie.
Con esto nos referimos a la polaridad que tiene cada una de las moléculas, mientras
más grande sea la cadena hidrocarbonada (parte apolar) la parte polar estará
menos disponible a posibles interacciones con el agua y a su vez con el capilar, esto
se debe a que forman puentes de hidrogeno entre si ya que el material con el que
está constituido el vidrio es polar.
El oxígeno como se sabe tiene dos pares de electrones libres los cuales
interaccionaran con las sustancias en prueba, como se mencionó con puentes de
hidrogeno entre sí. Es por esto que el descenso de la tensión superficial es
significativo mientras más larga sea la cadena no polar.
Para enfatizar más en esta discusión, es conveniente examinar el comportamiento
de la concentración superficial del soluto (Γ) calculada usando la ecuación de Gibbs,
teniendo en cuenta que la disociación del alcohol es despreciable.
Figura 5.2. Posibles casos que se pueden presentar de acuerdo con el fenómeno de tensión superficial
con respecto a la concentración
Con respecto a la figura dos, esta es una representación de los tres posibles casos
que se pueden presentar en la tensión superficial de algunos líquidos cada uno
referido con respecto a las interacciones intermoleculares (fuerza) que se
establecen.
Si combinamos dos líquidos con tensión superficial similar, la tensión superficial
global de la mezcla varia de forma en lo posible, lineal con la concentración. En el
caso de las tensiones superficiales de los líquidos puros difieran considerablemente
entre sí, la mezcla dependerá en mayor proporcioné la tensión superficial del soluto.
En caso de que la tensión superficial de soluto sea mucho menor que la del solvente
entonces la adición de cantidades pequeñas del soluto con lleva a que se presente
un descenso en la tensión superficial de la mezcla
Haciendo la comparación entre la figura 5.1 y la figura 5.2 comenzando con el etanol
se puede notar que tiende más a un comportamiento (I) como se expresa en la
figura 5.2 esto quiere dar a denotar que la tensión superficial aumenta y por lo tanto
se solvata con mayor fuerza, ahora bien, con respecto al propanol este sigue casi
la misma tendencia del etanol denotando de igual forma el mismo comportamiento
ya que algunos puntos se sobreponen con los del etanol resultando en un aumento
de la tensión superficial, sin embargo el butanol ya no sigue la misma tendencia que
el etanol y el propanol ahora sigue la tendencia (II) presentada en la figura 5.2 por
lo que se puede deducir que la tensión superficial disminuyo levemente esto quiere
decir que la solvatación no se realizó lo suficientemente fuerte por lo tanto las
interacciones disminuyeron y finalmente con el pentanol, este presenta una
tendencia entre los comportamiento (II) y (III) ya que su descenso es mayor que el
de los tres alcoholes anteriores, no se puede decir que se encuentra en un solo
comportamiento ya que no es del todo parecido entre ambas, pero si se quisiera
concluir se podría tomar que es más parecido al número (II) indicando una leve
disminución en cuestión de sus interacciones y por lo tanto una tensión superficial
mucho menor que la de los alcoholes anteriores.
Con respecto a los valores de Γ todos fueron positivos lo que quiere decir que no se
está trabajando en el seno de la solución sino más bien el trabajo se está
produciendo en la superficie.
6. CONCLUSIONES
•
•
•
•
Se determino el efecto de la adición de alcoholes sobre la tensión superficial
del agua arrojando valores de tensión de 0.05287 N/m para el tubo 1, 0.0463
N/m para el tubo 2, 0.04463 N/m para el tubo 3, 0.03600 N/m para él tuvo 4
y finalmente un valor de 0.02805 N/m para el tubo 6 todo con respecto al
pentanol
Se determino la diferencia de las tenciones superficiales de cada alcohol a
través de la gráfica (figura 5.1) denotando que la mayoría de los alcoholes
pertenecen a la clasificación (I) y (II) según la figura 5.2 por lo tanto sus
interacciones no disminuyen del todo
Se expreso un signo positivo de Γ indicando que el trabajo actúa sobre la
superficie
Se concluye que los alcoholes actúan como agentes tensoactivos al
modificar la tensión superficial del agua
•
•
Es importante medir el volumen del picnómetro ates de realizar cualquier
medición.
Como recomendación podemos decir que el método de ascenso capilar es
preciso si y solo si se toman las lecturas de la manera correcta, si medimos
desde la base hasta la altura del otro líquido, los resultados no serán los
óptimos.
Aplicaciones en la Industria Farmacéutica
El proceso de micelación juega un rol importante en la elaboración de preparaciones
farmacéuticas, ya que el medio que proporcionan facilita la disolución de otros
compuestos.
