Tension Superficial - 4 (1)

UNIVERSIDAD NACIONAL DEL CALLAO

FACULTAD DE INGENIERIA INDUSTRIAL Y DE SISTEMASESCUELA PROFESIONAL DE INGENIERIA INDUSTRIAL

Práctica de Laboratorio N°4

CURSO : FÍSICO QUÍMICA

TEMA : DETERMINACION DE LA TENSION SUPERFICIAL

PROFESOR : OSWALDO CAMASI PARIONA

ALUMNO : NUÑEZ PAREJA JOHAN ALEXANDER

RAMIREZ MELGAREJO CRISTIAN

CALLAO, Octubre del 2009

BELLAVISTA

UNIVERSIDAD NACIONAL DEL CALLAO FACULTAD DE INGENIERIA INDUSTRIAL Y DE SISTEMAS

CURSO FISICO QUIMICA

INTRODUCCION

Un líquido que fluye lentamente por el extremo de un cuentagotas no sale en forma de chorro continuo, sino como una sucesión de gotas. Una aguja de coser, colocada cuidadosamente sobre la superficie del agua, forma en ella una pequeña depresión y permanece en reposo sin hundirse, aunque su densidad llegue a ser 10 veces superior a la del agua. Cuando un tubo de vidrio, limpio y de pequeño calibre, se sumerge dentro del agua, ésta se eleva en su interior, pero si se sumerge en mercurio, el mercurio desciende. Estas experiencias, y otras muchas de naturaleza análoga, están relacionadas con la existencia de una superficie límite entre un líquido y alguna otra sustancia.Esta superficie límite entre un liquido y alguna otra sustancia es la llamada tensión superficial, la cual a continuación, en el presente trabajo estudiaremos, no solo eso también las diferentes maneras que existen de calcularla y los factores que influyen al momento de hacer este cálculo.



OBJETIVOS:

Determinación experimental de la tensión superficial de líquidos y sus variaciones

con la temperatura.

Determinación experimental de las densidades y su variación con la temperatura.

Determinación de la constante de Ecotovos.

Determinación del coeficiente de expansión térmica.

Determinación de HS, BS, SS y GS.



TENSIÓN SUPERFICIAL

En la discusión del equilibrio de fases, los resultados son establecidos dejando de lado cualquier efecto debido a la variación de las áreas entre las fases en equilibrio. Además, fase fue definida como parte de un sistema, la cual es homogénea en todas sus partes; esta definición implica que la materia mantenida en el interior de la fase, está sujeta exactamente a las mismas condiciones que la materia en la superficie; pero tal homogeneidad es claramente imposible, porque, las moléculas en el interior están sujetas a un campo uniforme de fuerzas (fuerzas del tipo Van der Waals o mas fuertes) debido a las moléculas circundantes; mientras que las moléculas en la superficie están confinadas por un lado por moléculas de la misma sustancia y por el otro por un ambiente enteramente diferente, por lo que estas moléculas existen en un ambiente no simétrico.

Si consideramos la superficie de un líquido en contacto con su vapor (generalmente a la presión atmosférica), una molécula en el líquido esta en un campo uniforme. Una molécula en la superficie está sujeta a una atracción neta hacia el interior del líquido la cual no es compensada por una acción igual de las moléculas de vapor mas dispersas. Así, toda la superficie liquida, en la ausencia de otras fuerzas, tiende a contraerse a un área mínima, por ejemplo, si se pende libremente un volumen de líquido, asume la forma esférica, puesto que la esfera tiene la razón mínima de superficie a volumen.

Con el fin de extender el área de una interface, las moléculas del interior deben salir a la superficie, para lo cual debe realizarse un trabajo en contra de las fuerzas cohesivas en el líquido, lo que significa que las porciones superficiales del líquido tienen una alta energía libre en comparación con las del cuerpo del líquido. Esta energía libre extra de superficie, es comúnmente denominada TENSION SUPERFICIAL y actúa paralelamente a la superficie oponiéndose a cualquier intento de extender la interface. La tensión superficial es responsable para la formación de gotas esféricas, la elevación de agua en un capilar y el movimiento de líquido a través de un sólido poroso. Los sólidos también tienen tensión superficial pero es difícil medir ellos. Los cristales tienden a formarse con las caras con las más bajas tensiones superficiales.

