DETERMINACIN DE LA TENSIN SUPERFICIAL POR ELMTODO DEL PESO DE LA GOTA

1.- FUNDAMENTO TERICO

Quin no ha invertido algunos minutos de su vida en observar cmo el agua se acumula en el extremo de un grifo, formando gotas que caen sucesivamente?. Inicialmente, puede observarse una pequea superficie ovalada. Despus, a medida que el agua se acumula, esta superficie va tomando forma esfrica y finalmente cae.

Se observa que las gotas siempre caen cuando alcanzan un determinado volumen. Es decir, no caen a veces gotas pequeas y luego gotas grandes. Si el flujo de agua se mantiene constante, es un hecho que las gotas desprendidas tienen siempre el mismo tamao.

Si en vez de agua, el grifo diera alcohol, la gotas se desprenderan antes y su volumen sera notablemente ms pequeo.

La explicacin que justifica el hecho de que lquidos diferentes generen gotas de distinto tamao, reside en la misma explicacin que justifica que algunos insectos puedan caminar sobre la superficie del agua. La misma que argumenta el uso de servilletas de papel como absorbente, y la que igualmente explica por qu la sabia accede desde las races hasta las hojas y porqu el detergente sirve para lavar.

La explicacin de todos estos fenmenos reside en una propiedad que tienen todas las sustancias que presentan un lmite en su extensin, una frontera que la separe de otra fase diferente. Esta propiedad se denomina tensin superficial.

Analicemos la estructura microscpica de la gota de agua. En ella podemos distinguir entre el volumen que constituye su interior y la superficie que delimita su forma. En el agua, al igual que ocurre en todos los lquidos, las molculas establecen interacciones atractivas que las mantienen cohesionadas. De hecho si no existiesen estas fuerzas, nuestro sistema no sera lquido sino gaseoso. Estaramos hablando de un gas ideal.

En el interior, una molcula de agua est rodeada de otras de su misma especie. Como se ilustra en la figura 1, las interacciones se distribuyen en todas las direcciones sin existir ninguna privilegiada. Sin embargo en la interfase que limita la gota y la separa del aire, la situacin es diferente. Una molcula de agua que ocupe cualquier posicin de esta superficie, no tiene a otras sobre ella, lo que significa que no est sometida a interacciones con otras molculas de agua, ms all de la interfase.

En consecuencia se da una asimetra en la distribucin de interacciones y la aparicin de una fuerza resultante neta que apunta hacia el interior de la gota.

En trminos de estabilidad, una molcula de agua se encuentra en una situacin mucho ms favorable cuando se encuentra en el interior que cuando se encuentra en la interfase. Esto es as porque debido a la fuerza resultante que apunta hacia el interior, el acceso de molculas internas hacia la superficie corresponde con un proceso energticamente costoso. Y es que para vencer esta fuerza, el sistema debe consumir parte de su energa interna en realizar el trabajo necesario para llevarla hasta all. Evidentemente si acceden un nmero determinado de molculas hasta la superficie, sta se vera incrementada. El trabajo necesario dW, para incrementar en dA la superficie de la gota se calcula como,

dW = dAdnde:

, representa la fuerza neta que apunta al interior de la gota y se denomina tensin superficial , representa a las interfases limtrofes (en el ejemplo agua y aire)

cmo se justifica en trminos de tensin superficial, que las gotas de alcohol que se desprenden del grifo, sean ms pequeas que las de agua?. Hemos afirmado que en todos los lquidos existen interacciones moleculares o inicas que los mantienen cohesionados. Estas fuerzas son de magnitud diferente para cada lquido y en el caso del agua, son sustancialmente elevadas en relacin con las de otros lquidos, ya que en su seno se establecen unas interacciones relativamente intensas denominadas puentes de hidrgeno.

En el alcohol, las interacciones moleculares son bastante menos intensas y como consecuencia la tensin superficial tambin es relativamente pequea en relacin con la del agua. A medida que la gota acumula lquido, sobre ella se aprecian dos fuerzas verticales de sentido opuesto. Por un lado el peso (mg) que apuntando al centro de la tierra trata que la gota caiga. Por otra parte la tensin superficial, que al igual que la superficie del globo, mantiene cohesionado el contenido de la gota. Esta fuerza que apunta en sentido contrario al peso, est aplicada a lo largo de la curva cerrada de contacto entre la gota y el grifo, y corresponde a la tensin superficial.

