Tensión Superficial

TENSIÓN SUPERFICIAL. La tensión superficial es la fuerza en la superficie de un líquido que hace que el área de esa superficie sea la mínima posible. De otra manera la tensión superficial es la medida de la fuerza elástica por unidad de longitud que actúa en la superficie de un líquido.

F=fuerza de la película elástica) L=longitud de la película elástica Unidades: N/m; dina/cm Para determinado volumen, una esfera tiene superficie mínima y la tensión superficial es la que hace que las gotas pequeñas de los líquidos sean esféricas. Las moléculas en el interior de un líquido son atraídas por sus vecinas desde todos los lados. Las moléculas que están en la superficie no tienen moléculas vecinas por todos sus lados por consiguiente son atraídas hacia el líquido. La tensión superficial es la que permite a algunos insectos caminar sobre el agua y que el agua se acumule un poco sobre el borde de un recipiente. LÍQUIDO

γ(DINA/CM)

Agua

72.75

Acetona

23.7

Benceno

28.9

Tetracloruro carbono n-octano

de 26.7 21.8

Nitrobenceno

41.8

Etanol

22.3

Metanol

22.6

Fig.4. Tabla que muestra la tensión superficial de algunos líquidos a 20ºC

Entre los factores que afectan la tensión superficial se encuentran las sustancias tensoactivas las cuales disminuyen la tensión superficial del agua; las sales las cuales aumentan la tensión superficial y la temperatura la cual tiene una relación inversa con la tensión superficial. En otras palabras. Una molécula en el interior de un líquido está sometida a la acción de fuerzas atractivas (lo que hemos denominado como cohesión) en todas las direcciones, siendo la resultante de todas ellas nula. Pero si la molécula está situada en la superficie del líquido, sufre un conjunto de fuerzas de cohesión, cuya resultante es perpendicular a la superficie, experimentando pues una fuerza dirigida hacia el líquido. De aquí que sea necesario consumir cierto trabajo para mover las moléculas hacia la superficie venciendo la resistencia de estas fuerzas, por lo que las moléculas de la superficie tienen más energía que las interiores. Se define cuantitativamente la tensión Fig. 5. Ejemplo de Tensión S. superficial como el trabajo que debe realizarse para llevar moléculas en número suficiente desde el interior del líquido hasta la superficie para crear una nueva unidad de superficie. Debido a estas fuerzas, la superficie tiende a contraerse y ocupar el área más pequeña posible. Si se trata de una gota libre, tiende a tomar la forma esférica como veremos a continuación. Ejemplo, un alfiler puede por la tensión superficial líquida, flotar sobre la superficie del agua, a pesar de ser la densidad del acero mucho mayor que la del agua, y cuando el alfiler cae al fondo se observa que lo hace con la punta hacia abajo porque perfora esta especia de película donde se ejerce la tensión superficial.

Representación: Frente a la concentración. Representación de la tensión superficial frente a la concentración y se ajustan los valores a la ecuación: Se obtienen los parámetros a y b: Equation: 72,75-a*ln(1+b*x) Weighting:

Y No weighting Chi^2/DoF R^2

En un fluido cada molécula interacciona con las que le rodean. El radio de acción de las fuerzas moleculares es relativamente pequeño, abarca a las moléculas vecinas más cercanas. Vamos a determinar de forma cualitativa, la resultante de las fuerzas de interacción sobre una molécula que se encuentra en



A, el interior del líquido



B, en las proximidades de la superficie



C, en la superficie

Consideremos una molécula (en color rojo) en el seno de un líquido en equilibrio, alejada de la superficie libre tal como la A. Por simetría, la resultante de todas las fuerzas atractivas procedentes de las moléculas (en color azul) que la rodean, será nula. En cambio, si la molécula se encuentra en B, por existir en valor medio menos moléculas arriba que abajo, la molécula en cuestión estará sometida a una fuerza resultante dirigida hacia el interior del líquido. Si la molécula se encuentra en C, la resultante de las fuerzas de interacción es mayor que en el caso B. Las fuerzas de interacción, hacen que las moléculas situadas en las proximidades de la superficie libre de un fluido experimenten una fuerza dirigida hacia el interior del líquido. Como todo sistema mecánico tiende a adoptar espontáneamente el estado de más baja energía potencial, se comprende que los líquidos tengan tendencia a presentar al exterior la superficie más pequeña posible. Ya hemos mencionado las fuerzas de interacción, pero aún no hemos aclarado la causa de este comportamiento en los líquidos. Para dar una explicación clara a este comportamiento, hay que definir antes dos nuevos conceptos: La adherencia y la cohesión.

La cohesión

Se define como la fuerza de atracción entre partículas (como son las moléculas que forman los líquidos) de la misma clase. Si tenemos dos partículas de forma aislada como en la siguiente figura, cada una de ellas se verá afectada por una fuerza que tiende a juntarlas y aproximarlas entre sí.

La adherencia

La adherencia se define como la atracción mutua entre superficies de dos cuerpos puestos en contacto. Cerca de cuerpos sólidos tales como las paredes de una vasija, canal o cauce que lo contenga, la superficie libre del líquido cambia de curvatura de dos formas distintas a causa de la adherencia y cohesión. Si se suspende de una platilla de una balanza un disco de vidrio en posición horizontal; después de equilibrarlo en el otro platillo se inclina la cruz hasta que el disco toque la superficie del agua contenida en un vaso; cargando entonces el platillo se ve que el disco comienza a elevarse arrastrando una columna de agua, que acaba de romperse, quedando el disco mojado. Se dice en este caso que el agua moja al disco. Fig. 9. Ej. De Adherencia. La capa del líquido se adhiere al disco y el resto asciende ayudado por la cohesión. Como la capa de agua se rompe, se deduce que en este caso la adherencia es mayor que la cohesión. Si en vez de agua se realiza la misma prueba con mercurio, vemos como el agua no moja al sólido. Aquí la capa líquida se deprime hacia las paredes. En este otro caso deducimos que la cohesión es mayor que la adherencia, no llegando a romperse la barra líquida. Vemos pues como en el efecto de la capilaridad de los líquidos actúa la adherencia y la cohesión.