La tensión superficial de un líquido δ , es la fuerza por unidad de longitud sobre la superficie que se opone a la expansion del area superficial. Esta definición puede ser ilustrada por medio de un experimento idealizado, Figura N°1, en donde una barra móvil es jalada con una fuerza F para expandir una película de liquido la cual es estirada como una película de burbuja de jabón dentro de un marco de alambre. Si la barra se mueve una distancia dx, la energía utilizada es F dx, siendo el área incrementada dA y la energía de la película se incrementa eEscriba aquí la ecuación.n δdA, en donde δ es la tension superficial, estas dos energias son iguales, tal que:



F∂ x=δ ∂ A (1)

Pero el incremento en área es 2(ldx), el factor 2 aparece porque la película tiene dos lados. Así, F dx=δ2 l dx, en donde l es la longitud de la película en contacto con la barra móvil.

Finalmente, δ= F2l

(2)

Figura Nº1.- Película Expandida

La unidad de la tensión superficial en el sistema c.g.s. es: dina/cm.

La superficie o interface, en donde la tensión existe es entre el líquido y su vapor saturado en aire, generalmente a la presión atmosférica. La tensión también puede existir en la interface entre líquidos no miscibles y esta es denominada tensión interfacial.

Termodinámica de superficies:

La energía de superficie, ES, es relacionada a la tensión superficial, por la relación termodinámica:

ES ¿δ−T (∂δ /∂T ) (3)

En donde, (∂δ /∂T ) : coeficiente de temperatura de la tensión superficial.

- T (∂δ /∂T ) : calor absorbido durante el proceso.



El negativo del coeficiente de temperatura de la tensión superficial, −(∂δ /∂T )es la entropia de superficie por unidad de area, SS.

La Ec. (3) es análoga a la ecuación bidimensional de Gibbs-Helmholtz.

Otras relaciones importantes son:

HS = GS + T SS (4)

ES = HS (5)

GS ¿δ (6)

Las tensiones superficiales para la mayor parte de los líquidos orgánicos, particularmente aquellos de masa molecular más alta, cubre un rango muy estrecho a temperatura ambiente. La mayor parte de los valor están entre 25 y 40 dinas/cm. Hay desde luego expresiones, incluyendo los alcoholes poli hídricos (hasta 65), polisiloxanos y fluorocarbonos (15 a 25).

Tensión superficial vs. Temperatura:

La tensión superficial decrece casi linealmente con la temperatura, llegando a ser cero a la temperatura critica. En muchos casos la tensión superficial vs. La temperatura es una función linear hasta una temperatura reducida de alrededor 0.8.

Constante de Ecotovos:

Ecotovos, en 1886 propuso que:

δ = kEö (Tc – T)(ρ1/m)0.667 (7)

En donde kEö : constante de Ecotovos y es aproximadamente 2.12 para líquidos normales (no asociados y no polares), sin embargo esta constante es menor que 2.12 para líquidos polares, tales como: agua, acido acético y alcoholes y mayor que 2.12 para compuestos de muy alta masa molecular.

TC : temperatura critica, °K

ρ l : densidad del liquido a la temperatura T, g/c.c.

M : masa molecular.



Regla de Walden:

Walden propuso una simple regla para determinar la tensión superficial en el punto normal de ebullición:

δ b = M∆HV ρ l , b/.364 (8)

En donde, δ b : tensión superficial en el punto normal de ebullición.

HV : Entalpia de vaporización.

δ l,b : densidad del líquido en el punto de ebullición.



EQUIPOS Y MATERIALES:

- Picnómetro de 10 ml.- Estalagnometro de diseño modificado y receptor de gotas- Soporte, abrazaderas y pinzas.- Baño termostático con regulación de temperatura y agitación.- Balanza analítica.

REACTIVOS:

- Mercurio.- Mezcla sulfocromica.- Acetona.

PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL:

Los tubos a, b y el receptor de gotas del estalagnometro se lavan cuidadosamente con mezcla sulfocromica, luego con agua destilada y se enjuagan varias veces con acetona. Se calibra el radio exterior del capilar usando un micrómetro y se hace la correspondiente corrección de acuerdo a las especificaciones del micrómetro.

