TENSIN SUPERFICIAL

2011

TENCIN SUPERFICIAL EXPERIENCIA N3

La superficie de cualquier lquido se comporta como si sobre esta existe una membrana a tensin. A este fenmeno se le conoce como tensin superficial. La tensin superficial de un lquido est asociada a la cantidad de energa necesaria para aumentar su superficie por unidad de rea.

I.OBJETIVO Determinar la tensin superficial de un lquido, midiendo la altura de una columna de lquido en un capilar de dimetro conocido. Hallar la relacin que hay entre tensin5 superficial y temperatura. Determinar el coeficiente de tensin superficial de los lquidos ,utilizando el mtodo de rayleigh (clsico) y mediante el uso de un equipo automatizado (cobra 3 basic-unit) II. EQUIPOS Y MATERIALES METODO RAYLEIGH (CLASICO)

1 soporte universal

1

TENSIN SUPERFICIAL1 bureta, medir dimetro externo

2011

1 vaso de precipitados

1 clamp

2

TENSIN SUPERFICIAL

2011

1 termmetro

Lquidos :agua ,alcohol, ron EQUIPO AUTOMATIZADO (COBRA3 BASIC-UNIT) 1 aro de medida de tensin superficial de dimetro promedio 19.5mm 1 PC con Windows XP 1 cobra 3 basic unit 1 fuente de poder de 12 V/2A 1 software cobra3 forc/telsa 1 modulo de medicin de newton 1 sensor newton 1 trpode base 1 varilla de 25 cm 1 cubeta preti, d=20cm 1 pao 1 probeta de 100ml 1 accesorios de conexin 1 plataforma de elevacin vertical 1 cronometro

3

TENSIN SUPERFICIAL1 clamp III. FUNDAMENTO TERICO

2011

Se entiende por tensin superficial,la fuerza que se ejerce en la superficie de los lquidos por unidad de longitud. Viene medida en Nm-1. Consideremos una molcula G, situada en el interior de un lquido Las intensas fuerzas intermoleculares determinan una resultante nula (F y -F); cuando la molcula est situada en una zona prxima a la superficie, como en la molcula G', las fuerzas no se anulan. Si la molcula est en la superficie, el conjunto de estas fuerzas da una resultante F, dirigida hacia el interior del lquido. Esta fuerza que acta tangencialmente en la superficie del lquido, y tiende a contraerla, es la tensin superficial del lquido.

La tensin superficial se opone al incremento de superficie ya que supone un aumento de la energa de Gibbs del sistema y la condicin de equilibrio exige que el sistema evolucione hasta que G sea mnima a p y T constantes. Las sustancias con grupos hidroflicos se orientan hacia la fase acuosa dejando las cadenas hidrocarbonadas hacia la fase gaseosa o aceite. La fuente de adsorcin de estas sustancias o interfases en forma de monocapa se llama actividad superficial. L actividad superficial es un fenmeno dinmico. La tensin superficial de una mezcla binaria miscible se puede calcular con la ecuacin de Szyszkowski-Langmuir: Donde a y b son parmetros que se pueden determinar experimentalmente. El mtodo que se va a utilizar en la determinacin el el mtodo de la gota, con ayuda de un estalammetro:

