FACULTAD DE MEDICINA HUMANA Y BIOLOGÍA MARINA C URSO: LABORATORIO DE QUÍMICA GENERALP ROFESOR: VICTOR JAVIER ANTONIO MATÍAS INFORME DE PRÁCTICAS PRÁCTICA N°: 3 TÍTULO: Tensión superficial ALUMNOS: ________________________________________ ________________________________________ ________________________________________ HORARIO DE PRÁCTICAS: DÍA: jueves HORA: 10:10-11:50am FECHA DE REALIZACIÓN DE LA PRÁCTICA: 23/04/2009 FECHA DE ENTREGA DEL INFORME: 30/04/2009 LIMA-PERÚ TENSIÓN SUPERFICIAL INTRODUCCIÓN Las fuerzas intermoleculares determinan varias de las características de las características estructurales y propiedades de los líquidos. El centro del siguiente informe un común fenómeno relacionado con los líquidos al que se conoce como: tensión superficial. Esta es la fuerza más importante en los líquidos sometidos a gravedad cero. Las moléculas que se encuentran en el seno de un líquido son jaladas en todas direcciones por las fuerzas intermoleculares; no hay tendencia hacia una dirección única. Sin embargo las moléculas de la superficie son jaladas hacia abajo y hacia los lados por otras moléculas, pero no hacia arriba de la superficie. En consecuencia las moléculas del agua son jaladas hacia el líquido por las fuerzas intermoleculares, lo que ocasiona que la superficie se tense como si fuera una película elástica. La tensión superficial es la que permite que a algunos insectos caminar o deslizarsesobre el agua, que un vaso de agua se pueda llenar con un pequeño exceso sin derramarse. Las agujas, los clips, una hoja de rasurar colocadas con cuidado pueden hacerse flotar sobre el agua, aunque el metal es mucho más denso. La tensión superficial es la fuerza en la superficie de un líquido, que hace que las gotas pequeñas de los líquidos adquieran la forma esférica, donde el área de dicha superficie tiende a ser la mínima posible. Para determinado volumen una esfera tiene la superficie mínima, y la tensión superficial es la que hace que las gotas pequeñas de los líquidos. OBJETIVOS 1. Determinar la tensión superficial de una muestra líquida. 2. Evaluar la influencia de la temperatura sobre la tensión superficial. FUNDAMENTO TEÓRICO La tensión superficial (γ) es la cantidad de energía necesaria para estirar o aumentar la superficie de un líquido por unidad de área. Las unidades de γ son Jm-2. La tensión superficial es una propiedad de la materia cuya cuantificación puede ser obtenida con mayor facilidad en sustancias líquidas. Las moléculas en la superficie de un líquido son atraídas hacia el interior del líquido debido a que la atracción de las moléculas subyacentes es mayor que la tensión ejercida por las moléculas de vapor del otro lado de la superficie. Esta atracción causa una contracción de la superficie y da lugar a una fuerza en el plano de la superficie cuya dirección se orienta hacia el interior del líquido. Por ejemplo, el hecho que insectos pequeños puedan caminar bajo el agua se debe a que su peso tiende a hundirlo en el agua; sin embargo, cuando este deforma la superficie las fuerzas superficiales tangentes a la superficie libre equilibran el peso. Figura 1 Si intentamos cortar la superficie de un líquido veremos que inmediatamente después de haber pasado la cuchilla, se cierra el corte porque unas fuerzas superficiales llevan un labio del corte sobre otro, reduciendo así la superficie libre. A la tensión superficial se debe la formación de gotitas esféricas, el ascenso de agua por un capilar y el movimiento de un líquido a través de un sólido poroso. El ascenso de un líquido por un capilar o la atracción sobre una capa delgada vertical en parte sumergida en el líquido 1 cm., se puede utilizar para calcular la tensión superficial con mucha exactitud. Figura 2 Considerando que en la Figura 2 se dispone de un capilar sumergido 1 cm. en un líquido a una determinada temperatura, estableciendo un equilibrio entre las fuerzas, F1y F2, en la superficie del líquido, obtenemos: Donde: m= masa v=volumen=πr2h en el volumen se desprecia la cantidad de agua que se encuentra por encima de la parte central del menisco ρ= densidad del líquido g= gravedad Donde: F2 actúa a lo largo de la periferia cilíndrica del diámetro interior entre el líquido y la pared del vidrio. 