Como el agua tiene una tensin superficial relativamente elevada, la masa de agua necesaria para que el peso de la gota supere en una cantidad infinitesimal a la tensin superficial, es relativamente grande. Sin embargo, la cantidad de masa de alcohol requerida para que el peso de la gota supere su tensin superficial es menor. Por ello, en el momento en que se desprenden, las gotas de agua son de mayor volumen que las de alcohol.

UN SISTEMA PARA MEDIR LA TENSIN SUPERFICIAL: EL MTODO DEL PESO DE LA GOTA

Como ya hemos vista en el proceso de formacin de una gota en el extremo de una superficie slida ,es un fenmeno regido por la tensin superficial ,para que la gota de un lquido de desprenda y caiga, es preciso que su peso supere en una cantidad infinitesimal al trabajo ejercido por la tensin superficial para la ampliacin de su superficie.

En el caso de que consideremos la situacin de un lquido que gotea en el extremo de un tubo capilar de radio r, la condicin de equilibrio en el instante anterior al desprendimiento de la gota es,

Fmgm' gV ' g;(1)

L2r2r

2r

donde m es la masa de la gota ideal, m es la masa de la gota desprendida, medida experimentalmente, V es el volumen de esa gota, g es la aceleracin de la gravedad, es la densidad del lquido, r es el radio exterior del capilar (mejor dicho el radio de la circunferencia de contacto lquido - vidrio) y es una funcin correctora que tiene en cuenta los restos de masa del lquido que no se desprenden del extremo del capilar y que distingue a la gota ideal de la desprendida.

En efecto, la masa de la gota obtenida por este mtodo (m), es menor que el valor ideal (m). La razn de ello es fcil de comprender tras observar detenidamente el proceso de formacin de una gota por desprendimiento desde un capilar de vidrio (figura 2).

TENSIOACTIVOS

Se dice que una sustancia es un agente tensioactivo o surfactante cuando da lugar a un descenso significativo en la tensin superficial de un lquido. Los tensioactivos ms efectivos (jabones, detergentes y colorantes), presentan en su estructura molecular, una parte hidroflica y otra hidrfoba.

Generalmente, la parte hidroflica es un grupo inico, ya que los iones suelen presentar una fuerte afinidad por el agua, motivada por su atraccin electrosttica hacia sus dipolos. La parte hidrfoba suele consistir en una larga cadena hidrocarbonada, una estructura muy parecida a la de las grasas y parafinas, hacia las que experimenta atraccin.

Se clasifican en aninicos, catinicos y no inicos segn la carga de la parte hidroflica. En la siguiente tabla se pueden ver algunos ejemplos de las tres clases.

ANINICOSCH3(CH2)16COO-

Estearato sdico

Oleato sdicoCH3(CH2)7CH=CH(CH2)7COO-

Dodecilsulfato sdicoCH3(CH2)11SO4-

Dodecilbencenosulfonato sdicoCH3(CH2)11C6H4SO4-

CATINICOS

CH3(CH2)11NH3+

Clorhidrato de laurilamina

NO INICOS

xidos de polietilenoCH3(CH2)7C6H4(OCH2CH2)8OH

PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL

Una simple bureta, con una punta lo ms fina posible, es un instrumento adecuado para una primera aproximacin a la determinacin de tensiones superficiales. La punta debe estar completamente limpia. Para la obtencin de una adecuada precisin, el sistema debe estar exento de vibraciones.La primera gota debe formarse lentamente y despreciarse sta y las siguientes, hasta obtener un rgimen estacionario de cada.

CALIBRACIN DE LAS BURETAS CON AGUA PURIFICADA. CLCULO DEL RADIO ESTIMADO DE CADA BURETA.