4

TENSIN SUPERFICIAL

2011

El tensmetro o estalagmmetro de Traube es de los dispositivos ms empleados para la determinacin de la tensin superficial e interfacial de los lquidos. Consta de un tubo vertical de vidrio con un ensanchamiento situado entre un enrase superior y otro inferior provistos ambos de sendas escalas grabadas sobre el vidrio en divisiones arbitrarias; al extremo del tubo posee un ligero aplastamiento que constituye una pequea plataforma plana. Mediante una aspiracin se toma lquido de una pequea vasija situada bajo el estalagmmetro y se le hace ascender hasta el primer enrase. Seguidamente se deja fluir el lquido libremente y se cuenta el nmero de gotas que se desprenden hasta que se alcanza el enrase inferior. La operacin se repite de forma anloga empleando el agua como referencia y anotando el nmero de gotas desprendidas en su caso METODO DE RAYLEIGH Del analizis de la dinamica presente en la formacion de una gota que se desprende de un tubo cilindrico de radio R, para un liquido que tiene coeficiente de tension superficial ; se observa que mientras la gota no se desprenda, tomara una forma tal que la componente vertical de la fuerza de tension superficial se equilibrara con su peso;la componente vertical dela fuerza de tension superficial alcanzara su maximo valor en el instante justo antes de que la gota se desprenda;en el momento que se desprende se cumple a la siguiente relacion mg= 2R =(1/2)(mg/R) donde : m es la masa de la gota. R es el radio externo de la punta de la bureta y (1) (2)

5

TENSIN SUPERFICIALes el coeficiente de tension superficial de liquido

2011

Debido ala condicion de minimo , las gotas de agua adoptan la forma de esferica. A partir de la ecuacion (1)se podria determinar ,pero como ah no se a tenido en cuenta el trabajo de deformacion cilindro-esfera, el valor que se obtuviera no seria exacto, Rayleigh retoco esta exprecion y encontro un modo empirico para determinar . Rectifico las constantes y llego ala ecuacion: =(5/19)(mg/R) Consideran un liquido de volumen V,de densidad ,la masa de cada gota sera : m= V/N por lo tanto se encuentra que, =(5/19)( V/N)(g/R) (5) (3) ,y que en el hay un numeroN de gotas (4)

EQUIPO AUTOMATIZADO

Para incrementar el area de la superficie en un lquido en un A, se debe realizar un trabajo E: = E/ A (6)

Donde, es la energia superficial especifica y es identica con la tension superficial: =F/2I (7)

La fuerza f actua tangencialmente en el borde de la longitud l del aro a fin de mantener la pelicula liquida . cuando asumamos un aro de medicion r la longitud del borde es l=2r

IV. EXPERIMENTO MONTAJE 1 MTODO DE RAYLEIGH Monte el quipo tal como muestra el diseo experimental de la figura 3. Nota 1: Dimetro externo de la boquilla de la bureta = 1mm. Nota 2: Para asegurar su buen funcionamiento, la bureta debe estar limpia.

6

TENSIN SUPERFICIAL

2011

Enuncie. Qu entiende por tensin superficial? Es un fenmeno causado por la interaccin molecular de las partculas que conforman el lquido, esta interaccin causa que la superficie del lquido se tense. PROCEDIMIENTO 1. Vierta en la bureta el lquido, cuya tensin superficial desea determinar. Sugerencia: utilice 1,2 o 3 ml de lquido. 2. Mida la temperatura del lquido del interior de la bureta. Anote el valor correspondiente en la Tabla 1. Qu sentido tiene medir esta temperatura? Medir la temperatura es importante ya que las propiedades de un liquido varan por la temperatura y es normal suponer que la tensin superficial de un liquido a determinada temperatura es distinta que a otra temperatura. 3. Use el vaso de precipitados como deposito de descarga del lquido de la bureta. 4. Tome dos puntos A y B como niveles de referencia. 5. Cuente el nmero de gotas de la porcin de lquido entre los niveles de referencia. Repita este procedimiento no menos de 5 veces. Cada vez anote en la Tabla 1 el nmero de gotas para el volumen escogido. Para qu se cuentan el nmero de gotas? Debido a que en el mtodo de Rayleigh el nmero de gotas es necesario para utilizar la formula dada en la teora en donde hallamos el coeficiente de tensin superficial del lquido. 6. Repita los pasos del 1 al 5 para otros lquidos (alcohol, ron).