2πr= longitud de la circunferencia del diámetro interno θ= es el ángulo de contacto entre el líquido y la pared del tubo capilar en el menisco cos θ= componente vertical de la fuerza F2 Si: F1=F2, obtenemos: γ=rhρg2cosθ Como θ es muy pequeño consideramos al cosθ≅1 γ=rhρg2 Donde: γ= tensión superficial (Jm-2) r= radio capilar (m) g= gravedad (ms-2) ρ= densidad del líquido (kgm-3) h= altura del líquido (m) Es normal observar que la elevación de los líquidos en un tubo capilar es hacia arriba, esto no significa que sea un fenómeno universal. Por ejemplo, cuando un tubo capilar se sumerge en mercurio líquido, el nivel superior del líquido en el interior del tubo realmente está por debajo de la superficie libre del líquido. Estos dos comportamientos divergentes pueden comprenderse considerando la atracción intermolecular entre las moléculas iguales del líquido, llamada cohesión, y la atracción entre el líquido y la pared del capilar de vidrio, llamada adhesión. Si la adhesión es más fuerte que la cohesión, las paredes se vuelven humectables y el líquido asciende a lo largo de las paredes. Por el contrario, si la cohesión es mayor que la adhesión. Resulta un descenso del líquido en el interior del capilar. Unos de los métodos para determinar la tensión superficial de un liquido es el método de la burbuja máxima, mediante el cual se obliga pasar una burbuja de aire a través de un capilar sumergido en un liquido, mediante la presión máxima antes que la burbuja se separe del capilar. La línea límite sobre la cual actúan las fuerzas, es el perímetro interior del borde del tubo capilar. La presión máxima está en relación directa a la presión manométrica medida y a la presión debida a la inmersión. MATERIALES Y MÉTODOS 1. Materiales de vidrio y material diverso a. Capilar b. Beaker c. Baño María 2. Reactivos a. Alcohol etílico b. Agua 3. Procedimiento Experimental Lo que hicimos fue ver que si a mayor temperatura la tensión superficial era más rápida o más lenta dependiendo de la temperatura expuesta, en este caso lo expusimos a temperaturas a 20, 30 y 40 grados Celsius; en cado uno se tenia que probar tres veces para verifica bien los datos si subía o bajaba, pero en cada caso se tenia que utilizar un capilar diferente, porque al momento de usarlo se queda con un poco del liquido. CÁLCULOS Y RESULTADOS La tensión superficial se determinará mediante la siguiente ecuación: γ1γ2=h1×ρ1h2×ρ2 Donde: γ1= tensión superficial de la sustancia problema a la temperatura de trabajo γ2= tensión superficial del agua a la temperatura de trabajo (dato de tabla). h1= altura a partir del menisco de la sustancia problema h2= altura a parir del menisco del agua ρ1= densidad de la sustancia problema a la temperatura de trabajo ρ2= densidad del agua a la temperatura de trabajo Pero como en el experimento: Entonces: γ1γ2=h1h2 ρalcohol≅ρagua Temperatura (°C) Tensión superficial del agua (dinas/cm) 0 75,60 5 74,90 10 74,22 15 73,49 18 73,05 20 72,75 25 71,97 30 71,18 40 69,56 50 67,91 60 66,18 Fuente: Handbook de Fisicoquímica Si: Temperatura de trabajo Altura 20°C C2H5OH H2O h1 h2 h3 hPROMEDIO 1,2cm 1,1 cm 1,0 cm 1,1 cm 1 cm 1 cm 0,9 cm 0,96 cm 30°C C2H5OH H2O 1,1 cm 1,2 cm 0,9 cm 1,06 cm 1,1 cm 0,9 cm 0,9 cm 0,96 cm 40°C C2H5OH H2O 0,9 0,9 0,9 0,9 cm cm cm cm 0,8 0,9 0,5 0,6 cm cm cm cm Entonces: Tensión superficial Sustancia 20°C C2H5OH 83,36 dinas/cm 30°C 78,60 dinas/cm 40°C 65,2125 dinas/cm ANÁLISIS Y RESULTADOS Nosotros observamos que en la muestra de 20 grados de ambos era normal en las tres veces que verificamos aunque con algo de dudas al momento de medirlo, al momento que empezamos a hacer lo mismo con el de 30 grados hubo algunos errores como ambos líquidos estaban a una temperatura determinada por el baño maría nos demoramos mucho al medir y por eso nuestros resultados salieron algo parecidos a el de 20 grados y cuando lo hicimos el de 40 grados ahí recién empezamos a actuar rápido para no perder la temperatura que tenia y eso salió algo mejor que el anterior. Tensión superficial de otras sustancias Líquido en contacto con el aire Benceno Tetracloruro de carbono Etanol Glicerina Mercurio Aceite de Oliva Disolución de jabón Agua Agua Agua Agua Oxígeno Temperatura(oC) 20 20 20 20 20 20 20 0 20 60 100 -193 Tensión Superficial (dina/cm) 28.9 26.8 22.3 63.1 465.0 32.0 25.0 75.6 72.8 66.2 58.9 15.7 Neón Helio -247 -269 5.15 0.12 Fuentes: Serway. Physics for Scientists and Engineers Sears, Z & Y. Física Universitaria CONCLUSIONES Al momento de medir el agua y alcohol en diferentes temperaturas de 20, 30 y 40 grados Celsius, en cada uno su tensión