ACADEMIA COLOMBIANA DE CIENCIAS EXACTAS, FÍSICAS Y NATURALES

Apropiación de la ciencia desde el aula INDAGALA

Módulo: Química-1Algunas propiedades y usos del aguaActividad 2. Tensión superficial

Actividad 2. Tensión superficial

Título: Actividad 2 Tensión superficialPaís: ColombiaAutores: Muñoz José. Profesor del Departamento de Química de la Universidad Nacional de Colombia Sede Bogotá. E mail jomuca08@gmail.com Bernal Alarcón Inés Profesora del Departamento de Química de la Universidad Nacional de Colombia. Sede Bogotá. Miembro de número la Academia Colombiana de Ciencias Exactas, Físicas y Naturales. E mail ibernal09@gmail.comAsesoría y edición: Ernesto Concha MSC. Física Universidad Nacional de ColombiaCiclo: Básica Secundaria y media (en Colombia)Tema: Tensión superficial

Descripción: En esta actividad se contextualiza el proceso de tensión superficial en referencia actividades comunes de la vida diaria. Previo al desarrollo de la parte práctica se sugiere un cuestionario de entrada que permita complementar la contextualización e indagar sobre los conceptos básicos que se necesitan para mejor comprensión de las seis experiencias propuestas; se enumeran los materiales necesarios para realizarlas, se plantean algunos puntos de reflexión y se finaliza con una lectura complementaria sobre los fundamentos de la propiedad estudiada.

Propósitos: - Contribuir al enriquecimiento del ejercicio de la docencia en los niveles de educación básica y media, con elementos de la metodología ECBI aplicada al estudio de la propiedad denominada tensión superficial, en este caso, del agua.Identificar elementos que permitan describir esta propiedad de los líquidos. Identificar situaciones de la vida diaria donde la tensión superficial es un factor importante.Duración: En condiciones de disponibilidad de espacio y materiales de laboratorio se sugieren 90 minutos incluyendo preparación y discusión.Conceptos claves: modelo corpuscular de la materia, fuerza de atracción, geometría molecular, tensión superficialObjetivos

- Identificar y describir el comportamiento de la superficie del agua frente a fenómenos observables en la vida diaria.

- Identificar elementos que permitan describir el comportamiento observado en algunas experiencias sencillas

- Aplicar el modelo corpuscular de la materia y elementos de la estructura del agua para elaborar una explicación al comportamiento de la superficie del agua.

Focalización

El término tensión superficial probablemente no es tan familiar como el de ebullición, pero tiene implicaciones que inciden en muchos aspectos de la vida diaria de las personas. C. Cáceres y J . Muñoz en “La Química al alcance de todos” hacen una introducción a este concepto que se transcribe a continuación.“Para acercarnos al concepto de tensión superficial, enfoquemos nuestra atención en tres palabras: agua, superficie y tensión.” Se toma como caso específico el agua; se hace referencia a una superficie, lo que lleva a pensar que es un fenómeno o comportamiento que se manifiesta o explica a nivel de la superficie del líquido y finalmente el término tensión nos proyecta a pensar en fuerza. Como ilustración lo invitamos a ver el video

No era tan valiente: (Subido por fqmanuel el 27/05/2011) Experimento de física sobre tensión superficial realizado con una vaso con agua y una pelota de ping pong. Recuperado el 26 de noviembre de 2012 http://www.youtube.com/watch?v=BZ0kKrBw-ik

Para continuar se puede volver sobre la lectura inicial en la que se hace una descripción de la formación y comportamiento de una gota de agua.

En otro contexto podemos hablar de las “pompas de jabón” no “pompas de agua”, con relación a jabones y detergentes, cuya acción tiene que ver con la tensión superficial. Igualmente todos hemos oído hablar del fenómeno de la capilaridad que tiene relación con la tensión superficial y por su importancia se trabajará más adelante en este módulo.