En cosmética y farmacia se incorporan principios activos a liposomas los que debido
a su estructura lipofílica favorecen la absorción.
Tensoactivos de uso farmacéutico: Existen numerosos medicamentos que
presentan una actividad biológica ligada a su actividad surfactante, entre ellos:
estructuras simples como las sales de amonio cuaternario (bactericidas), y
estructuras aromáticas y heterocíclicas complejas (analgésicos fenantrénicos).
7. BIBLIOGRAFÍA
•
•
•
•
Chang,R.(2008).
Fisicoquímica.
(3°
ed.).
España:
McGraw-Hill
Interamericana.
Adamson ,R & Arthur K. (1990). Physical chemistry of surfaces. (5th ed). New
York: Ed. John Wiley & Sons.
Gracia-Fadrique, 1999 Langmuir-Bet surface equation of state influid-fluid
interfaces Langmuir, 15 (1999), pp. 3279-3282
Federico D. Sandoval-Ibarra, José L. López-Cervantes, Jesús GraciaFadrique, Ecuación de Langmuir en líquidos simples y tensoactivos,
Educación Química, Volume 26, Issue 4, 2015, Pages 307-313, ISSN 0187893X, https://doi.org/10.1016/j.eq.2015.03.002.
8. MEMORIA DE CÁLCULO
Agua
ℎ𝑠 =
1.99 + 1.84 + 1.79 + 1.63
= 1.8125 𝑐𝑚
4
ℎ𝑠 =
2.09 + 2.08 + 2.07 + 2.19
= 2.1075 𝑐𝑚
4
Altura promedio
(1.8125 + 2.1075)
2
ℎ 𝑝𝑟𝑜𝑚 =
= 0.0196 𝑚
100
Tensión del agua
𝑇𝑒𝑛𝑠𝑖ó𝑛 = (72.88)(100)(0.00001) = 0.07288
𝑁
𝑚
𝑟
𝑁
(2)(0.07288 )
𝑚
r=
= 7.617𝑥10−04 𝑚 => 7.617𝑥10−02 𝑐𝑚
𝐾𝑔
𝑚
(9.81 2 )(995.2940 3 )(0.0196 𝑚)
𝑠
𝑚
Pentanol
Tubo 1: promedios (hs=1.2025, hp=1.6375)
1.2025 + 1.6375
ℎ 𝑝𝑟𝑜𝑚 =
= 1.42 𝑐𝑚
2
Densidad
27.4201𝑔 − 16.8957𝑔
=
∗ 1000 = 996.5344 𝐾𝑔/𝑚3
10.561 𝑚𝐿
Tensión
𝐾𝑔
𝑚
(0.0007616 𝑚) (9.81 2 ) (996.5344 3 ) (1.42 𝑚)
𝑠
𝑚
𝑁
100
𝑇𝑒𝑛𝑠𝑖ó𝑛 =
= 0.05287
2
𝑚
∆C
Δ𝐶 = 𝐶2 − 𝐶1
𝑚𝑜𝑙
𝑚𝑜𝑙
𝑚𝑜𝑙
Δ𝐶 = 320 3 − 160 3 = 160 3
𝑚
𝑚
𝑚
∆Y
Δ𝑌 = 𝑌2 − 𝑌1
𝑁
𝑁
𝑁
Δ𝑌 = 0.0529 − 0.0728 = −0.0199
𝑚
𝑚
𝑚
Δ𝑌
Δ𝐶
𝑁
Δ𝑌 −0.0199 𝑚
=
= −0.0001246
𝑚𝑜𝑙
Δ𝐶
160 3
𝑚
Γ
𝑚𝑜𝑙
80 3
𝑚𝑜𝑙
𝑚
Γ = −(
) (−0.0001246) = 4.089𝑋10−06 2
𝐽
𝑚
(8.3144
) (293.15𝐾)
𝐾 ∗ 𝑚𝑜𝑙
Área de la molécula
Γmax = 1.4678𝑥10−05
𝑚𝑜𝑙
𝑚2
𝑁°𝐴𝑏𝑜𝑔𝑎𝑑𝑟𝑜 = 6.022𝑥1023
𝑚𝑜𝑙
𝑚𝑜𝑙𝑒𝑐𝑢𝑙𝑎𝑠
)(6.022𝑥1023 ) = 8.83893𝑥1018
2
𝑚
𝑚2
𝑚𝑜𝑙𝑒𝑐𝑢𝑙𝑎𝑠 −1
𝑚2
18
−19
𝐴 = (8.83893𝑥10
) = 1.13136𝑋10
𝑚2
𝑚𝑜𝑙𝑒𝑐𝑢𝑙𝑎𝑠
𝐴 = (1.4678𝑥10−05
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