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CURSO: FISICO-QUÍMICA METALÚRGICA

1ER INFORME: TENSION SUPERFICIAL DOCENTE:

ING. MARÍA FLOR SUÁREZ SÁNCHEZ

ALUMNO:

RAMIREZ HUAMAN, JUAN ALBERTO CÓDIGO: 20160690J FECHA DE ENTREGA: 24/09/2018

ALUMNO: RAMIREZ HUAMAN, JUAN ALBERTO DOCENTE: MARIA FLOR

SUAREZ SANCHEZ CURSO: FISICO QUIMICA METALURGICA

FECHA DE ENTREGA: 24/09/18

1ER INFORME: TENSION

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OBJETIVO

 Mediante el uso de métodos estáticos y dinámicos determinar la tensión superficial de ciertos líquidos.

 Observar experimentalmente en el método del ascenso capilar que altura asciende la solución dentro del capilar.  Realizar el goteo con cierta cantidad de gotas, calcular el volumen y la masa de las 50 gotas tituladas.

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TRABAJO EXPERIENTAL

1. Determinación de la Tensión Superficial por Método del Ascenso Capilar a. Primero pesamos la muestra(Co(NO3)2) dentro del vaso de precipitado. b. Previamente se debe haber pesado el vaso solo. c. Luego se realiza el montaje del capilar, el cual consiste en colocar el capilar de forma vertical dentro de la solución evitando que toque la base del vaso. d. Se debe observar que altura asciende la solución dentro del capilar respecto a la superficie de dicha solución.

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2. Determinación de Tensión Superficial por el Método del peso y volumen de la Gota a. Preparamos una bureta limpia, y la llenamos con cierta cantidad del líquido a estudiar. b. Pesamos el matraz vacío en una balanza. c. Dejar caer un chorro hasta que haya un goteo continuo y luego colocar el matraz y calcular 50 gotas, luego detener el goteo. d. Anotamos el descenso del volumen en la bureta. e. Pesamos la masa del matraz conteniendo las 50 gotas. f. Anotamos el descenso del volumen en la bureta.

g. Pesamos la masa del matraz conteniendo las 50 gotas.

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3. Determinación de la densidad de un líquido a. Para este experimento utilizaremos un juego de densímetros.

b. Llenar la probeta del juego de densímetros y probar los densímetros hasta encontrar el indicado.

c. Anotar la medida al encontrar el densímetro indicado

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CÁLCULOS Y RESULTADOS

1. Medida de Densidades a. ¿Qué aproximación se obtuvo en la medida de la densidad del líquido estudiado con respecto a su valor teórico, si difieren los valores indique cuáles serían las razones para este resultado? 𝑂𝑏𝑡𝑢𝑣𝑖𝑚𝑜𝑠 𝑒𝑛 𝑒𝑙 𝑒𝑥𝑝𝑒𝑟𝑖𝑚𝑒𝑛𝑡𝑜 𝑚(50𝑔𝑜𝑡𝑎𝑠) = 2.31 𝑔 𝑉 (50 𝑔𝑜𝑡𝑎𝑠) = 2,20 𝑚𝐿 𝑚 𝜌= 𝑉 2.31 𝜌= 2.20 𝑔 𝜌 = 1.05 𝑚𝐿

No ifiere mucho de lo encontrado con el densímetro que fue ρ=1.01. Calculamos el error: 𝑒=

1.05 − 1.01 𝑥100% 1.05 𝑒 = 3.8%

Lo cual resulta ser un error pequeño, por lo tanto el cálculo con el densímetro se hizo de forma correcta. b. ¿Qué otro método podría utilizar para su medición? Otro método sería utilizando un picnómetro de vidrio:  Un picnómetro de vidrio es un pequeño frasco de vidrio de volumen exacto y conocido (Vp). Se pesa el picnómetro vacío, limpio y seco (m1). FIGMM