superficial era muy distinta a uno aunque en el de 30 grados lo dejamos un tiempo entonces se le paso la temperatura y nos salióun resultado parecido al de 20 grados y en el de 40 grados parecían que su resultado eran muy bajos casi igual en las tres veces que teníamos que medirlo. FUENTES DE INFORMACIÓN Raymond Chang (2005). Química. Editorial McGraw-Hill. Colombia. Páginas 424 y 425. Ralph A. Burns (1996). Fundamentos de química. Editorial Prentice Hall Hispanoamericana. México. Páginas 387 y 388. Julián Fernández Ferrer, Marcos Pujal Carrera (1992). Iniciación a la física. Editorial Reverte. Página 249. http://didactica.fisica.uson.mx/tablas/tensionsup.htm Theodore L. Brown, Theodore E. Brown, H. Eugene LeMay, Jr., Héctor Javier Escalona y García, Bruce E. Bursten, Julia R. Burdge, Roberto Escalona y García (2004). Química, la ciencia central. Editorial Pearson Education. Página 448. Escrito por Arthur C. Guyton, John E. Hall (2006). Fisiología Médica. Editorial Elsevier. España. ANEXO: Cuestionario 1. Construir un gráfico de viscosidad vs. Temperatura 2. Graficar la tensión superficial del etanol vs. Temperatura 3. Referente a la viscosidad sanguínea, comentar: Temperatura °C Tensión a. Influencia del plasma y b. Influencia de los glóbulos rojos Superficial (a y b) La viscosidad sanguínea y la viscosidad plasmática son los más conocidos parámetros que caracterizan las propiedades del flujo sanguíneo. Estos parámetros dependen de las condiciones del flujo (débito, cizallamiento o gradiente de velocidades) como de factores plasmáticos y de factores celulares sobre todo eritrocitarios. La viscosidad plasmática depende de la concentración de proteínas Temperatura plasmáticas y más particularmente de macromoléculas como el fibrinógeno. El fibrinógeno juega un rol más importante que las inmunoglobulinas y que las lipoproteínas en el aumento de la viscosidad plasmática. Estos dos últimos factores tienen ellos mismo un impacto superior a la albúmina sobre la viscosidad plasmática. La viscosidad sanguínea está determinada por la viscosidad plasmática, por la concentración celular de la sangre (hematocrito) y por las deformaciones y la agregación de glóbulos rojos (1). Los glóbulos rojos son extremadamente deformables. Esta deformación es muy importante en la micro circulación donde los eritrocitos deben atravesar los capilares que tienen un diámetro inferior al diámetro de las células. La rigidez de los eritrocitos está regulada por diversos factores: su geometría (relación superficie/volumen); su viscosidad interna (función de la hemoglobina) y las propiedades elásticas de la membrana celular (ATP, calcio, composición lipídica y proteica) (1). La agregación eritrocitaria representa la asociación reversible de los glóbulos rojos para formar los rouleaux. Este fenómeno se produce cuando las macromoléculas plasmáticas como el fibrinógeno forman un puente entre las membranas de los glóbulos rojos (2-3). A nivel de los vasos en donde el flujo sanguíneo es lento (vénulas) o donde las situaciones patológicas inducen una disminución del debito sanguíneo (más allá de una estenosis arterial) los agregados de glóbulos rojos se forman regularmente. Esta agregación juega un gran papel en la viscosidad de la sangre y explica que la hiperviscosidad sanguínea se produzca cuando existe un debito bajo. Por el contrario cuando la velocidad del flujo sanguíneo aumenta los rouleaux de glóbulos rojos se disocian y la viscosidad disminuye. La agregación de los glóbulos rojos depende pues de las condiciones del flujo sanguíneo pero también de factores plasmáticos (fibrinógeno, inmunoglobulina) y de factores celulares (hematocrito, carga eléctrica de las membranas y deformabilidad globular). 4. El alcohol n-octílico, CH3 (CH2)6CH2OH tiene una viscosidad de 10.1 cP, mucho más alta que la del nonano, CH3 (CH2)6CH3, que tiene aproximadamente el mismo peso molecular. ¿A qué se debe esta diferencia? Justifique su respuesta. 5. Expresar el valor de la tensión superficial obtenido en las siguientes unidades: a. Nm-1 b. Jm-2 c. dina/cm 6. ¿Cuál es el efecto de la tensión superficial en los alveolos pulmonares? 7. El 1-propanol, CH3-CH2-CH2OH, tiene un peso molecular muy similar al de la acetona, CH3-CO-CH3; cuyo punto de ebullición es 56.5°C, mientras que el 1-propanol lo hace a 97.2°C. Justificar su respuesta explicando las razones de la enorme diferencia en el punto de ebullición.