Como iniciación del tema los invitamos a discutir los interrogantes planteados en el cuestionario de entrada elaborando un registro por escrito que se retomará en la discusión:

Cuestionario de entrada

-Cómo se manifiesta la tensión superficial en un líquido?.

-Cuál podría ser la causa de la tensión superficial?

- Algunos libros para niños dicen que “El agua tiene piel”, cree usted que esta expresión es adecuada? ________

Exploración

Materiales Fósforos o cerillos Recipiente de boca ancha Detergente líquido Cajas de petri o vasos de precipitados Aguja común de coser Detergente líquido. (lavavajillas) Fósforos o cerillos Harina de maíz o maicena. Azúcar. Agua. (Preferiblemente destilada)

Experiencia 1. Curiosidades del agua

- Coloque fósforos o cerillos sobre la superficie del agua como se indica en el diagrama.

En el centro de la superficie coloque un cubo o un poquito de azúcar. ¿Qué observa?.___________________________________________________________

Breve explicación.

Cómo lo explica?

Ahora coloca una gota de detergente también en el centro de la superficie

¿Qué observa?___________________________________________________________

-Repita la experiencia utilizando una pequeña cantidad de harina de maíz. Adicione el azúcar¿Qué observa? _________________________________________________________________________________________________________________________________

- Seque el recipiente cuidadosamente. Coloque una pequeña cantidad de harina en el fondo y añada agua

Añada una gota de detergente y agite.

¿Qué observa? ___________________________________________________________

________________________________________________________________________

¿Qué explicación da al comportamiento observado?

Seque bien el recipiente y adicione un poco de harina. Luego adicione agua.

.¿ Cómo lo explica?

Explicación breve.

¿Qué observa?

¿Qué explicación da al comportamiento observado?

Experiencia. 2 La aguja flotante

Tome la aguja por el centro y colóquela muy suavemente sobre la superficie del agua y observe. (Figura A)

Reflexión

- Por qué cree que la aguja no se hunde?

Añade unas gotas de detergente al vaso lejos de donde está la aguja. Qué se observa?

¿Qué explicación daría al comportamiento observado?

Experiencia 3 ¿Puedo levantar el agua?

Materiales

Un vaso de vidrio Un recipiente suficientemente hondo para sumergir y llenar el vaso con agua.

- Introduzca el vaso totalmente en el agua y llénelo. - Inviértalo para que la boca del vaso quede paralela al fondo del recipiente.(estado 1)- Levante suavemente el vaso sacándolo sin separar el borde de la superficie del agua. (estado 2)- Levante el vaso sobre la superficie. (estado 3)

Reflexión

¿Qué observa o percibe?

Estado 1

Estado 2

Estado 3

¿Cómo lo explica?

Con las observaciones de esta experiencia puede dar respuestas a algunos de los interrogantes iniciales?. Redáctelos por escrito y guárdelos para la discusión.

Aplicación

Observa con cuidado la forma que tienen las gotas de lluvia o las que caen de una llave de tubería medianamente abierta.

Lectura complementaria: Tensión superficial

La superficie de cualquier líquido presenta propiedades interesantes debido a que sus moléculas están unidas con las moléculas vecinas, como se representa en la figura; por contraste en el interior del líquido cada molécula está sometida a fuerzas de atracción que en promedio tienden a anularse y como resultante las moléculas presentan una energía cinética baja, como se representa en la figura inferior (adaptada de : O.A..Jaramillo”Notas de Fisico Química. Estados de la materia; líquidos, UNAM;,

2007). Por esta razón las fuerzas intermoleculares que afectan a las moléculas que se encuentran en la superficie tienen una distribución diferente si las comparamos con las actúan sobre las moléculas en el seno del líquido; se crea así en la superficie una energía residual intermolecular a la que se da el nombre de tensión superficial y que se manifiesta en la formación de una delgada membrana elástica.

Para complementar la descripción podemos imaginar una vista perpendicular a la superficie del agua, donde se muestran las interacciones de una molécula de agua con sus vecinas (tomado de

¿Qué observas?

