1 RESUMEN EnlaprcticaNo.3,semidilatensinsuperficialdelAgua(H2O),Aguay Jabn, Acetona (C3H6O) y Etanol (C2H6O) al 95%, dentro de un intervalo establecido de temperaturas. Se hizo por medio de tubos capilares, dentro de los cuales una vez alcanzada la temperatura, se sumerga dentro del lquido y se medan las alturas a las que ascendieron los lquidos, este dato sirvi posteriormente en la frmula de a tensin superficiales; tambin se utiliz la densidad del lquido una vez alcanzaba la temperaturadeseada.Selleglaecuaciones,paraelaguay=0.0009x+0.0432 conunacorrelacindeR=0.7997;paraelaguaconjabny=1E-06x+0.0423 conunacorrelacindeR=6E-05;paralaacetonay=0.0001x+0.0377 conunacorrelacindeR=0.1433;paraeletanoly=0.0005x+0.0569 con una correlacin deR = 0.8536. Se trabaj a temperatura ambiente de 24.8 y una presin de 0.85 atm. . 2 OBJETIVOS General Establecer un modelo matemtico que describa la relacin entre la tensin superficai.de los lquidos y su relacin con la temperatura. Especifico 1) Calcular las densidades de los lquidos a distintas temperaturas. 2) Comprender larelacin entre la temperatura y laaltura dellquido dentro del tubo capilar- 3) Comprenderquefuerzasactanycmosecomportanenellquidoque afecta su tensin superficial. 4) Establecer la relacin entre la tensin superficial y la polaridad del liquido. 3 MARCO TEORICO Tensin superficial En fsica se denomina tensin superficial de un lquido a la cantidad de energa necesaria para aumentar su superficie por unidad de rea. Esta definicin implica que ellquidotieneunaresistenciaparaaumentarsusuperficie.Esteefectopermitea algunosinsectos,comoelzapatero(Gerrislacustris),desplazarseporlasuperficie delaguasinhundirse.Latensinsuperficial(unamanifestacindelasfuerzas intermoleculares en los lquidos), junto a las fuerzas que se dan entre los lquidos y lassuperficiesslidasqueentranencontactoconellos,dalugaralacapilaridad. Como efecto tiene la elevacin o depresin de la superficie de un lquido en la zona de contacto con un slido. Otraposibledefinicindetensinsuperficial:eslafuerzaqueacta tangencialmenteporunidaddelongitudenelbordedeunasuperficielibredeun lquido en equilibrio y que tiende a contraer dicha superficie. Las fuerzas cohesivas 4 entre las molculas de un lquido son las responsables del fenmeno conocido como tensin superficial. Causa Latensinsuperficialsedebeaquelasfuerzasqueafectana cada molculasondiferentesen elinterior dellquidoyenlasuperficie.As,en el senodeunlquidocadamolculaestsometidaafuerzasdeatraccinqueen promedio se anulan. Esto permite que la molcula tenga una energa bastante baja. Sinembargo,enlasuperficiehayunafuerzanetahaciaelinteriordellquido. Rigurosamente, si en el exterior del lquido se tiene un gas, existir una mnima fuerza atractiva hacia el exterior, aunque en la realidad esta fuerza es despreciable debido a la gran diferencia de densidades entre el lquido y gas. Otra manera de verlo es que una molcula en contacto con su vecina est en un estado menor de energa que si no estuviera en contacto con dicha vecina. Las molculas interiores tienen todas las molculas vecinas que podran tener, pero las partculas del contorno tienen menos partculas vecinas que las interiores y por eso tienenunestadomsaltodeenerga.Paraellquido,eldisminuirsuestado energtico es minimizar el nmero de partculas en su superficie. Energticamente,lasmolculassituadasenlasuperficietieneunamayor energa promedio que las situadas en el interior, por lo tanto la tendencia del sistema ser disminuir la energa total, y ello se logra disminuyendo el nmero de molculas situadas en la superficie, de ah la reduccin de rea hasta el mnimo posible. Como resultado de minimizar la superficie, esta asumir la forma ms suave que pueda ya que est probado matemticamente que las superficies minimizan el reaporlaecuacindeEuler-Lagrange.Deestaformaellquidointentarreducir cualquier curvatura en su superficie para disminuir su estado de energa de la misma forma que una pelota cae al suelo para disminuir su potencial gravitacional. 