Quimica tension superficial

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Facultad de Ingeniería
Escuela de Ingeniería Química
Área de Química
Ing. Gerardo Ordoñez	
Reporte 3
TENSIÓN SUPERFICIAL
Kristel Lucero Urizar Pérez
Sonia María Alvarado Guerra 
201602957
Sección G
RESUMEN
En la práctica de tensión superficial se determinaron los valores de la tensión superficial de distintos reactivos: etanol (C2H5OH) y jabón líquido con agua, dentro del intervalo de temperaturas. 
Primero se colocó el reactivo dentro de un beacker y este a su vez se colocó dentro de un beacker de mayor tamaño que contenía agua con hielo. Esto con el fin de llevar el reactivo a las temperaturas más bajas. De igual manera, se colocó el reactivo dentro de un beacker y luego se colocó en uno de mayor tamaño que contenía glicerina. Este conjunto se colocó en un mechero de bunsen para llevarlo a las temperaturas más altas. Dentro del reactivo en ambas operaciones se colocó un termómetro amarrado con un hule a un tubo capilar previamente graduado, esto con el fin de medir la altura a la cual ascendía el líquido en el momento en que se estableció el equilibrio dentro del capilar para cada temperatura. Después de cada toma de temperatura se taró el reactivo y se midió su volumen en una probeta, para luego obtener la densidad.
La práctica se realizó bajo condiciones de una presión atmosférica de 0.84 atm a una temperatura aproximada de 23° C.
OBJETIVOS
General
Determinar la tensión superficial del etanol y jabón líquido con agua dentro del intervalo establecido de temperaturas.
Específicos
1. Calcular la densidad de los reactivos a las distintas temperaturas.
2. Construir una gráfica que compare la tensión superficial de cada reactivo y la temperatura.
3. Determinar las desviaciones estándar de los reactivos.
MARCO TEÓRICO
Tensión superficial
En física se denomina tensión superficial de un líquido a la fuerza espacial entre un espacio de otro, según su fuerza superficial. Esta definición implica que el líquido tiene una resistencia para aumentar su superficie. Este efecto permite a algunos insectos, como el zapatero (Gerris lacustris), poder desplazarse por la superficie del agua sin hundirse. La tensión superficial (una manifestación de las fuerzas intermoleculares en los líquidos), junto a las fuerzas que se dan entre los líquidos y las superficies sólidas que entran en contacto con ellos, da lugar a la capilaridad. Como efecto tiene la elevación o depresión de la superficie de un líquido en la zona de contacto con un sólido.
Otra posible definición de tensión superficial: es la fuerza que actúa tangencialmente por unidad de longitud en el borde de una superficie libre de un líquido en equilibrio y que tiende a contraer dicha superficie. Las fuerzas cohesivas entre las moléculas de un líquido son las responsables del fenómeno conocido como tensión superficial.
Causa de la tensión superficial
La tensión superficial se debe a que las fuerzas que afectan a cada molécula son diferentes en el interior del líquido y en la superficie. Así, en el seno de un líquido cada molécula está sometida a fuerzas de atracción que en promedio se anulan. Esto permite que la molécula tenga una energía bastante baja. Sin embargo, en la superficie hay una fuerza neta hacia el interior del líquido. Rigurosamente, si en el exterior del líquido se tiene un gas, existirá una mínima fuerza atractiva hacia el exterior, aunque en la realidad esta fuerza es despreciable debido a la gran diferencia de densidades entre el líquido y gas.
Otra manera de verlo es que una molécula en contacto con su vecina está en un estado menor de energía que si no estuviera en contacto con dicha vecina. Las moléculas interiores tienen todas las moléculas vecinas que podrían tener, pero las partículas del contorno tienen menos partículas vecinas que las interiores y por eso tienen un estado más alto de energía. Para el líquido, el disminuir su estado energético es minimizar el número de partículas en su superficie. 
Energéticamente, las moléculas situadas en la superficie tiene una mayor energía promedio que las situadas en el interior, por lo tanto la tendencia del sistema será disminuir la energía total, y ello se logra disminuyendo el número de moléculas situadas en la superficie, de ahí la reducción de área hasta el mínimo posible.