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 Con la muestra a la temperatura previamente establecida, llene el picnómetro hasta el borde inferior del cuello, sosteniéndolo en alto y evitando el derrame de la muestra.  Coloque la tapa respectiva (el brazo lateral de algunos picnómetros permite la salida del excedente de muestra) seguidamente, limpie y seque el cuerpo del picnómetro cuidando de emplear papel absorbente libre de pelusas.  Pese el picnómetro lleno (m2) y anote la temperatura de trabajo.  A través de la diferencia entre m1 y m2 se obtiene la masa del líquido y según la capacidad del picnómetro se conoce el volumen a la temperatura de trabajo (t).  Una vez concluida la actividad, vaciar el contenido del picnómetro y lavar, si es necesario. 𝜌=

𝑚1 − 𝑚2 𝑉𝑝

2. Medida de Tensión superficial a. Con los resultados obtenidos en cada método compare los respectivos valores de tensión superficial para cada líquido indicado.

Con capilares: 𝛾= (10 × 10−3𝑚) (9.81 𝛾=

ℎ𝑔𝑟𝜌 2 cos 𝜃

𝐾𝑔 𝑚 ) (0.5 × 10−3𝑚) (1.05 × 103 3) 2 𝑠 𝑚 2 cos 0°

𝛾 = 0.0257

𝑁 𝑚

Aplicando la Ley de Tate para las gotas: 𝑚𝑔 = 2𝜋𝑟𝛾𝑓

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1ER INFORME: TENSION 𝛾=

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𝑚𝑔 2𝜋𝑟𝑓

𝑚 ) 𝑠2 2𝜋(0.8 × 10−3𝑚)(1)

(2.31 × 10−3𝐾𝑔) (9.81 𝛾=

𝛾 = 4,794

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𝑁 𝑚

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CUESTIONARIO

1. Desde un punto de vista metalúrgico. ¿Por qué es importante la determinación de la tensión superficial de un líquido? Cite aplicaciones. La tensión superficial es una propiedad física de los líquidos y se define como la fuerza resultante que actúa en un plano tangente a la superficie, por unidad de longitud. Diversos materiales tienen ciertas características que dependen de la naturaleza y extensión de su superficie, como la tensión superficial, el coeficiente de adsorción, etc. Aquellas que se pueden cuantificar se designan como propiedades, o coordenadas, superficiales y son objeto de estudio de la llamada Fisicoquímica de las superficies. De hecho, salvo que la fase se encuentre en el vacío, cualquier fase de un sistema está en contacto real con otra. En la frontera que las separa, ocurren ciertos fenómenos debidos a la naturaleza desigual de ambas, fenómenos que no se verifican de manera similar en el interior de cada una. Su campo de aplicación es muy diverso, como ser: Una de las aplicaciones más importantes en el sector metalúrgico es la adsorción, las cuál principalmente ayuda en la flotación de minerales

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Adsorción: El fenómeno de adsorción es el proceso por el cual átomos o moléculas de una sustancia que se encuentra en determinada fase, son retenidos en la superficie de otra sustancia, que se encuentra en otra fase. Como resultado de este proceso, se forma una capa de líquido o gas en la superficie de una sustancia sólida o líquida.

- Agentes tenso activos, en jabones y detergentes, adhesivos y lubricantes; es a través de la química de superficies que se puede entender por qué un jabón lava.

- El estudio de los sistemas coloidales conduce a importantes avances en el proceso de los alimentos, en la química del suelo y en las industrias del papel, las pinturas y la goma.

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- La química de superficies jugó un rol importante en la electroquímica y en el desarrollo de inhibidores de la corrosión química.

- La catálisis heterogénea se emplea en la mayoría de las industrias químicas, desde la síntesis del amoniaco a la producción de la gasolina y los polímeros.