Como ejemplo de cómo actúan las fuerzas de adherencia y cohesión, hagamos la siguiente prueba. Tomemos unas bolas de caucho flotando sobre el agua de forma que algunas de ellas estén recubiertas de aceite (en este caso el agua no las mojará). Las bolas así dispuestas, se atraerán o se repelerán según estén o no en las mismas condiciones tal y como se muestra en la siguiente ilustración. Coeficiente de tensión superficial

Se puede determinar la energía superficial debida a la cohesión mediante el dispositivo de la figura. Una lámina de jabón queda adherida a un alambre doblada en doble ángulo recto y a un alambre deslizante AB. Para evitar que la lámina se contraiga por efecto de las fuerzas de cohesión, es necesario aplicar una fuerza F al alambre deslizante.

Ejemplo. La fuerza F es independiente de la longitud x de la lámina. Si desplazamos el alambre deslizante una longitud x, las fuerzas exteriores han realizado un trabajo Fx, que se habrá invertido en incrementar la energía interna del sistema. Como la superficie de la lámina cambia en S=2dx (el factor 2 se debe a que la lámina tiene dos caras), lo que supone que parte de las moléculas que se encontraban en el interior del líquido se han trasladado a la superficie recién creada, con el consiguiente aumento de energía. Si llamamos a  la energía por unidad de área, se verificará que La energía superficial por unidad de área o tensión superficial se mide en J/m2 o en N/m.

La tensión superficial depende de la naturaleza del líquido, del medio que le rodea y de la temperatura. En general, la tensión superficial disminuye con la temperatura, ya que las fuerzas de cohesión disminuyen al aumentar la agitación térmica. La influencia del medio exterior se comprende ya que las moléculas del medio ejercen acciones atractivas sobre las moléculas situadas en la superficie del líquido, contrarrestando las acciones de las moléculas del líquido. Líquido

 (10-3 N/m)

Aceite de oliva

33.06

Agua

72.8

Alcohol etílico

22.8

Benceno

29.0

Glicerina

59.4

Petróleo

26.0

Fig. 12. Tensión superficial de los líquidos a 20ºC.

Medida de la tensión superficial de un líquido La tensión superficial del líquido se calcula a partir del diámetro 2R del anillo y del valor de la fuerza ΔF que mide el dinamómetro. El líquido se coloca en un recipiente, con el anilloFig.13. Medición de la Tensión S. Inicialmente sumergido. Mediante un tubo que hace de sifón se extrae poco a poco el líquido del recipiente. El método de Du Nouy es uno de los más conocidos. Se mide la fuerza adicional ΔF que hay que ejercer sobre un anillo de aluminio justo en el momento en el que la lámina de líquido se va a romper.

1. El comienzo del experimento 2. Cuando se va formando una lámina de líquido. 3. La situación final, cuando la lámina comprende únicamente dos superficies (en esta situación la medida de la fuerza es la correcta) justo antes de romperse.

Si el anillo tiene el borde puntiagudo, el peso del líquido que se ha elevado por encima de la superficie del líquido sin perturbar, es despreciable. No todos los laboratorios escolares disponen de un anillo para realizar la medida de la tensión superficial de un líquido, pero si disponen de portaobjetos para microscopio. Se trata de una pequeño pieza rectangular de vidrio cuyas dimensiones son a=75 mm de largo, b=25 mm de ancho y aproximadamente c=1 mm de espesor, su peso es aproximadamente 4.37 g. Se pesa primero el portaobjetos en el aire y a continuación, cuando su borde inferior toca la superficie del líquido. La diferencia de peso ΔF está relacionada con la tensión superficial Fig. 15. Ejemplo de cálculo. Tensión S. ΔF=2·γ(a+c) Se empuja el portaobjetos hacia arriba cuasiestáticamente. Justamente, cuando va a dejar de tener contacto con la superficie del líquido, la fuerza F que hemos de ejercer hacia arriba es igual a la suma de:



El peso del portaobjetos mg



La fuerza debida a la tensión superficial de la lámina de líquido que se ha formado 2·γ(a+c)



El peso del líquido ρgach que se ha elevado una altura h, sobre la superficie libre de líquido. Siendo ρ es la densidad del líquido. Para un portaobjetos de la dimensiones señaladas, que toca la superficie del agua, h es del orden de 2.3 mm (véase el artículo citado en las referencias)



La fuerza debida 3 ·(0.075+0.001)=11.07·10-3 N

a

la

tensión

superficial



El peso de la lámina de -3 deρgach=1000·9.8·0.075·0.001·0.0023=1.70·10 N

agua

es

2·γ(a+c)=2·72.8·10es

del

orden

Para que la simulación sea lo más simple posible, no se ha tenido en cuenta el peso de la lámina de líquido que se eleva por encima de la superficie libre.

Tensión superficial y fuerza capilar.- Son propiedades físicas que tienen un papel importante en la migración de hidrocarburos a través de las rocas de la corteza terrestre. La tensión superficial del petróleo que contenga gas disuelto es extremadamente baja “las bajas tensiones superficiales tienden a disminuir los efectos de la fuerza capilar en el desplazamiento de petróleo crudo, en medios porosos mediante gases a alta presión”. El agua tiene mayor fuerza capilar que el petróleo; en consecuencia, puede esperarse que el agua ocupe los poros más pequeños, forzando al petróleo hacia los poros mayores.