Se ensambla el equipo de acuerdo al esquema N°1 y se procede luego a la determinación del radio interno del capilar y el volumen de Hg correspondiente a una altura definida de Hg. del capilar del estalagnometro. Pesar el receptor de gotas mas una cantidad de Hg (ml), luego acoplar al estalagnometro y moviendo el tornillo micrométrico superior hacia la derecha se eleva el Hg en el capilar, hasta alcanzar una altura máxima (hl), se retira el receptor y se pesa (m2). Se repite el ensayo hasta obtener datos concordantes.

Acoplar el receptor de gotas nuevamente al estalagnometro y dejar caer gota a gota el Hg, girando hacia la izquierda el tornillo micrométrico superior y anotar las alturas de Hg en el capilar después de la caída de cada gota (h2, h3, h4,…).



Depositar el Hg y lavar nuevamente las partes del estalagnometro, terminando el lavado con acetona.

Se adiciona al receptor de gotas 10 ml, de acetona, se acopla al estalagnometro y se sumerge en el baño termostático regulado a 20°C, hasta cubrir totalmente el receptor de gotas.

Se opera con el tornillo micrométrico superior girando hacia la derecha hasta que el liquido

alcance una altura h1' y luego se rota el tornillo hacia la izquierda lenta y uniformemente hasta que

se forme y desprenda la primera gota de acetona, se anota la altura de liquido en el capilar h2' y se

hace caer una nueva gota y se tiene otra lectura h3' y asi una vez mas para obtener h4

' .

Se repite el ensayo por lo menos dos veces. Este ensayo se repite a 25°C y 30°C.

Determinación de las densidades de la acetona:

Pese el picnómetro seco y limpio (mV), luego llenarlo con agua destilada e introducirlo en el baño termostático a 25°C y luego de haberse alcanzado el equilibrio térmico, sacarlo cuidadosamente del baño y secarlo exteriormente y pesarlo (mW). Vacíe el agua y llenarlo con acetona después de secarlo, pese el picnómetro mas el liquido después de termostatizarlo a 20°C, 25°C y 30°C en turno, m1.



CÁLCULOS Y RESULTADOS

(1) Radio externo del capilar:

De=0.668cm

re=0.334 cm

(2) Radio interno del capilar:

A=π r2

A=V Hg

hHg

π r2= mρHg

.1h

ri=√ mπ. ρHg .h

Datos:

ρHg=13.6grcc

h=4.9cmm=0.923 gr

Reemplazando los datos:

ri=√ o .923gr

π . (13.6grcc

) .(4.9cm)

ri=0.06639852317 cm

(3) Determinación de la densidad del tolueno (ρtol)

ρtol=( w−w v

w0−w v) . D



w v : Peso picnómetro vacio = 23.47112grw : Peso picnómetro + solución del tolueno = 44.3421grw0: Peso picnómetro + agua destilada = 47.74705grD: Densidad del agua destilada a temperatura (°T)

Densidad del H 2O destilada (John Perry)

T°C 30 35 40D (gr /cc ) 0.9956 0.9940 0.9922

A 30°C

ρtol=( w−w v

w0−w v) . D

ρtol30 °C=( 44.3421 gr−23.47112 gr

47.74705 gr−23.47112 gr ) .(0.9956grcc )

ρtol30 °C=0.8559568135

grcc

A 35°C

ρtol=( w−w v

w0−w v) . D

ρtol30 °C=( 44.3421 gr−23.47112 gr

47.74705 gr−23.47112 gr ) .(0.9940grcc )

ρtol35 °C=0.85458123

grcc

A 40°C



ρtol=( w−w v

w0−w v) . D

ρtol30 °C=( 44.3421 gr−23.47112 gr

47.74705 gr−23.47112 gr ) .(0.9922grcc )

ρtol40°C=0.8530336986

grcc

(4) Cálculo del volumen de una gota de Hg conociendo su masa y altura promedio

V h g=mρhg

m=0.8733 g

ρHg=13.6grcc

V h g=0.06421323529cc

(5) Datos

T (°C ) T (° K ) ρ( gcc

) m(g) V ( ccgota

)