2. ¿Que trata el estudio de la física química de superficies? La fisicoquímica de superficies es la ciencia que estudia los fenómenos físicos y químicos que se producen en las interfases, es decir en la superficie que determinan dos fases. La importancia de las superficies se reconoció desde muy temprano. Ya, hace una centuria que se podía determinar la tensión superficial de los líquidos, la adsorción de gases en sólidos porosos, la evaporación de los sólidos, etc. Gibbs desarrolló muchos de los conceptos de la FIGMM

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termodinámica de superficies que utilizamos hoy. La adsorción y las interacciones superficie-gas se llegaron a entender mejor con el desarrollo de las bombillas eléctricas y posteriormente con las máscaras de gas. El desarrollo de las diferentes técnicas de caracterización superficial proporcionó mucha información microscópica acerca de las superficies (áreas superficiales, porosidad, calores de adsorción, velocidades y energías de activación de las reacciones superficiales, etc.) El desarrollo de la química de superficies no fue rápido ni fácil, por las dificultades que presenta, pues un objeto normal tiene muy poca superficie comparado con su volumen; es decir, tiene muy pocas moléculas en su superficie con relación a las moléculas del objeto en total. En estas circunstancias no se manifiestan los fenómenos superficiales y por el escaso número de átomos o moléculas no es posible utilizar las técnicas corrientes.

3. Trate sobre la capilaridad y relación entre la intensidad de las fuerzas de adhesión y cohesión. Cuando un líquido está en un recipiente, sobre las moléculas próximas a las paredes actúan, además de las fuerzas de cohesión, debidas a otras moléculas del líquido, las fuerzas llamadas de adhesión debidas a la interacción de las moléculas del líquido con las moléculas del recipiente. Dependiendo de la magnitud de estas fuerzas, la superficie del líquido se curva más o menos en la proximidad de las paredes del recipiente. Si predominan las fuerzas de adhesión (figura a: comportamiento típico del agua), la superficie libre del líquido es cóncava; en caso contrario (figura b: caso del mercurio) será convexa.

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El ángulo de contacto , es una medida cuantitativa de la interacción líquido-sólido. Se define como el ángulo formado por la superficie sólida (pared) y la tangente a la superficie líquida en el punto de contacto, r. Cuando las fuerzas cohesivas predominan , se dice que el líquido "no moja" la superficie y se forman meniscos convexos (figura b). Cuando predominan las fuerzas adhesivas , se dice entonces que el líquido "moja" la superficie sólida y se forman meniscos cóncavos (figura a). En la tabla 2, se pueden observarse valores del ángulo de contacto para diversas superficies de separación líquido-sólido.

La adhesión es la propiedad de la materia por la cual se unen y plasman dos superficies de sustancias iguales o diferentes cuando entran en contacto, y se mantienen juntas por fuerzas intermoleculares. La adhesión ha jugado un papel muy importante en muchos aspectos de las técnicas de construcción tradicionales. La adhesión del ladrillo con el mortero (cemento) es un claro ejemplo. La cohesión es distinta de la adhesión. La cohesión es la fuerza de atracción entre partículas adyacentes dentro de un mismo cuerpo, mientras que la adhesión es la interacción entre las superficies de distintos cuerpos.

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4. Defina los siguientes términos: Dispersante: Un dispersante es un aditivo que se utiliza para lograr que un soluto tenga distribución y dispersión en un disolvente.En la industria se emplean muchos tipos de dispersantes y plastificantes. Algunas de las aplicaciones son: la automoción, detergentes, polímeros, etc. Humectante: Tenso activo que, agregado al agua, reduce su tensión superficial y promueve la humectación haciendo que el agua penetre más fácilmente en otro material o se extienda más fácilmente sobre su superficie. Los jabones y alcoholes son los principales agentes humectantes. Sustancia que tiene afinidad por el agua, con acción estabilizante sobre el contenido de agua de un artículo. Un humectante retiene un contenido de humedad que varía poco, respecto a las fluctuaciones de la humedad del medio.