5 Propiedades La tensin superficial suele representarse mediante la letra griega (gamma), o mediante (sigma). Sus unidades son de Nm1, Jm2, kgs2 o dyncm1 Algunas propiedades de: > 0, ya que para aumentar el estado del lquido en contacto hace falta llevar ms molculas alasuperficie,conlo cual disminuye la energa del sistema yesolacantidaddetrabajo necesarioparallevarunamolculaa la superficie. depende de la naturaleza de las dos fasespuestasencontactoque,en general,serunlquidoyunslido. As, la tensin superficial ser igual por ejemplo para agua en contacto con su vapor, agua en contacto con un gas inerte o agua en contacto con un slido, al cual podr mojar o no (vase capilaridad) debido a las diferencias entre las fuerzas cohesivas (dentro del lquido) y las adhesivas (lquido-superficie). sepuedeinterpretarcomounfuerzaporunidaddelongitud(semideen Nm1). Esto puede ilustrarse considerando un sistema bifsico confinado por un pistn mvil, en particular dos lquidos con distinta tensin superficial, como podraserelaguayelhexano.Enestecasoellquidoconmayortensin superficial (agua) tender a disminuir su superficie a costa de aumentar la del hexano,demenortensinsuperficial,locualsetraduceenunafuerzaneta que mueve el pistn desde el hexano hacia el agua. Elvalordedependedelamagnituddelasfuerzasintermolecularesenel seno del lquido. De esta forma, cuanto mayor sean las fuerzas de cohesin 6 del lquido, mayor ser su tensin superficial. Podemos ilustrar este ejemplo considerando tres lquidos: hexano, agua y mercurio. En el caso del hexano, las fuerzas intermoleculares son de tipo fuerzas de Van der Waals. El agua, aparte de la de Van der Waals tiene interacciones de puente de hidrgeno, de mayorintensidad,yelmercurioestsometidoalenlacemetlico,lams intensa de las tres. As, la de cada lquido crece del hexano al mercurio. Paraunlquidodado,elvalordedisminuyeconlatemperatura,debidoal aumentodelaagitacintrmica,loqueredundaenunamenorintensidad efectiva de las fuerzas intermoleculares. El valor de tiende a cero conforme la temperatura se aproxima a la temperatura crtica Tc del compuesto. En este punto,ellquidoesindistinguibledelvapor,formndoseunafasecontinua donde no existe una superficie definida entre ambos, desapareciendo las dos fases. Al haber solamente una fase, la tensin superficial vale 0. Medida de la tensin superficial Mtodos estticos: la superficie se mantiene con el tiempo 1) Mtodo del anillo de Noy: Calcula la F necesaria para separar de la superficie del lquido un anillo. F= 4R (siendo R el promedio del radio externo e interno del anillo. 2) Mtodo del platillo de Wilhelmy: Medida de la F para separar la superficie de una delgada placa de vidrio. Precisin de 0,1 %. Mtodos dinmicos: la superficie se forma o renueva continuamente 1) Tensimetro (Mtodo de presin de burbuja): En un lquido a T cte se introduce un capilar de radio R conectado a un manmetro. Al introducir gas se va formando unaburbujaderadioramedidaqueaumentalaPenelmanmetro.Alcrecerr 7 disminuye hasta un mnimo, r=R y despus vuelve a aumentar. Esto hace posible su usoenambos,laboratoriosdeinvestigacinydesarrollo,ascomomonitoreodel proceso directamente en la planta. Tambin se puede medir con un estalagmmetro. Ecuaciones Ecuaciones empricas que se ajustan a las medidas de a distintas T. Ecuacin de Etvs:= k/Vm2/3 (Tc-T) k= 2.1 erg/K Ecuacin de Van der Waals:= 0(1-T/Tc)n; n=11/9 (liq)=8 (H2O)=1 (metales lquidos) Para un lquido en equilibrio con su vapor dG= -SdT+VdP+ dA suponiendo el sistema cerrado con dn=0. Segn la