ELABORACIÓN DE UN TENSIOMETRO CAPILAR
Autor: Margy Paola Acevedo; Eidy Catalina Ardila y Luz Andrea Navarro Universidad Santo Tomás, sede
Floridablanca. Facultad Química Ambiental.
INTRODUCCION
Las propiedades de las sustancias en estado líquido como la viscosidad, la tensión superficial, la humectabilidad o mojabilidad de un material están determinadas fundamentalmente por las fuerzas intermoleculares.
El fenómeno asociado con la tensión superficial que resulta más familiar es la elevación que experimenta un líquido en un tubo abierto por sus dos extremos y de un pequeño diámetro interno cuando su extremo inferior se sumerge en un líquido que moja la pared del tubo. El termino capilaridad, utilizado para describir los fenómenos de este tipo, procede de llamar tubos capilares a tales tubos. Los fenómenos de capilaridad constituyen un ejemplo simple de equilibrio entre las fuerzas de tensión superficial (fuerzas capilares) y las fuerzas gravitatorias.
Las moléculas de la superficie de un líquido experimentan fuerzas que las atraen hacia el seno del líquido. Estas fuerzas son las responsables de la tensión superficial de los líquidos, ya que hacen que las moléculas tiendan a estar juntas.
Cuando un líquido se halla en contacto con un sólido, se establece una lucha entre las fuerzas moleculares liquido-liquido y liquido-solido en las moléculas próximas a la zona de contacto. El resultado de esta lucha determina la forma de la superficie del líquido y el ángulo de contacto entre la superficie del sólido y la del líquido. Si dominan las fuerzas liquido-liquido, la superficie liquida desciende cuando se introduce un capilar en el liquido; en cambio, el liquido asciende por dicho capilar si dominan las fuerzas solido-liquido.
Pueden llevarse a cabo diversos experimentos para demostrar que la superficie de un liquido tiene asociada una fuerza tensional. En esta práctica mediante la elaboración de un tensiómetro capilar se le realizó la determinación de la tensión superficial a tres líquidos diferentes.
MARCO TEORICO
Un tensiómetro es un instrumento que indica la tensión con que el agua está adherida a las partículas de determinada superficie con la cual se encuentre en contacto.
Una molécula en el interior de un líquido está completamente rodeada por otras, y la atracción que ejercen sobre ella es aproximadamente igual en todas direcciones. En cambio sobre una molécula en la superficie se ejerce una atracción hacia adentro, debido a que el número de moléculas por unidad de volumen es mayor en el líquido que en el vapor. Como resultado de esta atracción hacia adentro, la superficie del líquido tiende siempre a contraerse hasta presentar la menor superficie posible; a esto se debe el que las gotas de líquido y las burbujas de gas adquieran, en lo posible, la forma esférica, pues entonces la superficie es mínima para el volumen dado.
Como consecuencia de la tendencia a contraerse, una superficie se comporta como si estuviera en un estado de tensión.
Las fuerzas intermoleculares que unen moléculas similares unas a otras, como los puentes de hidrógeno del agua, se llaman fuerzas de cohesión. Las fuerzas intermoleculares que unen una sustancia a una superficie se llaman fuerzas de adhesión. El agua colocada en un tubo de vidrio se adhiere al vidrio porque las fuerzas de adhesión entre el agua y el vidrio son más intensas que las fuerzas de cohesión entre las moléculas del agua.
Las fuerzas de adhesión entre el líquido y las paredes del tubo tienden a aumentar el área superficial del líquido. La tensión superficial del líquido tiende a reducir el área, y tira del líquido subiéndolo por el tubo. El líquido sube hasta que las fuerzas de adhesión y cohesión se equilibran con la fuerza de la gravedad sobre el líquido.
La tensión superficial de un líquido representada por la letra griega gamma ϒ es la cantidad de energía necesaria para disminuir su superficie por unidad de área. Se mide normalmente en dinas/cm o ergios/cm2. Actúa como una fuerza que se opone al aumento de área del líquido.
Se caracteriza por ser responsable de la resistencia que un líquido presenta a la penetración de su superficie, de la tendencia a la forma esférica de las gotas, del ascenso de los líquidos en los tubos capilares, de la flotación de objetos u organismos en su superficie entre otras.
Existen numerosos métodos de medición de la tensión, los cuales se clasifican de acuerdo al principio que usan: Métodos basados sobre la medición de una fuerza, Métodos basados sobre la medición de una presión y Métodos basados sobre una propiedad geométrica.
La acción capilar es uno de los métodos basados en la medición de una presión en la que se observa cómo algunos líquidos tienen la capacidad de ascender por las paredes de un tubo de vidrio capilar, cuando la superficie del líquido toca el vidrio, porque las fuerzas de adhesión líquido-vidrio son mayores que las de cohesión líquido-líquido, por lo que el líquido contenido en el capilar sube hasta que las fuerzas de atracción se hacen iguales al peso de la columna del líquido que se formó en su ascenso.