Surfactante: FIGMM

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También llamado tensoactivo. son sustancias que influyen por medio de la tensión superficial en la superficie de contacto entre dos fases. En función de su mayor o menor dispersión en agua, y su mayor o menor estabilización de las micelas o coloides, los tensoactivos se emplean como emulsionantes, detergentes o solubilizantes. 5. Trate brevemente sobre los sobre los diversos mecanismos de adhesión. -Adhesión mecánica Los materiales adhesivos rellenan los huecos o poros de las superficies manteniendo las superficies unidas por enclavamiento. Existen formas a gran escala de costura, otras veces a media escala como el velcro y algunos adhesivos textiles que funcionan a escalas pequeñas. Es un método similar a la tensión superficial. Ejemplos: Asperizacion de superficies, grabado de acido esmalte. -Adhesión química Dos materiales pueden formar un compuesto al unirse. Las uniones más fuertes se producen entre átomos donde hay permutación (enlace iónico) o se comparten electrones (enlace covalente). Un enlace más débil se produce cuando un átomo de hidrógeno que ya forma parte de una partícula se ve atraída por otra de nitrógeno, oxígeno o flúor, en ese caso hablaríamos de un puente de hidrógeno. La adhesión química se produce cuando los átomos de la interfaz de dos superficies separadas forman enlaces iónicos, covalentes o enlaces de hidrógeno . Ejemplos: enlace iónico, enlace covalente, interacción dipolo – dipolo, etc. -Adhesión dispersa En la adhesión dispersiva, dos materiales se mantienen unidos por las fuerzas de van der Waals: la atracción entre dos moléculas, cada una de las cuales tiene regiones de carga positiva y negativa. En este caso, cada molécula tiene una región de mayor carga positiva o negativa que se une a la siguiente de carga contraria. Este efecto puede ser una propiedad permanente o temporal debido al movimiento continuo de los electrones en una región.

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-Adhesión electrostática Algunos materiales conductores dejan pasar electrones formando una diferencia de potencial al unirse. Esto da como resultado una estructura similar a un condensador y crea una fuerza electrostática atractiva entre materiales. Ejemplos: condensadores y resistores -Adhesión difusiva Algunos materiales pueden unirse en la interfase por difusión. Esto puede ocurrir cuando las moléculas de ambos materiales son móviles y solubles el uno en el otro. Esto sería particularmente eficaz con las cadenas de polímero en donde un extremo de la molécula se difunde en el otro material. También es el mecanismo implicado en sinterización. Cuando el metal o cerámica en polvo se somete a presión y se calienta, los átomos difunden de una partícula a otra. Esto hace que se homogenice el material. 6. ¿ Por que se afirma que el agua es uno de los liquidos con mayor tensión superficial? Esto se debe a que las fuerzas intermoleculares de atracción entre las moléculas de agua se deben a los enlaces puente hidrogeno y estos representan una alta energía, la tensión superficial del agua es mucho mayor que la de muchos líquidos .

7. Explique los efectos de los cambios de temperatura y de la estructura molecular sobre la tensión superficial. El valor de la tensión superficial disminuye al aumentar la temperatura, esto es porque aumenta la agitación térmica, es decir que las moléculas que conforman el líquido aumentan su movimiento. La estructura atómica influye e las fuerzas intermoleculares, o sea la fuerza de cohesión varía en las diferentes estructuras atómicas, y estas afectan la tensión superficial.

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8. ¿Por qué el agua del mar se ve color azul, si es transparente? Al agua le es más sencillo absorber las ondas largas que las cortas, por eso los tonos que reflejan estas entran primero y no quedan visibles mientras que las últimas, las azules, si dejan su reflejo y le dan su tono característico. Las ondas largas, reflejan colores rojos, mientras que las cortas muestran tonos violetas. Lo sobrante del espectro, se lo lleva el azul. No todos los océanos son del mismo color, incluso hay aguas que parecen más verdes que azules. Eso se debe a que la luz choca primero contra elementos como algas y sedimentos, antes de reflejarse en el mar.

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De la misma forma que cuando pasamos un haz de luz por un prisma. El prisma transparente separa las distintas frecuencias de onda de la luz y nos permite ver todas las longitudes de onda de la luz . 9. ¿Cuándo es aplicable la energía libre interfacial? Por definición, la energía interfacial o energía libre interfacial es G = G0 + A·γ y se entiende como el exceso de Energía libre de Gibbs que aparece como consecuencia de la existencia de una intercara de área A. Otra manera de verlo, es pensar que es el trabajo necesario para crear una intercara de área unidad a presión y temperaturas constantes. Para entender la variación de éste concepto, se suele recurrir a las pompas de jabón que se forman en una línea cerrada de alambre o similar, puesto que es un ejemplo fácilmente medible e imaginable. Si consideramos una línea de alambre rectangular, en la que uno de los lados es móvil, y en donde F es la fuerza necesaria para mantener la barra en la posición inicial

:

Si movieramos el lado móvil una distancia dx, produciríamos una variación de área de la superficie jabonosa dA realizando un trabajo:

Por lo que si γ no es función de A, vemos que F = γ.