condicin de equilibrio termodinmico se cumple que:=(dG/dA)>0.DeestaecuacinsacamosquelaenergalibredeGibbs disminuye al disminuir el rea superficial de un sistema, tratndose este proceso de un proceso espontneo. Polaridad La polaridad qumica o solo polaridad es una propiedad de las molculas que representalaseparacindelascargaselctricasenlamisma(consultar tambindipoloelctrico).Estapropiedadestntimamenterelacionadaconotras propiedades como lasolubilidad, el punto de fusin, el punto de ebullicin, las fuerzas intermoleculares, etc. El compuesto 'NaCl' (sal comn) es muy buen ejemplo de una molcula polar, y por eso puede disociar con el agua, el cual a la vez es sumamente polar. En general, semejante disuelve a semejante: solvente apolar disuelve solucin apolar, y viceversa. 8 Al formarse una molcula de modo enlace covalente el par de electrones tiende adesplazarsehaciaeltomoquetienemayorelectronegatividad.Estoorigina unadensidaddecargadesigualentrelosncleosqueformanelenlace(seforma undipoloelctrico).Elenlaceesmspolarcuantomayorsealadiferenciaentre las electronegatividades de los tomos que se enlazan; as pues, dos tomos iguales atraern al par de electrones covalente con la misma fuerza (establecida por la Ley de Coulomb) y los electrones permanecern en el centro haciendo que el enlace sea polar. Pero un enlace polar no requiere siempre unamolculapolar;paraaveriguarsiuna molcula es polar hay que atender a la cantidad de enlaces polares y la estructura de la molcula. Paraelloesnecesariodeterminarunparmetro fsicollamadomomentodipolar elctrico del dipolo elctrico. Se define como una magnitudvectorialconmduloigualalproducto delacargaqporladistanciaquelasseparad, cuya direccin va de la carga negativa a la positiva. La polaridad es la suma vectorial de los momentos dipolares de los enlaces, y viendo si la suma vectorial es nula o no observaremos su carcter polar o apolar. De esta manera una molcula que solo contiene enlaces apolares es siempre apolar,yaquelosmomentosdipolaresdesusenlacessonnulos.Enmolculas diatmicas son apolares las molculas formadas por un solo elemento o elementos con diferencia de electronegatividad muy reducida. Sern tambin apolares las molculas simtricas por el mismo motivo. El agua, por ejemplo, es una molcula fuertemente polar ya que los momentos dipolares de los enlaces dispuestos en "V" se suman ofreciendo una densidad de carga negativa en el oxgeno y dejando los hidrgenos casi sin electrones 9 La polaridad es una caracterstica muy importante ya que puede ayudarnos a reconocer molculas (por ejemplo a diferenciar el trans-dicloroetano que es apolar y el cis-dicloroetano que es fuertemente polar). Tambin es importante en disoluciones yaqueundisolventepolarsolodisuelveotrassustanciaspolaresyundisolvente apolar solo disuelve sustancias apolares ("semejante disuelve a semejante"). Aunque la polaridad de un disolvente depende de muchos factores, puede definirse como su capacidadparasolvataryestabilizarcargas.Porltimolapolaridadinfluyeen elestadodeagregacindelassustancias ascomoentermodinmica,yaquelas molculaspolaresofrecenfuerzasintermoleculares(llamadasfuerzasdeatraccin dipolo-dipolo) adems de las fuerzas de dispersin o fuerza de London. Molculas apolares Las molculas apolares son aquellas molculas que se producen por la unin entre tomos que poseen igual electronegatividad, por lo que las fuerzas con las que los tomos que conforman la molcula atraen los electrones del enlace son iguales, producindose as la anulacindedichasfuerzas.Unejemplodeuna molcula apolar es la molcula deoxgeno (O2). En esta molcula cada tomo de oxgeno atrae a los electrones compartidos hacia s mismo con una misma intensidad peroendireccincontraria,porloqueseanulanlas fuerzas de atraccin y la molcula no se convierte, se transforma en un dipolo. 