El hecho de que las fuerzas adhesivas sean mayores que las cohesivas se manifiesta en la formación del menisco cóncavo (redondeado hacia abajo) en el extremo de la columna.
BALANCE DE FUERZAS DE ASCENSO Y DESCENSO CAPILAR
Mientras más suba el líquido por el capilar, la diferencia de presiones es mayor y por lo tanto mayor es el valor de la tensión superficial del líquido. Esto está representado en la ecuación de Young-Laplace.
Donde se observa que la tensión superficial depende directamente de la diferencia de presiones mientras que el radio del capilar la afecta inversamente.
Con el propósito de tener mejores resultados, una variante del método es introducir un segundo capilar de diferente diámetro que el primero, así las alturas serán diferentes ya que resultan ser inversamente proporcionales a los radios de sus respectivos capilares. Aquí, lo importante es medir la diferencia de alturas entre el radio 1 (el tubo capilar de menor diámetro) y el radio 2 (tubo capilar de mayor diámetro).
La ecuación para dos capilares deriva de la de un capilar, quedando de la siguiente forma:
Donde:
h1 y h2 son las alturas del líquido en el tubo capilar de radio más pequeño y del menos pequeño respectivamente; p es la densidad del líquido problema; r1 y r2 son los radios más pequeño y menos pequeño respectivamente.
MATERIALES
· 1 probeta de 25 ml
· 1 corcho
· 2 capilares (0.5 y 2 mm respectivamente)
· transportador
· regla
REACTIVOS
· Metanol JT Baker
· Éter dietilico Merck
PROCEDIMIENTO
Inicialmente con ayuda de un taladro se le abrieron 2 orificios al corcho para así introducir los 2 capilares de tal forma que quedaran bien ajustados.
Seguidamente se introdujo el líquido de referencia en la probeta de 25 ml. (aproximadamente a la mitad).
Posteriormente el corcho se introdujo en la probeta y se esperó a que los niveles del líquido ascendieran por los capilares y se estabilizaran. Inmediatamente se midió la diferencia de alturas y el ángulo de contacto entre el líquido y el capilar con ayuda del transportador y la regla. En seguida se limpió el montaje secando muy bien los capilares.
Esta operación se realizó, el número de veces necesarias para tener el valor por triplicado.
Finalmente se realizó el mismo procedimiento que para los líquidos de referencia (metanol y éter dietilico) efectuándose tres mediciones de diferencia de alturas. Luego se aplicaron las ecuaciones para determinar el valor de la tensión superficial.
RESULTADOS Y ANALISIS
Según los resultados obtenidos y al calcular las mediciones de las tensiones superficiales para cada uno de los líquidos se observó la diferencia en cuanto a las propiedades en las fuerzas intermoleculares que posee cada líquido.
Dependiendo de las magnitudes relativas de la cohesión del líquido y de la adhesión del líquido a las paredes de los capilares, se produce la elevación o descenso del líquido en el tubo capilar.
Los líquidos formados por moléculas con fuerzas intermoleculares fuertes tienen tensiones superficiales altas.
Las fuerzas adhesivas entre el líquido y las paredes del tubo tienden a aumentar el área superficial del líquido. La tensión superficial del líquido tiende a reducir el área por consiguiente impulsa el ascenso del líquido. La capilaridad ayuda al agua en su ascenso por el sistema conductor. Debido al enlace de hidrógeno, el agua tiene una gran tensión superficial.
La distancia del movimiento a través del capilar, se debe a la atracción que ejerce la periferia de la superficie polar del capilar (adhesión) sobre el agua y a la tensión superficial del agua, que tiende a minimizar el área superficial. La adhesión y la tensión superficial, ejercen tensión sobre las moléculas de agua, justamente bajo la superficie y causan su movimiento hacia la parte alta del tubo, hasta equilibrar la fuerza de adhesión con el peso de la columna de agua. En tubos más pequeños la capilaridad se eleva más alto.
En los tres líquidos evaluados las fuerzas de adhesión fueron mayores que las de cohesión debido a que se produjo una elevación en cada uno de los capilares siendo mayor la altura alcanzada por el líquido en el capilar con menor radio.
CONCLUSIONES
Las adulteraciones o impurezas presentes o añadidas a los líquidos pueden modificar considerablemente el valor del ángulo de contacto.
La tensión superficial depende de la presión del ambiente y la hidrostática en el recipiente (capilar) por tanto, mientras más suba el líquido por el capilar, la diferencia de presiones es mayor y por lo tanto mayor es el valor de la tensión superficial del líquido.
La altura a la que se eleva o desciende un líquido en un capilar es directamente proporcional a su tensión superficial y está en razón inversa a la densidad del líquido y del radio del tubo.
BIBLIOGRAFIA
COLLIEU, A.M, Propiedades mecánicas y térmicas de los materiales, Reverté, España,1977, P 150
BALL, David W. Fisicoquímica, Thomson, Mexico, 2004, p 767
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