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En líquidos podemos considerar que γ no es función de A, puesto que no hay fuerzas tangenciales. Sin embargo, en los sólidos la viscosidad es mucho más elevada, por lo que puede ocurrir que no se cumpla la igualdad anterior. Esto se debe a que para viscosidades más altas, los átomos necesitan mucha más energía para reordenarse, por lo que es más difícil que se produzca la transferencia de átomos entre la superficie y el volumen necesaria para que se mantenga la estructura superficial. Pero teniendo en cuenta que en muchos casos de interés la movilidad de los átomos no será tan reducida debido a que se producen a altas temperaturas cercanas a la de fusión, es posible aceptar que la fuerza F = γ, pero siempre recordando que se mantenga esta condición. De esta forma, vemos que la energía interfacial depende del tipo de estructura que estudiemos y del plano en el que se encuentra la superficie, puesto que el número de enlaces rotos varía mucho. Como mostramos en la siguiente figura, el número de enlaces rotos es mucho mayor en la primera imagen que en la segunda, por lo que la energía interfacial será mayor:

10. ¿En términos de la tensión superficial, por que las gotas de los diferentes líquidos suelen ser de diferente tamaño? Dentro del método del peso de la gota encontramos que las gotas no son iguales, factores como la gravedad o la mojabilidad del capilar por el que cae un líquido afectan a la forma de las gotas, haciendo que algunas sean más grandes o alargadas.

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Debido a estas alteraciones en las gotas, Harkins y Brown introdujeron el factor de corrección (f), el cuál es una constante en funciones de las características del capilar y este corrige el error producido durante el experimento.

11. ¿Cómo se expresa la concentración del agua oxigenada? La concentración del agua oxigenada se expresa en volúmenes y porcentaje "Agua oxigenada 10 volúmenes" significa que 1 litro de la solución produce 10 litros de O2 en condiciones normales de presión y temperatura. “Agua oxigenada al 3%” significa que en un litro de disolución hay 30 mililitros de H2O2 y 970 mililitros de agua destilada. Químicamente, ambos productos son el mismo (fórmula basada en ocupación del gas, moles y masas molares y sabiendo que cada mol de Oxígeno proviene de la descomposición de 2 moles de Peróxido de Hidrógeno). Por lo tanto, la equivalencia de los diferentes tipos de Agua oxigenada es la siguiente: Concentración al 3% = 10 volúmenes (la de farmacia) Concentración al 8% = 30 volúmenes Concentración al 30% = 110 volúmenes

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CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES

 La tensión superficial es una propiedad física que se puede determinar experimentalmente de dos formas, mediante el ascenso capilar y el método del peso y volumen de la gota.  Si los métodos y los cálculos se realizan correctamente el error para determinar la tensión superficial es mínimo.  Los tamaños de la gota de diferentes líquidos tendrán diferente tamaño, esto debido al tipo fuerzas intermoleculares que actúen en ellos.  Hay que tener mucho cuidado a la hora de la medición con el densímetro, ya que un mal uso de esta causa una gran desviación en la densidad real.  El método de las gotas fue efectivo para obtener la tensión superficial, varío muy poco con respecto a la tensión real.  La física química de superficies es un tema muy importante a evaluar dentro del sector metalúrgico, por la tensión superficial y la adsorción.

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BIBLIOGRAFIA

 Castellan, Gilbert W., “Fisicoquímica", Ed. Pearson, pág. 433, tema 18, Fenómenos superficiales.  Chang, Raymond (2002). “Química”, 7ª edición; Cedro Núm.512 Atlampa. México, D. F.: McGraw-Hill. pag. 425.

 Ira N. Levine; "Fisicoquímica" Volumen 1; Quinta edición; 2004; Mc Graw Hill.  J. Bertran Rusca, J. Núñez Delgado (2002). “Química Física”. Ariel, Barcelona.

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