Como resultado de minimizar la superficie, esta asumirá la forma más suave que pueda ya que está probado matemáticamente que las superficies minimizan el área por la ecuación de Euler-Lagrange. De esta forma el líquido intentará reducir cualquier curvatura en su superficie para disminuir su estado de energía de la misma forma que una pelota cae al suelo para disminuir su potencial gravitacional.
Propiedades de la tensión superficial
La tensión superficial suele representarse mediante la letra griega {\displaystyle \scriptstyle \gamma }ƴ (gamma), o mediante {\displaystyle \scriptstyle \sigma }σ (sigma). Sus unidades son de N·m−1, J·m−2,kg·s−2 o dyn·cm−1
· ƴ > 0, ya que para aumentar el estado del líquido en contacto hace falta llevar más moléculas a la superficie, con lo cual disminuye la energía del sistema, {\displaystyle \scriptstyle \gamma } ƴ es la cantidad de trabajo necesario para llevar una molécula a la superficie.
· {\displaystyle \scriptstyle \gamma } ƴ   depende de la naturaleza de las dos fases puestas en contacto que, en general, será un líquido y un sólido. Así, la tensión superficial será igual por ejemplo para agua en contacto con su vapor, agua en contacto con un gas inerte o agua en contacto con un sólido, al cual podrá mojar o no debido a las diferencias entre las fuerzas cohesivas (dentro del líquido) y las adhesivas (líquido-superficie).
· {\displaystyle \scriptstyle \gamma } ƴ  se puede interpretar como una fuerza por unidad de longitud (se mide en N·m−1). Esto puede ilustrarse considerando un sistema bifásico confinado por un pistón móvil, en particular dos líquidos con distinta tensión superficial, como podría ser el agua y el hexano. En este caso el líquido con mayor tensión superficial (agua) tenderá a disminuir su superficie a costa de aumentar la del hexano, de menor tensión superficial, lo cual se traduce en una fuerza neta que mueve el pistón desde el hexano hacia el agua.
· El valor de {\displaystyle \scriptstyle \gamma } ƴ   depende de la magnitud de las fuerzas intermoleculares en el seno del líquido. De esta forma, cuanto mayor sean las fuerzas de cohesión del líquido, mayor será su tensión superficial. Podemos ilustrar este ejemplo considerando tres líquidos: hexano, agua y mercurio. En el caso del hexano, las fuerzas intermoleculares son de tipo fuerzas de Van der Waals. El agua, aparte de la de Van der Waals tiene interacciones de puente de hidrógeno, de mayor intensidad, y el mercurio está sometido al enlace metálico, la más intensa de las tres. Así, la {\displaystyle \scriptstyle \gamma } ƴ   de cada líquido crece del hexano al mercurio.
· Para un líquido dado, el valor de {\displaystyle \scriptstyle \gamma } ƴ   disminuye con la temperatura, debido al aumento de la agitación térmica, lo que redunda en una menor intensidad efectiva de las fuerzas intermoleculares. El valor de {\displaystyle \scriptstyle \gamma } ƴ   tiende a cero conforme la temperatura se aproxima a la temperatura crítica Tc del compuesto. En este punto, el líquido es indistinguible del vapor, formándose una fase continua donde no existe una superficie definida entre ambos, desapareciendo las dos fases. Al haber solamente una fase, la tensión superficial vale 0.