¿Cómo lo explicas?

Cáceres y Muñoz pag. 75)., conformando la película o malla que se ha mencionado. Todo cuerpo cuyo peso (fuerza hacia abajo) no logre vencer las fuerzas de interacción entre las moléculas de agua permanecerá sobre la superficie, es decir flotará, pero si la fuerza hacia abajo es suficiente para vencer esas fuerzas de interacción, el cuerpo se hunde. Pero es posible por la adición de un tensoactivo (jabón o detergente) modificar las características de la interacción entre las moléculas de agua, debilitándolas y así en la experimentación la aguja que flotaba se hunde.

Hasta ahora se ha presentado una descripción cualitativa sobre la tensión superficial, pero cuando se consulta la bibliografía se encuentran valores de la tensión superficial para líquidos y surge la pregunta ¿cómo se mide?

Para aproximarnos a la medida de la tensión superficial es necesario plantear una definición de esta propiedad de los líquidos y para ello imaginemos que podemos observar una unidad sobre la capa superficial del líquido. Se puede plantear que en el interior del líquido las fuerzas se compensan o anulan; en tanto que en la superficie sólo hay una interacción fuerte con las vecinas de los lados y con las inmediatas que están en el seno del líquido generando una fuerza resultante hacia el interior con un aumento de la fuerza de interacción de las moléculas que se encuentran en la superficie que forman una membrana elástica.. Por esto una medida de la tensión superficial tiene que ver con la ruptura de esa capa o membrana que se forma en la superficie del líquido.

Esta tensión también se manifiesta en la tendencia, que muestran algunos líquidos cuyas moléculas tienen fuerzas de atracción intermoleculares fuertes (fuerzas cohesivas), a disminuir su área superficial para un volumen dado tendiendo a formar esferas (ej. gotas de mercurio). El valor de la tensión superficial depende de la naturaleza del líquido, del medio que lo rodea y de la temperatura.

Se han diseñado varios métodos o procedimientos para medir la tensión superficial ycuando se accede a direcciones de Internet sobre la medida de la Tensión Superficial se encuentra un gran abanico de posibilidades, algunas con animación a manera de demostración; el que más se aproxima a esa imagen de rompimiento de la malla superficial es el del anillo de Nouy, que en su forma más sencilla se puede describir cualitativamente con base en un esquema que representa el proceso a seguir. El método se basa en un anillo muy fino de metal que se acopla a un sistema de medición de la fuerza que se ejerce sobre él para separarlo de la superficie del líquido, siguiendo una serie de pasos y cuidados para asegurar al máximo posible un resultado que dé información confiable sobre la magnitud de la propiedad. El procedimiento se puede plantear en pasos que se esquematizan en la figura adjunta, (adaptada de .Introducción a la Física Experimental. Determinación de la Tensión superficial de un líquido. Método del anillo de

Du Nouy. Universidad de Cantabria, Febrero 28, 2005, pag. 4) donde se indican los estados a seguir para obtener la medida de la Tensión Superficial.

Se da por entendido que el esquema es una muestra de lo que se observaría durante el

proceso y que no se muestra el montaje necesario que incluye el sistema de medición de la fuerza que hace ascender el anillo a partir del contacto con la superficie del líquido. A medida que se va incrementando la fuerza Fd, el anillo se separa de la superficie del líquido pero se mantiene una película que une el anillo con la superficie del líquido. Cuando se da la ruptura de esta película (diagrama d), se tiene un valor de fuerza que está relacionada con la Tensión Superficial de acuerdo al radio del anillo, dado que la fuerza leída se está ejerciendo en el círculo (2R). Sin entrar a realizar la deducción de la relación final, esta es:

= Fd/2. 2R

Donde: : tensión superficial Fd: fuerza medida R: radio del anillo.

El factor 2 en el denominador se debe a que a cada lado del anillo se forma la película de líquido, como se muestra en la figura siguiente donde se presenta un corte vertical del anillo.Es decir que la fuerza Fd está actuando a lo largo del anillo donde se forman dos películas.

