Tensión superficial

UNIVERSIDAD NACIONAL AUTÓNOMA DE MÉXICO FACULTAD DE ESTUDIOS SUPERIORES CUAUTITLÁN QUÍMICA INDUSTRIAL

LABORATORIO DE FENÓMENOS DE SUPERFICIE E IONES EN SOLUCIÓN PROFESORA: JUANA CABRERA HERNÁNDEZ GRUPO: 1401-A

ACTIVIDAD EXPERIMENTAL No.1 “DETERMINACIÓN DE LA TENSIÓN SUPERFICIAL DE LÍQUIDOS PUROS POR EL MÉTODO DE ELEVACIÓN CAPILAR”

Fecha de entrega: 22 de Agosto del 2016 Introducción Dentro del cuerpo de un líquido alrededor de una molécula actúan atracciones casi simétricas. En la superficie, sin embargo, dicha molécula se encuentra sólo parcialmente rodeada por otras y en consecuencia experimenta una atracción hacia el cuerpo líquido, esta atracción tiende a arrastrar las moléculas superficiales hacia el interior, y al hacerlo el líquido se comporta como si tuviera rodeada una membrana invisible. Esta conducta se llama tensión superficial y es el efecto responsable de la resistencia que un líquido representa a la penetración superficial, observable en la forma casi esférica de las gotas de lluvia, la forma esférica de las partículas de mercurio situadas en una superficie lisa, el ascenso de los líquidos en los tubos capilares y la flotación de los metales en superficies líquidas. Y para ser más precisos, se considera como la tendencia de un líquido a disminuir su superficie hasta un punto en que su energía de superficie potencial es mínima, condición necesaria para que el equilibrio sea estable. Por esa razón para la determinación de la tensión superficial será por el método de elevación y depresión capilar que consiste; en sumergir un tubo capilar en un líquido, el líquido alcanza diferentes niveles en el interior y en el exterior del tubo, ya que la interfaz líquido-vapor se curva hacia dentro del tubo y se aplana hacia afuera, el efecto de la gravedad sobre el sistema, la tensión superficial y las densidades relativas de las dos fases.

● ● ●

Objetivos Comprender el fenómeno de tensión superficial, así como el concepto de capilaridad. Determinar experimentalmente los valores de tensión superficial de líquidos puros, y observar qué variables afectan la medición de esta propiedad. Investigar otros métodos utilizados para la determinación de la tensión superficial.

Desarrollo experimental Equipos, reactivos y materiales. Material 1 tensiómetro capilar completo 1 vaso de precipitados de 1 L 4 vasos de precipitados de 50 mL 1 propipeta de 20 mL 1 piseta 1 picnómetro 10 mL

Equipo 1 parrilla con agitación magnética

Reactivos Metanol 50 mL Etanol 50 mL Propanol 50 mL Benceno 50 mL Cloroformo 50 mL

Diagrama de flujo Desarrollo Experimental

Colocar 50 ml del disolvente en el tensiómetro

Hacer coincidir el nivel del disolvente con el 0 del tubo capilar. Determinar el radio del tubo capilar con un disolvente cuyo valor de “TS” sea conocido

Determinar la altura que asciende por el tubo capilar de cada disolvente.

Determinar la densidad y anotar la temperatura de trabajo (cada disolvente)

Hacer los cálculos para obtener TS y comparar con los reportados a la bibliografía.

Tratamiento de residuos

Los disolventes puros utilizados se pueden regresar (evitar contaminarlos), etiquetar y almacenarlos correctamente (residuos).

Para los líquidos polares utilizar agua y para los no polares utilizar cloroformo

Resultados

Tabla 1. Valores de densidad y tensión superficial para distintos disolventes a una temperatura de 22ºC Disolvente

Radio del capilar (r) cm

Densidad (ρ) g/cm3

Altura (h) cm

7.075

Tensión superficial Experimental (�) dina/cm 72.65

Tensión superficial reportada (�) dina/cm 72.8

Agua destilada Metanol Etanol Propanol Benceno

0.021

0.997

0.021 0.020 0.020* 0.021

0.7920 0.809 0.8005 0.8826

2.825 2.9 2.7 3.1

23.04 23.01 21.20 28.1

22.6 22.75 24.2 28.9

*Se determinó el radio del capilar utilizando agua (al trabajar con disolventes polares) al cambiar de disolvente por lo que la altura alcanzada por el agua en el capilar varió un poco en cada medición, afectando así el valor del radio al trabajar con este disolvente