MARCO METODOLÓGICO
Material y equipo
1 beacker de 500 mL 1 beacker de 100 mL
Tubos capilares 1 termómetro
2 planchas de calentamiento 2 beackers de 50 mL
2 varillas de vidrio 1 pipeta de 5 mL
1 probeta de 100 mL
Reactivos
Etanol
Jabón líquido con agua
PROCEDIMIENTO
Temperaturas 5, 10, 15 y 20°C
1. Se colocaron 25 mL de reactivo (etanol o jabón líquidocon agua) en un beacker de 50mL.
2. Se virtió hielo dentro de un beacker de 250 mL.
3. El beacker de 50 mL se colocó dentro del beacker de 250 mL.
4. Se midió cada una de las temperaturas mediante un termómetro unido a un tubo capilar graduado mediante un hule.
5. Luego se halló la altura a la que llegaba el líquido en el tubo capilar graduado.
6. Por último, se taró el reactivo para cada temperatura mediante una probeta y se determinó el volumen.
Temperaturas 30, 40 y 50°C
1. Se colocaron 25 mL de reactivo (etanol o jabón líquido con agua) en un beacker de 50mL.
2. Se virtió glicerina dentro de un beacker de 250 mL.
3. El beacker de 50 mL se colocó dentro del beacker de 250 mL.
4. El conjunto se colocó sobre un mechero de bunsen para aumentar su temperatura.
5. Se midió cada una de las temperaturas mediante un termómetro unido a un tubo capilar graduado mediante un hule.
6. Luego se halló la altura a la que llegaba el líquido en el tubo capilar graduado.
7. Por último, se taró el reactivo para cada temperatura mediante una probeta y se determinó el volumen.
Tensión superficial
 
25mL de reactivo
		
 Llenar a la mitad con agua.
		
Medir temperatura Determinar tensión superficial
Para cada temperatura medir la altura
	
 Densidad en cada temperatura
RESULTADOS
Tabla no. I Tensión superficial del etanol a 5°C, 10°C, 15°C, 20°C, 30°C, 40°C y 50°C 
	Temperatura (°C)
	Tensión superficial (N/m)
	Desviación estándar 
	5
	0.000572923
	± 0.000253947 N/m
	10
	0.000721784
	± 0.000253947 N/m
	15
	0.000766778
	± 0.000253947 N/m
	20
	0.000464323
	± 0.000253947 N/m
	30
	0.000458838
	± 0.000253947 N/m
	40
	0.000245000
	± 0.000253947 N/m
	50
	0.000052751
	± 0.000253947 N/m
Fuente: datos calculados 
Figura no. I Tensión superficial del etanol a 5°C, 10°C, 15°C, 20°C, 30°C, 40°C y 50°C 
Fuente: datos calculados, elaboración propia
Ƴ = - 0.0000139643 (T) + 0.0008080463 
R2 = 0.817139
Tabla no. II Tensión superficial del agua con jabón a 5°C, 10°C, 15°C, 20°C, 30°C, 40°C y 50°C 
	Temperatura (°C)
	Tensión superficial (N/m)
	Desviación estándar 
	5
	0.003211542
	± 0.000612442 N/m
	10
	0.002974513
	± 0.000612442 N/m
	15
	0.003474183
	± 0.000612442 N/m
	20
	0.004071859
	± 0.000612442 N/m
	30
	0.003235960
	± 0.000612442 N/m
	40
	0.002866500
	± 0.000612442 N/m
	50
	0.002065350
	± 0.000612442 N/m
Fuente: datos calculados 
Figura no. II Tensión superficial del agua con jabón a 5°C, 10°C, 15°C, 20°C, 30°C, 40°C y 50°C 
Fuente: datos calculados, elaboración propia
Ƴ = - 0.000023125 (T) + 0.0036901695 
R2 = 0.385289
INTERPRETACIÓN DE RESULTADOS
La tensión superficial del agua con jabón y el etanol fueron 0.0031268 N/m y 0.00046891 N/m, respectivamente. Se observó que en los dos líquidos se presentó un menisco cóncavo al leer la altura alcanzada en el tubo capilar. Esto se debió a que las fuerzas entre los líquidos y el tubo capilar se atraen, indicando que las fuerzas de adhesión fueron mayores a las de cohesión para cada líquido individualmente;
“Si las fuerzas de cohesión en un líquido son mayores que las de adhesión, la altura del líquido dentro del capilar no sube grandemente. En los datos obtenidos en el laboratorio la longitud de la columna del agua, acetona y el etanol dentro del capilar, sube y luego tiende a bajar conforme aumenta la temperatura a mayor temperatura las fuerzas de cohesión en los líquidos disminuyen.”