10 Importancia biolgica Lasmolculasanfipticastienenregionespolaresyregionesapolares,de manera que una parte de la molcula (la polar) interacciona con el agua y la otra (la apolar) no. Esta propiedad es fundamental en los sistemas biolgicos, ya que son la base de las bicapas lipdicas que forman la membrana plasmtica de las clulas. Las principalesmolculasanfipticasdelasmembranascelularesson los fosfolpidos que, en un entorno acuoso, se autoorganizan en micelas o bicapas. 11 MARCO METODOLOGICO MATERIALES 1 Beacker de 500 ml 1 Beacker de 100 ml Tubos capilares 1 Termmetro 1 Plancha de calentamiento o mechero bunsen 2 Beackers de 50 ml 2 Varillas de vidrio para agitacin 1 Pipeta de 5 ml 1 Probeta de 100 ml 1 Bolsa de hielo 1 Hoja de papel milimetrado 1 Tijera Tape REACTIVOS Agua H2O Acetona C3H6O Etanol C2H6O Jabn lquido CH3-(CH2)n - COONa 12 ALGORITMO PROCEDIMENTAL 1.Se arm el equipo. 2.Se tom una muestra de 25 ml del lquido correspondientey se coloc dentro del beacker de 100 ml. 3.Se llen el beacker de 500ml hasta aproximadamente la mitad con agua y se le agrego hielo. 4.Se determin la tensin superficial utilizando el mtodo del capilar para diferentestemperaturas(5,10,15,20,30,40,50,C),enfriandoo calentando la muestra en el correspondiente bao de mara. 5.Se midi para cada temperatura la altura a la cual asciende el lquido en el momento en que se estableci el equilibro dentro del capilar, el tubo capilar estaba previamente graduado en la escala de centmetros gracias al papel milimetrado. 6.Se medi la densidad del lquido a cada temperatura.

13 DIAGRAMA DE FLUJO Calculo de densidades y algunas de lquidos a distintas temperaturas INICIOFINSE ARMO ARMAR EQUIPOSE PREPARARON LAS LIQUIDOSSE ENFRIARON O CALENTARON LOS LIQUIDOS PARA LLEVALOSA LAS TEMPERATURASTEMPERATURA ALCANZADASE MIDIO LA ALTURA DEL LIQUIDO EN EL CAPILARSE CACULO LA DENSIDAD DEL LIQUIDONOSI 14 RESULTADOS TENSIONES SUPERFICIALES N/m Temperatura AguaAgua y J abnAcetonaEtanol (95%) 50.052800.039930.034580.06007 100.052790.044670.042900.06733 150.058740.044720.042590.05843 200.062840.039750.039210.06969 300.058020.044480.039220.07051 400.074760.039240.035640.08011 500.100650.043750.047820.08494 Fuente propia Graficas Tensin Superficial vrs Temperatura Grafica I.Agua Fuente propia 15 Grafica I.Agua y Jabn (50%-50%) Fuente propia Grafica I.Acetona Fuente propia 16 Grafica I.Etanol 95% Fuente propia 17 INTERPRETACION DE RESULTADOS De los 4 lquidos que se estudiaron, el Etanol, la Acetona y la mezcla deaguayjabntienenfuerzasintermolecularesdetipoDipolo-Dipolo, mientrasqueelaguaposeefuerzasintermolecularestipoVanDerWaalsy puentesdehidrogeno,loslquidosquetienenmayorfuerzadeatraccin intermolecularposeenuntensinsuperficialmselevada.Latensin superficial es una pelcula que hace difcil mover algn objeto en su superficie, esto se debe a que las molculas no tienen otras molculas a sus lados, por esocohesionanmsfuerteentreaquellasenlasuperficie.Engeneralla tensin superficial disminuye al aumentar la temperatura ya que hay excitacin demolculasydisminuyelacohesin,estatensinsuperficialdependedel medio que le rodea, de la temperatura y de su naturaleza. En el caso del Agua (H2O)comoposeepuentedehidrogenolasfuerzasintermolecularesson fuertes y por lo tanto posee un tensin superficial elevada; experimentalmente (verGraficaI.)muestraqueconformeaumentalatemperatura,latensin superficial tambin aumenta, cosa que tericamente no debera de ocurrir, es posible que sea un error que ocurri en el momento de la toma de datos de alturas,loscompaerosseequivocaronenlalectura,considerandoquese moj el papel milimetrado y que en nuestro caso (mezcla de agua y jabn) se form espuma y esto haya perjudicado en la lectura del