Tabla 2. Comparación de los resultados de tensión superficial para cada uno de los disolventes. Disolvente Tensión Tensión Tensión superficial Error superficial superficial Poisson-Rayleigh dina/cm experimental bibliográfica γ =¿ dina/cm γ =¿ dina/cm γ =¿ dina/cm Agua destilada 72.65 72.8 72.7292 0.079 Metanol 23.04 22.6 23.1032 0.0632 Etanol 23.01 22.75 23.0680 0.053 Propanol 21.20 24.4 21.2550 0.055 Benceno 28.1 28.9 28.2462 0.1462

Análisis de resultados Primeramente se realizó la determinación del radio del capilar utilizado mediante la ecuación:

r=

2( γ ) hgⲣ

utilizando agua al trabajar con disolventes polares, y cloroformo al

trabajar con disolventes no polares, a una temperatura de 22ºC. El valor de densidad (ρ)del agua a la temperatura de trabajo reportado en la literatura es de 0.997 g/cm3, la tensión superficial (γ ) reportada es de 72.8 dinas/cm y la altura (h) mostrada en el capilar alcanzada por el agua generalmente fue de 7 cm y se conoce que la aceleración de la gravedad (g) tiene un valor de 981 cm/s 2. Sustituyendo los valores en la ecuación nos da un valor aproximado de r=0.021 cm (Ver anexos inciso a). En el caso de la determinación del radio del capilar para disolventes no polares, este se realizó utilizando cloroformo el cual tiene un valor de tensión superficial de 28.2 dina/cm y una densidad de 1.484 g/cm3 el valor de la altura alcanzada por el cloroformo en el capilar fue de 1.8 cm y que la aceleración de la gravedad es de 981 cm/s 2. Al sustituir los valores en la ecuación nos da un valor de r=0.021 cm (Ver anexos inciso a). Los valores del radio del capilar se observan en la Tabla 1. Se determinó también la densidad de cada uno de los disolventes utilizados, a excepción del agua, utilizando un picnómetro. Posteriormente se realizaron las medidas, por cuadruplicado, de la altura alcanzada por el disolvente en el capilar y se les calculó un promedio que es el que se registra en la Tabla 1. El cálculo de la tensión superficial experimental se realizó con la ecuación:

γ=

rhgρ (Ver anexos inciso b) sustituyendo los 2

valores correspondientes para cada disolvente. Los resultados obtenidos pueden verse también en la Tabla 1. Si se comparan los valores de tensión superficial experimental con los reportados en la literatura puede observarse que éstas difieren un poco, esto es debido a la temperatura a la que se trabajó (22ºC) ya que los valores tensión superficial reportados se encuentran a una temperatura de 20ºC. Otro motivo de esta variación es la densidad, debido a que esta se determinó experimentalmente empleando un picnómetro y no se tomó en cuenta la densidad reportada en la literatura para los disolventes a la temperatura de 22ºC. Por último se calculó el error involucrado en la ecuación de Poisson-Rayleigh

γ=

γ=

rhgρ mediante la ecuación 2

2 3 ρgr r 0.1288 r 0.1312r + ( h+ − ) la cual estima el error en la 2 2 3 h h

tensión experimental. Para esto se calculó el valor de tensión superficial con la ecuación de Poisson-Rayleigh para cada disolvente y posteriormente se le restó el valor de tensión superficial experimental correspondiente (Ver anexos inciso C) obteniéndose los valores reportados en la Tabla 2. Se puede observar en esta tabla que los valores de error calculados a partir de la ecuación de Poisson-Rayleigh son pequeños, siendo el menor de

ellos el valor de 0.053 dina/cm en el caso del etanol y el mayor de 0.1462 dina/cm en el caso del benceno.

Conclusiones ●

Se determinaron los valores de tensión superficial de líquidos puros tales como el metanol, etanol, propanol, benceno y agua, por medio del método de elevación capilar, notándose que estos valores obtenidos experimentalmente varían según los reportados en la literatura, ya que el experimento fue realizado a 22°C, por lo que la temperatura es una variable que afecta ésta propiedad en los líquidos

BIBLIOGRAFÍA ● ● ●

Ander, P. & Sonnessa, A. J. (1982). Principios de química: introducción a los conceptos teóricos. México: Limusa. Castellan, G. W. (1987). Fisicoquímica (2da ed.). México: Pearson. Levine, I. (2004). Fisicoquímica (5ta ed., Vol. 1). Madrid, España: Mc Graw Hill.