30303.1

50.8559568135 0.2133887008 0.04570678271

35308.1

50.85458123 0.1651251443 0.04584528811

40313.1

50.8530336986 0.1061286038 0.04293667466



V

re3 FD γ ( dinascm ) Entalpia(H S) V i( cc

mol )1.226708154 0.2640737472 16.55844429 269.5808226 107.4820581

1.230425451 0.2640911993 12.81415647 270.0097556 107.6550675

1.152362205 0.2633260024 8.212002649 269.5808226 107.85037

(6) Calculo de la masa de la gota de tolueno utilizando las alturas promedios a

diferentes temperaturas

m=h .V Hg . ρtol

hH g

A 30°C

m1=(3.3

cmgota) (0.06421323529cc ) .(0.8559568135

grcc )

0.85cmgota

m1=0.2133887008 gr

A 35°C

m2=(3.31

cmgota ) (0.06421323529cc ) .(0.85458123

grcc )

1.1cmgota

m2=0.1651251443 gr

A 40°C



m3=(3.1

cmgota ) (0.06421323529cc ) .(0.8530336986

grcc )

1.6cmgota

m3=0.1061286038 gr

(7) Calculo del volumen promedio de una gota de tolueno

V= h́ .(Vh́ )H g

V=3.23cmgota

.( 0.06421323529 cc

1.18cmgota )

H g

V=0.1757701271cc

(8) Cálculo del volumen por gota de tolueno

V=π . ri2 . h

A 30°C

V=π .(0.06639852317 cm)2 .(3.3cmgota )

V 1=0.04570678271ccgota



A 35°C

V=π .(0.06639852317 cm)2 .(3.31cmgota )

V 2=0.04584528811ccgota

A 40°C

V=π .(0.06639852317 cm)2 .(3.1cmgota )

V 3=0.04293667466ccgota

(9) Determinación de ( vre

3 )

A 30°CV 1

re3=

0.04570678271 cc(0.334 cm )3

V 1

re3=1.226708154

A 35°CV 2

re3=

0.04584528811 cc(0.334 cm)3

V 2

re3=1.230425451



A 40°C

V 3

re3 =

0.04293667466ccgota

( 0.334cm )3

V 3

re3 =1.152362205

(10) Determinación de la tensión superficial a cada temperatura

γ=mgota( ggc . re ) .F D

Factores de corrección para las determinaciones del peso de las gotas

v

re3 FD

2.995 0.2612.637 0.2622.341 0.2642.093 0.2651.706 0.2661.424 0.2651.211 0.2641.124 0.2631.048 0.262

Hallamos FD interpolando:

A 30°C

1.424−1.2111.424−1.226708154

=0.265−0.2640.265−FD

⟹ FD=0.2640737472



A 35°C

1.424−1.2111.424−1.230425451

=0.265−0.2640.265−F D

⟹F D=0.2640911993

A 40°C

1.211−1.1241.211−1.152362205

=0.264−0.2630.264−FD

⟹F D=0.2633260024

Datos:

g=32.2ft

s2

gC=32.174ftlb

s2 lbf

A 30°C

γ 1=0.2133887008 gr .( 32.2ft

s2

32.174ftlbs2lbf

.0 .334cm ) . (0.2640737472 ) .( 44482dinas1 lbf ) .( 1 lb

453.5924 g )

γ 1=16.55844429dinascm

A 35°C

γ 2=0.1651251443 gr .( 32.2ft

s2

32.174ftlbs2lbf

×0.334 cm ) . (0.2640911993 ) .( 44482dinas1lbf ) .( 1lb

453.5924 g )



γ 2=12.81415647dinascm

A 40°C

γ 3=0.106128603 gr .( 32.2ft

s2

32.174ftlbs2lbf

×0.334 cm ) . ( 0.2633260024 ) .( 44482dinas1lbf ) .( 1lb

453.5924 g )

γ 3=8.212002649dinascm

(11) Determinación de la Entropía (−Ss)

−SS=dγdT

−Ss=γ 3−¿γ 1

t 3−t 1

=8.212002649

dinascm

−16.55844429dinascm

313.15 ° K−303.15 ° K¿

−Ss=−0.8346441641dinascm° K

(12) Determinación de la Entalpía (H S)

H S=GS+T (SS)