En cada grafica se puede observar el comportamiento de la tensión superficial con respecto a la temperatura. La cual se calculó con el modelo matemático que precede la tensión superficial del agua con jabón y etanol en función de su temperatura: 
Ƴ = - 0.000023125 (T) + 0.0036901695 
R2 = 0.385289
CONCLUSIONES
1. El modelo matemático que precede la tensión superficial del agua, etanol y de la acetona en función de su temperatura es: 
Ƴ = - 0.000023125 (T) + 0.0036901695 
R2 = 0.385289
2. La tensión superficial del agua con jabón fue: 0.0031268 N/m.
3. La tensión superficial del etanol fue: 0.00046891 N/m.
4. La desviación estándar de ambas tensiones superficiales (agua con jabón y etanol) fueron: ± 0.000612442 N/m y ± 0.000253947 N/m.
BIBLIOGRAFÍA
Mott, R. ((1996)). Mecánica de fluidos aplicada (4ª edición). México: Pearson Educación.
 2. Petrucci, R. H. (2011). "Química General" Décima Edición. Madrid: Pearson Educación S.A. .
CÁLCULO DE MUESTRA
Ecuación para calcular la densidad de los reactivos:	
			
					Ecuación #1
Donde:
· es la densidad
· es la masa de la muestra
· es el volumen de la muestra
Ecuación para calcular la tensión superficial de los reactivos: 
 Ecuación #2
Donde:
· es la tensión superficial
· es el radio del capilar (0.1cm)
· es la gravedad (0.0980)
· es la altura del capilar
· es la densidad del líquido utilizado ()
Ecuación para calcular la desviación estándar:
 			Ecuación #3
Donde:
· n es el tamaño de la muestra.
· x es la media aritmética de la muestra.
· S es la desviación estándar.
DATOS CALCULADOS
Tabla no. I Etanol 
	Temperatura (°C)
	Volumen (m3)
	Masa (Kg)
	Altura (m)
	Radio (m)
	Densidad (kg/m3)
	Tensión superficial (N/m)
	Desviación estándar
	5
	0.0000234
	0.00684
	0.0008
	0.0005
	292.307692
	0.000572923
	±0.000253947
	10
	0.0000241
	0.0071
	0.001
	0.0005
	294.605809
	0.000721784
	±0.000253947
	15
	0.0000239
	0.0068
	0.0011
	0.0005
	284.518828
	0.000766778
	±0.000253947
	20
	0.0000229
	0.0062
	0.0007
	0.0005
	270.742358
	0.000464323
	±0.000253947
	30
	0.0000228
	0.0061
	0.0007
	0.0005
	267.54386
	0.000458838
	±0.000253947
	40
	0.0000198
	0.0033
	0.0006
	0.0005
	166.666667
	0.000245000
	±0.000253947
	50
	0.0000209
	0.00075
	0.0006
	0.0005
	35.8851675
	0.000052751
	±0.000253947
Fuente: muestra de cálculo
Tabla no. I Agua con jabón 
	Temperatura (°C)
	Volumen (m3)
	Masa (Kg)
	Altura (m)
	Radio (m)
	Densidad (kg/m3)
	Tensión superficial (N/m)
	Desviación estándar
	5
	0.000024
	0.0242
	0.0013
	0.0005
	1008.33333
	0.003211542
	±0.000612442
	10
	0.000023
	0.02327
	0.0012
	0.0005
	1011.73913
	0.002974513
	±0.000612442
	15
	0.0000295
	0.02324
	0.0018
	0.0005
	787.79661
	0.003474183
	±0.000612442
	20
	0.0000237
	0.02317
	0.0017
	0.0005
	977.637131
	0.004071859
	±0.000612442
	30
	0.0000225
	0.02286
	0.0013
	0.0005
	1016
	0.003235960
	±0.000612442
	40
	0.0000232
	0.02262
	0.0012
	0.0005
	975
	0.002866500
	±0.000612442
	50
	0.000024
	0.02248
	0.0009
	0.0005
	936.666667
	0.002065350
	±0.000612442
Fuente: muestra de cálculo
Tension superficial vs TemperaturaTension superficial (N/m)00.00010.00020.00030.00040.00050.00060.00070.0008
Temperatura (°C)
0102030405060
Tension superficial vs TemperaturaTension superficial (N/m)0.0020.00250.0030.00350.0040.0045
Temperatura (°C)
0102030405060