1. Las operaciones que aqu se describen deben realizarse con ambas buretas.2. Enrase la bureta con agua destilada. Abra la llave de manera que caiga su contenido, gota a gota, a razn de unas cuatro por minuto y deseche las 10 primeras que caern sobre uno de los vasos de precipitado.3. Utilice un matraz Erlenmeyer, previamente tarado, para contener las siguientes 50 gotas.4. Vuelva a pesar y calcule el peso de las 50 gotas de agua por diferencia con el peso del matraz vaco.5. Calcule la densidad del agua con la siguiente expresin:

Calcule el volumen medio de la gota en cada bureta y antelo en las tablas 5.1 y 5.2. (Estos volmenes no tienen por qu coincidir).

Utilizando la expresin (1) y el valor de tensin superficial que se proporciona en la siguiente tabla, calcule el valor del radio de la circunferencia de contacto lquido-vidrio (r) que se emplear en las prximas medidas. Tome =1 como factor corrector.

TENSIONES SUPERFICIALES DEL AGUA A DISTINTAS TEMPERATURAS (mN / m)Temperatura (C) (mN / m)Temperatura (C)

73.051872.2823

72.901972.1324

72.752071.9725

72.592171.8226

72.442271.6627

DETERMINACIN DE LA TENSIN SUPERFICIAL DEL ETANOL

1. Calcule la densidad del etanol utilizando el picnmetro como se explica en el apndice 2. Anote el resultado en la tabla 5.3.

2. Opere del mismo modo que en el proceso de calibracin pero, en este caso, con la bureta enrasada con etanol. Anote las masas de las 50 gotas en la tabla 5.3.

3. Realice la determinacin dos veces (muestra 1 y muestra 2) con la misma bureta y lleve a cabo los clculos necesarios para rellenar la tabla 5.3, excepto los valores de rBureta ( ) / V 1/3 , y .

4. Anote en esta tabla la bureta empleada, incluyendo el nmero correspondiente en el parntesis de la variable, rBureta( ).

DEPENDENCIA DE LA TENSIN SUPERFICIAL CON LA TEMPERATURA

Al aumentar la temperatura la agitacin cintica de las molculas y la tendencia de stas a escapar hacia fuera aumentan, por lo tanto la tensin superficial disminuye. A medida que la temperatura se acerca a la temperatura crtica, disminuye la fuerza ejercida sobre las molculas de la superficie y al llegar a la temperatura crtica,la tensin superficial se va desvaneciendo.

EFECTO DE UN SOLUTO SOBRE LA TENSIN SUPERFICIAL DE UN LQUIDO Ya hemos racionalizado la tensin superficial como un efecto de interacciones entre las molculas de un lquido: los lquidos que poseen las interacciones ms fuertes presentan las tensiones ms altas y viceversa. Cuando consideramos el efecto de un soluto sobre la tensin superficial atendemos primeramente al efecto de dicho soluto sobre las interacciones entre las molculas. En el caso de sales inicas en agua, stas tienden a solvatarse fuertemente, lo cual es equivalente a aumentar el grado de asociacin del agua. Esto resulta en un ligero aumento en la tensin superficial (curva I en la figura). Si el solvente no solvata fuertemente un soluto, se producir una disminucin de las interacciones intermoleculares del lquido, lo cual producir un descenso en la tensin superficial (curva II). Algunas sustancias, en bajas concentraciones, disminuyen bruscamente la tensin superficial; y, a partir de una concentracin crtica, mantienen una valor casi constante de (gamma) (curva III). A dichas sustancias se les llamatensioactivososurfactantes. Entre los surfactantes ms conocidos estn los jabones y los detergentes.

Consideremos el caso de etanol y agua: el etanol tiene una (gamma) de aproximadamente 23, mientras que el agua tiene una (gamma) de aproximadamente 73. Experimentalmente, se encuentra que el etanol acta como un tensioactivo. El problema es: cmo explicaremos semejante observacin. Recordando nuestra racionalizacin anterior de la diferencia entre ambas tensiones superficiales podemos argumentar que el brusco descenso se debe a que los extremos hidrocarbonados del etanol se concentran en la superficie. Dicha explicacin es razonable si tomamos en cuenta la propiedad hidrofbica de la parte hidrocarbonada. Ahora debemos preguntar: es posible encontrar argumentos, ya sean termodinmicos o cinticos, que justifiquen dicha explicacin? Ese ser el tema de la siguiente seccin.