7. Nuevamente repita los pasos anteriores para T = 50C y anote sus observaciones en la Tabla 2. MONTAJE 2 EQUIPO AUTOMATIZADO Familiarcese con el equipo sensor de la unidad bsica (Cobra 3) y monte el diseo experimental de la Figura 4. PROCEDIMIENTO 1. Vierta lquido en la cubeta Petric hasta la mitad. 2. Suspenda el aro del gancho del sensor Newton. No sumerja aun el anillo en el liquido. 3. Utilizando la plataforma de elevacin vertical, girando la manija negra, sumerja lentamente el aro hasta que este completamente cubierto por el lquido de estudio. 4. Con asistencia del profesor calibre el sensor segn lo indicado en la Figura 4. 5. Use los parmetros de fuerza segn lo establecido en la figura 5. 6. Para la medida de la tensin F(N) se proceder de la siguiente manera:

7

TENSIN SUPERFICIAL

2011

a. Tenga cuidado de no producir el menor movimiento de la mesa de trabajo, ya que el sistema es altamente sensible. b. Inicie la medicin en software men. c. Con la ayuda de la plataforma de elevacin vertical, descienda cuidadosamente la cubeta Petric hasta que se observe que la pelcula de interface del liquido este tensionada hasta el limite. d. Mantenga el aro tensionado por un tiempo de 10 s. e. Al trmino de los 10 s suba cuidadosamente cubeta Petric con la ayuda de la plataforma de elevacin vertical. f. Repita los (c) al (e) al menos 4 veces. g. Detenga la medicin. 7. Haga una grfica fuerza vs tiempo y seleccione los datos correspondientes a la zona de mxima tensin (meseta de la curva, como se ve ejemplo en la figura 6. Seleccione los tres mejores resultados que observe en la grafica y obtenga la fuerza promedio). 8. Con ayuda de una hoja de clculo obtenga el valor promedio de las fuerzas correspondientes a cada zona de mxima tensin. 9. Determine la tensin superficial utilizando la ecuacin 7 .recuerde que la longitud l del aro debe estar en metros

8

TENSIN SUPERFICIALV. DATOS Y RESULTADOS TABLA 1 A TEMPERATURA AMBIENTE: T = 26 C Alcohol Ron

2011

H20 Lquido V ml 8.6 7.3 8 8 8 7.98 N #gotas 122 104 112 116 130 116.8 m g 8 7 7 8 7 7.4

H20

alcohol

ron

g/cm3 0.93 0.95 0.875 1 0.875 0.926

g/cm3 1 1 1.2 1 1 1.04

V ml 5 5 5 5 5 5

N #gotas 158 144 190 165 130 157.4

m g 5 5 6 5 5 5.2

g/cm3 0.67 0.67 0.67 0.67 0.67 0.67

V ml 3 3 3 3 3 3

N #gotas 93 107 120 115 112 109.4

m g 2 2 2 2 2 2

dina /cm 1.69 1.72 1.61 1.78 1.39 1.64

dina /cm 0.82 0.89 0.82 0.78 0.99 0.86

dina /cm 0.56 0.49 0.43 0.45 0.46 0.48

1 2 3 4 5 Prom

1. Para hallar las densidades utilizaremos el volumen medido y la masa obtenida. Adems sabemos que 1 cm3 = 1 ml. 2. Para hallar (coeficiente de tensin superficial del lquido) se utilizara la formula que se dio en teora. TABLA 2 EN BAO MARIA: T = 50C AGUA V N ml #gotas 3 52 3 48 3 46 3 50 3 50 3 49.2

Lquido

1 2 3 4 5 Promedio VI. EVALUACIN

g/cm3 1 1 1 1 1 1

m g 3 3 3 3 3 3

alcohol

dina/cm 1.49 1.61 1.68 1.55 1.55 1.58

1influye la tensin superficial en los fenmenos capilares? Si estos dos fenmenos tienen una relacin como ya sabemos la capilaridad es una propiedad de los lquidos que depende de su tensin superficial (la cual a su vez, depende de la cohesin o fuerza intermolecular del lquido), que le confiere la capacidad de subir o bajar por un tubo capilar. Cuando un lquido sube por un tubo capilar, es debido a que la fuerza intermolecular (o cohesin intermolecular) entre sus molculas es menor a la adhesin del lquido con el material del tubo (es decir, es un lquido que moja). El lquido sigue subiendo hasta que la tensin superficial es