Otra forma de proceder para la medida de la Tensión Superficial se esquematiza en la figura siguiente. En el estado inicial o A el anillo se sumerge en el líquido

y para llegar al estado B, sin mover el anillo, se saca líquido del recipiente mediante un sistema de sifón. La medición se inicia cuando se llegue a este estado donde el anillo justamente toca la superficie del líquido. De ahí en adelante se va separando el anillo de la superficie del líquido pero manteniendo una capa de este; en el momento en que esta capa o película se rompe, el instrumento da la medida de la tensión superficial.

Como es una fuerza que se ejerce en una longitud dada (el círculo del anillo), las unidades de la tensión superficial son unidad de fuerza por unidad de longitud.

erza que se ejerce en una longitud dada, el círculo del anillo, las unidades de la tensión superficial son unidad de fuerza por unidad de longitud.

UNIDADES. En el Sistema Internacional (SI) es Newton /metro: N/m

En el sistema cgs es dina/centímetro: din/cm

La tensión superficial está asociada a la cantidad de energía necesaria al líquido para aumentar su superficie por unidad de área, pues la capa superficial respondiendo a la presión de la capa de líquido sobre la que se halla tiende a ocupar la mayor superficie libre posible por el lado en que están en contacto con el aire u otro gasLas fuerzas de atracción entre las moléculas de agua se deben a puentes de hidrógeno con alta energía, por eso el agua es líquida y su tensión superficial muestra valores más altos que la de muchos otros líquidos.

En la tabla siguiente se dan valores de Tensión superficial para unos líquidos en contacto con aire expresada en N/m

Líquido Temperatura(0C )

Tensión Superficial(mN/m)

Agua 0255080

76726863

Etanol 20 22Acetona 20 24Mercurio 25 474Tomado de James S . Reed Introducción a los principios del proceso cerámico.(mN =mili newtons)

Bibliografía

La tensión superficial del agua: Experiencia en la que se observa como algunas sustancias, como los jabones o detergentes, hacen variar la tensión superficial del agua.(Subido por jgmorci el 15/10/2007) Recuperado el 26 de noviembre de 2012http://www.youtube.com/watch?v=hs05-tDcqLM

Martos, Mercedes (2011) Tensión superficial : Mercedes Martos (Doctora en Ciencias Químicas) explica porqué algunos insectos andan sobre la superficie del agua. Programa: Tecnópolis (16/10/2011) Subido por educacciontv el 31/01/2012. Recuperado el 26 de noviembre de 2012 http://www.youtube.com/watch?v=-3APfeVXJYE&feature=fvsr

No era tan valiente: Experimento de física sobre tensión superficial realizado con un vaso con agua y una pelota de ping pong. Puedes leer la explicación completa en el

blog fq-experimentos. (Subido por fqmanuel el 27/05/2011). Recuperado el 26 de noviembre de 2012 http://www.youtube.com/watch?v=BZ0kKrBw-ik

Ciencia Tecnología (2009) La tensión superficial no cambia con la temperatura. Videos de divulgación científica y tecnológica para personas interesadas en saber más de física y tecnología a nivel conceptual. Recuperado el 26 de noviembre de 2012 http://www.youtube.com/watch?v=4Y4vPd2Ifqw

Franco, Ángel Tensión superficial en los líquidos Recuperado el 26 de noviembre de 2012http://www.sc.ehu.es/sbweb/fisica/fluidos/tension/introduccion/introduccion.htm Franco, Ángel (2010) Física con ordenador: Curso Interactivo de Física en Internet. http://www.sc.ehu.es/sbweb/fisica/default.htm

.Jaramillo, O.A (2007). Notas de Fisico Química. Estados de la materia; líquidos, UNAM

Universidad de Cantabria ( 2005) Introducción a la Física Experimental. Determinación de la Tensión superficial de un líquido. Método del anillo de Du Nouy., pag. 4)

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