Donde :GS=γ

A 30°C = 303.15 °K

H s=16.55844429dinascm

+303.15 ° K (0.8346441641dinascm °K

)

H S=269.5808226dinascm

A 35°C = 308.15 °K


+308.15 ° K (0.8346441641dinascm° K

)


A 40°C = 313.15 °K


+313.15 ° K (0.8346441641dinascm° K

)


(13) Valor de la constante de Eotvos (E0)



E0=ddT

( γ V 2 /3 )=−J

EO=γ2V 2

2 /3−γ1V 12/3

T 2−T 1

EO=12.81415647

dinascm (0.04584528811

ccgota )

23−16.55844429

dinascm

(0.04570678271ccgota

)23

308.15 ° K−303.15 ° K

EO=−0.09573426943dinas .cm

°K

(14) Coeficiente de expansión térmica:

α= 1V 0

( dVdT )P

VOLUMEN MOLAR:

V 1=92 g/mol

0.8559568135 g/cc=107.4820581

ccmol

V 2=92 g/mol

0.85458123 g/cc=107.6550675

ccmol

V 3=92g /mol

0.8530336986 g/cc=107.85037

ccmol

HALLANDO V 0 INTERPOLANDO

V ( ccmol ) T°K



V 0 273.15

107.482058 303.15107.6550675 308.15

V 0−107.6550675ccmol

273.15 ° k−308.15 ° k=V 0−107.4820581

ccmol

273.15 °k−303.15 ° k

V 0=106.4440018ccmol

a. Método grafico

Hallando la pendiente:

m=y2− y1

x2−x1

=107.85037−106.4440018313.15−273.15

=0.035159205

α= 1V 0

( dVdT )P

= 1106.4440018

×0.035159205=0.0003303070573 K−1

Ahora hallemos la ordenada en el origen (b)

y=xm+b

107.4820581=303.15 (0.035159205 )+b



b=96.8235451

b. Método mínimos cuadrados

b=∑ y∑ x2−∑ x∑ xy

N∑ x2−¿¿¿

b=96.90334296

BIBLIOGRAFÍA:

1. Daniels and coworkers;”Experimental Physical Chemistry”, sixth Edition; Mc. Graw Hill Kogakusha, Tokyo, 1965, pp. 321-324.

2. Gambill, W.R.; Chem. Eng., april 7, 1958; pp. 146-150.3. Glasstone, S.; “Tratado de Quimica-Fisica”, 2da. Edición, Aguilar, Madrid, 1961, pp. 443-

444.4. Moore, W.; “Physical Chemistry”, 4th Edition, Longmans Green and Co., London, 1962; pp.

727-729.



CONCLUSIONES:

Mediante diversos cálculos realizados llegamos a obtener la medida de la tensión superficial. Por consiguiente al elaborar estos análisis notamos que la rigidez, varía de acuerdo al líquido que analicemos.

Se comprobó que cada liquido tiene un punto crítico donde el vapor y la presión se vuelven constantes ya que al pasar de la fase liquida a vapor se requiere de cierta energía llamada entalpia de vaporización o calor latente de vaporización.

Notamos que la ecuación de Antoine es completamente empírica y no tiene base teórica, sin embargo tal ecuación es exacta para muchas sustancias hasta la temperatura reducida de 0.95ºK .



A la vez la regla de Trouton se utiliza para líquidos disociados, tales como el agua alcohol y ácidos orgánicos que contienen grupos los cuales son capaces de formar enlaces hidrogeno.

En la aplicación de Kistiakowsky la cual es aplicable a una variedad de líquidos no polares en su temperatura normal de ebullición.

RECOMENDACIONES:

Se recomienda para poder aplicar esto en el caso de la vida real que la

persona este capacitada y que conozca cada una de las características del

compuesto o sustancia para poder hallar por medios de cálculos valores

que permitan estudiar y lograr para el caso de un ingeniero Industrial que

este sepa como explotar el mismo.

Se recomienda para en el caso de ver y hallar los valores por la parte

experimental que la persona que este encargado en la empresa vea que

sus empleados consigan su mayor productividad aplicando estas formulas.



Se recomiendo también tener en cuenta factores externos, ya que en el

presente informe nos hemos dado cuenta de que estos afectan a la hora de

medir la tensión superficial.

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