capilar.Para la mezcla deAguayJabnlagrficamuestraquesemantieneestablesutensin superficial cuando aumenta la temperatura, incluso analizando lafrmula de regresinindicauna tendencia a aumentar ligeramente, su correlacin es casi 0;paralaAcetona(C3H6O),aligualqueelaguaconjabn,poseefuerzas dipolo-dipolo, lo que quiere decir que sus fuerzas intermoleculares no son tan fuertes y por lo tanto sera ms perceptible a los cambios de tensin superficial, su correlacin tiende a 0, lo que indica que vara poco conforme aumenta la temperatura,tericamentedeberaocurrirlocontrario;finalmenteparael 18 Etanol(C2H6O)quetambinesdipolo-dipolo,sugraficamuestraunaclara tendenciaaaumentar,sucorrelacinessuperiora.85loqueindicaquela grficaseapegalosresultados,contrariamentealoquedeberapasar. Las grficasmuestranparalos4lquidosunatendenciaaaumentar, tericamenteconformeaumentalatemperaturadisminuyelatensin superficial 19 CONCLUSIONES 1) Latemperaturaafectalatensinsuperficial,disminuyendola cohesin entre las molculas. 2) Con las pruebas adecuadas se puede calcular la tensin superficial de un lquido mediante datos experimentales 3) El modelomatemtico que describe latensin superficial del agua respectoalatemperaturaesy=0.0009x+0.0432 con una correlacin de R = 0.7997. 4)El modelo matemtico que describe la tensin superficial del agua conjabnrespectoalatemperaturaesy=1E-06x+0.0423 con una correlacin de R = 6E-05 5) Elmodelomatemticoquedescribelatensinsuperficialdel acetonarespectoalatemperaturaesy=0.0001x+0.0377 con una correlacin de R = 0.1433. 6)El modelo matemtico que describe la tensin superficial del Etanol respectoalatemperaturaesy=0.0005x+0.0569 con una correlacin de R = 0.8536. 20 7)Para el caso del agua con jabn, es difcil clasificarlo entre dipolo-dipolo y Van Der Waals ya que es una mezcla, y es difcil averiguar la frmuladeljabnlquidoparapoderhacerlascomparaciones,porlo tanto no hay paramentro. 21 BIBLIOGRAFIA 1.Raymond,Chang.(2010).QuimicaGeneral,10maEdicion.Mxico, McGraw-Hill. 2.TheodoreBrown.(2011).QuimicalaCienciaCentral,11vaEdicin. Mxico, Prentice-Hall 3.Castellan,GilbertW.,Fisicoqumica,Ed.Pearson,pg.433,tema 18, Fenmenos superficiales. 4.MakS.Y.,WongK.Y.,Lamedicindelatensinsuperficialporel mtodo de traccin directa. Am. J. Phys. 58 (8) August 1990, pp. 791-792.x 5.NicolsSnches.(2009).CienciaytecnologaFisicoqumica,(6 Edicin) P.W. Atkins (1998) Oxford University Press, p 857-862. 6.Ira N. Levine. (1996). Fisicoqumica. (4 Edicin)McGraw-Hill. Pgina 393-398. 7.TensinSuperficial.(2005).(Enlnea).Disponibleen:(Consultado: 27/08/14) 8.CohesinyTensinSuperficial.(Enlnea).Disponibleen: (Consultado: 27/08/14) 22 9.Latensinsuperficialdelagua.(Enlnea).Disponibleen: (Consultado: 27/08/14) 23 APENDICE DATOS ORIGINALES 24 MUESTRA DE CLCULO Densidad Para calcular la densidad la sustancia se pes el lquido a diferentes temperaturas y se asumi que el volumen es constante. =

Donde: = densidad (g/ml) m = masa (g) v = volumen (50ml) Para la mezcla de agua y jabn, a la temperatura de 5, la masa fue de 46.249 gramos, entonces: =46.249 50 = 0.925 / De la misma manera se calcularon las densidades del resto de lquidos. Alturas de capilares Cuandosellegalatemperaturadeseadellquidoseintrodujoun capilar y luego se midi Tensin Superficial Para el clculo de tensin superficial se utiliz la frmula: 25 Donde: = densidad (kg/m3) h = altura a la que ascendi el lquido en el capilar (m) r = radio del tubo capilar (0.0011 m) g = gravedad (9.81 m/s2) Para la mezcla de agua y jabn, se tiene que el lquido ascendi 0.01 metro en el capilar, tiene una densidad de 925 Kg/m3, tomando como radio del capilar 0.0011 metros, se calcul: = (925 /3)(0.0011)(9.812)(0.01)2= 0.03993 / De la misma manera se calcularon las tensiones superficiales del resto de lquidos. =2 