ANEXOS a) Cálculo del radio del capilar

r=

2(γ ) hgρⲣ

Agua:

r=

2(72.8 dina / cm) =0.021 cm 2 3 (7 cm)(981 cm/ s )(0.997 g / cm )

Cloroformo:

r=

2(28.2 dina / cm) =0.021 cm 2 3 (1.8 cm)(981 cm/ s )(1.484 g / cm )

b) Cálculo de la tensión superficial del capilar (experimental) ●

Agua 2

γ= ●

3

(7.075 cm)(981 cm/ s )(0.021)(0.997 g/ cm❑ ) =72.6574 dina / cm 2

Metanol 2

γ= ●

3

(2.825 cm)(981 cm/ s )(0.021)(0.7920 g /cm❑ ) 23.04 dina/ cm 2

Etanol 2

γ= ●

3

(2.9 cm)(981 cm/ s )(0.020)(0.809 g/cm❑ ) =23.015 dina / cm 2

Propanol 2

3

2

3

(2.7 cm)(981 cm/ s )(0.020)(0.8005 g/ cm❑ ) γ= =21.20 dina / cm 2 ●

Benceno

(3.1 cm)( 981 cm/ s )(0.021)(0.8826 g / cm❑ ) γ= =28.1 dina / cm 2

c) Cálculo de la tensión superficial de por la ecuación de Poisson-Rayleigh

γ= ●

ρgr r 0.1288 r 2❑❑ 0.1312 r 3 h+ − + ( ) 2 3 h h2

Agua 3

2❑

(0.997 g /cm )(981 cm/s ❑ )(0.021 cm) ( γ= 2 2❑❑

0.021 cm 0.1288(0.021 cm) 7.075 cm+ − 3 7.075 cm γ =¿ 72.729 dina/cm

0.1312(0.021 cm)3 + ) (7.075 cm)2

Error=(tensión superficial Poisson-Rayleigh)-(tensión superficial experimental) Error=(72.729 dina/cm)-(72.6574 dina/cm)=0.0716 dina/cm

●

Metanol

(0.7920 g/cm 3 )(981 cm/s ❑2❑)(0.021 cm) ( γ= 2 2❑❑

0.021 cm 0.1288 (0.021 cm) 2.825 cm+ − 3 2.825 cm

0.1312(0.021 cm)3 + ) (2.825 cm)2

γ =¿ 23.1032 dina/cm Error=(tensión superficial Poisson-Rayleigh)-(tensión superficial experimental) Error=(23.1032 dina/cm)-(23.04 dina/cm)=0.0632 dina/cm ●

Etanol 3

2❑

(0.809 g/ cm )(981 cm/ s ❑ )(0.020 cm) ( γ= 2 2❑❑

0.020 cm 0.1288(0.020 cm) 2.9 cm+ − 3 2.9 cm

0.1312( 0.020 cm)3 + ) (2.9 cm)2

γ =¿ 23.0680 dina/cm

●

Error=(tensión superficial Poisson-Rayleigh)-(tensión superficial experimental) Error=(23.0680 dina/cm)-(23.015 dina/cm)=0.053 dina/cm Propanol

γ=

(0.8005 g/cm 3 )(981 cm/s ❑2❑)(0.020 cm) ( 2 2❑❑

2.7 cm+

●

0.020 cm 0.1288(0.020 cm) − 3 2.7 cm

3

+

0.1312(0.020 cm) (2.7 cm)2

)

γ =¿ 21.2550 dina/cm Error=(tensión superficial Poisson-Rayleigh)-(tensión superficial experimental) Error=(21.2550 dina/cm)-(21.20 dina/cm)= 0.055 dina/cm Benceno 3

2❑

(0.8826 g / cm )(981 cm/ s ❑ )(0.021 cm) ( γ= 2 2❑❑

0.021 cm 0.1288 (0.021 cm) 3.1 cm+ − 3 3.1 cm

0.1312(0.021 cm)3 + ) (3.1 cm)2

γ =¿ 28.2462 dina/cm Error=(tensión superficial Poisson-Rayleigh)-(tensión superficial experimental) Error=(28.2462 dina/cm)-(28.1 dina/cm)= 0.1462 dina/cm