9

TENSIN SUPERFICIAL

2011

equilibrada por el peso del lquido que llena el tubo. ste es el caso del agua, y sta propiedad es la que regula parcialmente su ascenso dentro de las plantas, sin gastar energa para vencer la gravedad. Sin embargo, cuando la cohesin entre las molculas de un lquido es ms potente que la adhesin al capilar (como el caso del mercurio), la tensin superficial hace que el lquido descienda a un nivel inferior, y su superficie es convexa

2) La tensin superficial depende de la temperatura ?Explique Si depende de la temperatura y depende en forma inversa, la tensin superficial la denotamos por Y se define como la relacin entre la fuerza de tensin superficial y la longitud a lo largo de la cual acta. y=F/d se dice que disminuye al aumentar la temperatura; por que la superficie del liquido se comporta como una membrana en tensin... al aumentar la temperatura del fluido aumenta su energa interna, por ende la fuerza de cohesin de las partculas disminuye por que intenta pasar el fluido -un liquido- a estado gaseoso; as un gas no puede hacer la misma funcin de un fluido como tensionante superficial. Visto de manera atmica se entiende a mayor friccin de los tomos implementado por calor aplicado a la materia, stos tienden a separarse por lo que se convierte en vapor (gas), que implica que una gas contiene una tensin superficial mnimo, al disminuir la temperatura, los tomos se compactan por lo que generan tensin en la superficie. En el cuadro como varia la tensin superficial Y conforme aumenta la temperatura en el caso de agua.

10

TENSIN SUPERFICIAL

2011

3Cundo el coeficiente de tensin superficial del agua ser = 0?Esto se puede generalizar para otros lquidos? Analizando las formulas = (1/2)(mg/R); =(5/19)(mg/R) ; =(5/19)( V/N)(g/R)

Observamos que el nico caso en el cual la tensin superficial sea cero es cuando no halla ni una sola gota de del liquido (m=0) esto quiere decir que un liquido siempre va tener tencin superficial podra ser de una medida muy pequea pero la tiene.

4) Determine si el coeficiente de tensin superficial depende de la densidad? Si depende de la densidad del lquido ya que esta relacionado con la formula de Raleigh: Como se observa si depende, y de forma directa. 5determine si el coeficiente de tensin superficial y la viscosidad se relacionan? Bueno lo nico que podemos decir es que los dos fenmenos van a depender de la densidad delos lquidos as que por ese lado se podra decir que si tienen una relacin

11

TENSIN SUPERFICIAL

2011

6) De 5 ejemplos de aplicacin prctica del fenmeno de tensin superficial: En los campos de ciencia, tecnologa y el hogar. La tensin superficial esta relacionado con y y y y El poder de jabn para limpiar. Formacin de espumas. Los insectos pueden permanecer suspendidos sobre el agua La capilaridad, fenmeno que permite las plantas llevar agua desde las races hasta la parte ms alta del tallo. El que se moje una tela normal, pero no la de un impermeable. La forma esfrica de las gotas.

y y

7el dimetro interior y exterior del aro son: 20 mm y 19mm .halle la longitud sobre la cual la superficie tensora del liquido hace su accin? Este va ser un anillo por lo cual tomaremos las medidas por los dos lados entonces: L=l1+l2 =2 (10mm) +2 (9.5mm) =39mm L=39mm 8) Si la altura del aro es de 3.07 mm sobre que rea se fija la superficie tensora del liquido, a que fuerzas atribuye esta unin? En la siguiente figura muestra el anillo, que tiene la forma de un toro, R es el radio interior y r es el radio del la seccin circular (cable)

12

TENSIN SUPERFICIAL

2011

De acuerdo ala condicin de nuestro problema 2r (altura del aro) mide 3.07mm y R-r= 9.5mm (de acuerdo al problema anterior) .de lo que se halla R =11.035mm; entonces como r