26 DATOS CALCULADOS Tabla I. Resultado del clculo de densidad a diferentes temperaturas para la mezcla de Agua y Jabn Temp. (C)Masa (gr)Volumen (ml)Densidad (g/ml) 546.149500.925 1046.047500.920 1546.096500.921 2045.035500.9207 3045.807500.9161 4045.425500.9085 5045.635500.9097 Fuente propia Tabla II.Resultadodeclculodedensidadesadiferentestemperaturas para diferentes sustancias TemperaturaDensidades (Kg/m3) AguaAgua y JabnAcetonaEtanol (95%) 5978.56925801.2742.2 10978.4920795.1734 15989.68921789.3722 20970.56921807.5717.6 30977.6916807.7726 40989.72909825.7742.4 50981.8901805.8715.6 Fuente propia 27 Tabla III.Resultado de alturas de lquido de la mezcla de agua y jabn. Temperatura Alturas (m) AguaAgua y JabnAcetonaEtanol (95%) 50.01 0.0080.0080.015 100.01 0.0090.010.017 150.011 0.0090.010.015 200.012 0.0080.0090.018 300.011 0.0090.0090.018 400.014 0.0080.0080.02 500.019 0.0090.0110.022 Fuente propia Tabla IV.ResultadodeclculodeTensionesSuperficialesadiferentes temperaturas para diferentes sustancias Tensiones Superficiales (N/m) Temperatura AguaAgua y J abnAcetonaEtanol (95%) 50.052800.039930.034580.06007 100.052790.044670.042900.06733 150.058740.044720.042590.05843 200.062840.039750.039210.06969 300.058020.044480.039220.07051 400.074760.039240.035640.08011 500.100650.043750.047820.08494 Fuente propia 28 UNIVERSIDA DE SAN CARLOS DE GUATEMALA FACULTAD DE CIENCIAS DE LA INGENERIA ESCUELA DE INGENIERIA QUIMICA LABORATORIO DE QUIMICA 4 SECCION: I ING. GERARDO ORDOEZ PRACTICA #3 TENSION SUPERFICIAL WILLIAMS RENE SACALXOT CHOJOLAN CARNET:201231225 FECHA DE PRACTICA: 21/08/14 FECHA DE ENTREGA:28/08/14 29 UNIVERSIDA DE SAN CARLOS DE GUATEMALA FACULTAD DE CIENCIAS DE LA INGENERIA ESCUELA DE INGENIERIA QUIMICA LABORATORIO DE QUIMICA 4 SECCION: I ING. GERARDO ORDOEZ PRACTICA #3 TENSION SUPERFICIAL WILLIAMS RENE SACALXOT CHOJOLAN CARNET:201231225 FECHA DE PRACTICA: 21/08/14 FECHA DE ENTREGA: 28/08/14 30 INDICE CONTENIDO RESUMEN ................................................................................................................ 1 OBJETIVOS ............................................................................................................. 2 MARCO TEORICO ................................................................................................... 3 MARCO METODOLOGICO ................................................................................... 11 MATERIALES ..................................................................................................... 11 REACTIVOS ....................................................................................................... 11 ALGORITMO PROCEDIMENTAL ....................................................................... 12 DIAGRAMA DE FLUJO ....................................................................................... 13 RESULTADOS ....................................................................................................... 14 INTERPRETACION DE RESULTADOS ................................................................. 17 CONCLUSIONES ................................................................................................... 19 BIBLIOGRAFIA ...................................................................................................... 21 APENDICE ............................................................................................................. 23 DATOS ORIGINALES ......................................................................................... 23 MUESTRA DE CLCULO ................................................................................... 24 DATOS CALCULADOS ....................................................................................... 26