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Universidad de San Carlos de Guatemala Facultad de Ingeniería Escuela de Ingeniería Química Laboratorio de: Química IV Impartido por: Ing. Ordoñez SECCION C

REPORTE No. 3 “TENSION SUPERFICIAL” SECCION 1. Resumen 2. Objetivos 3. Marco teórico 4. Marco Metodológico 5. Resultados 6. Interpretación resultados 7. Conclusiones 8. Bibliografía 9. Apéndice 9.1 Datos originales 9.2 Muestra de cálculo(incluye análisis de error) 9.3 Datos calculados.

PUNTUACION 10 5 5 5 15 30

PONDERACION

15 5 10 1 5

4

DILAN ARNULFO ZAMORA TOBAR Carné: 201212782 Guatemala, 27 de agosto del 2014

RESUMEN

En la práctica se midió la densidad y la altura a la cual subió por los tubos capilares con escala de la acetona (C3H6O), etanol (C2H6O), agua (H2O) con jabón líquido y agua (H2O) a diferentes temperaturas (5, 10, 15, 20, 30, 40 y 5 °C). Con estos datos se calculó la tensión superficial de cada líquido a determinada temperatura y se hicieron graficas de temperatura vs tensión superficial con las cuales se pudo hacer un modelo matemático que mostró la tendencia de la tensión superficial conforme la temperatura aumenta o disminuye. Además se estableció cualitativamente el tipo de enlace intermolecular que le corresponde a las tensiones superficial de cada líquido. Se llegó a que la tensión superficial disminuye conforme la temperatura aumenta, ya que el calor debilita las fuerzas intermoleculares de los líquidos. El etanol y la acetona presentan enlaces dipolo-dipolo, mientras que el agua con jabón tiene enlaces de hidrógeno debilitados por las fuerzas Van der Waals del jabón. Mientras que el agua tiene puentes de hidrógeno lo cual hace que tenga la tensión superficial más alta. . La práctica se realizó bajo las siguiente condiciones: temperatura y presión atmosférica de la ciudad de Guatemala a 25°C y 0.84 atm respectivamente.

OBJETIVOS

1. Calcular la tensión superficial de la acetona, etanol, agua con jabón y agua. 2. Establecer un modelo matemático que relacione la temperatura y la tensión superficial de cada líquido utilizado en la práctica. (Acetona, etanol, agua con jabón y agua). 3. Determinar la relación que hay entre el tipo de enlace intermolecular que hay entre los líquidos utilizados y la tensión superficial.

MARCO TEORICO TENSION SUPERFICIAL La tensión superficial (γ) es la cantidad de energía necesaria para estirar o aumentar la superficie de un líquido por unidad de área. Las unidades de la tensión superficial son J/m2. La tensión superficial es una propiedad de la materia cuya cuantificación puede ser obtenida con mayor facilidad en sustancias líquidas. La causa de la tensión superficial es que las fuerzas de las moléculas son diferentes en el interior del líquido y en la superficie. Las moléculas en la superficie de un líquido son atraídas hacia el interior del líquido debido a que la atracción de las moléculas subyacentes es mayor que la tensión ejercida por las moléculas de vapor del otro lado de la superficie. Esta atracción causa una contracción de la superficie y da lugar a una fuerza en el plano de la superficie cuya dirección se orienta hacia el interior del líquido. COHESIÓN Y ADHESIÓN Las moléculas en estado líquido experimentan una fuerte fuerza de atracción intermolecular. Cuando esas fuerzas son entre moléculas iguales, entonces las referimos como fuerzas cohesivas. Por ejemplo, las moléculas de una gota de agua se mantienen unidos por fuerzas de cohesión, y las fuerzas de cohesión, especialmente fuerte en la superficie constituye la tensión superficial. Cuando las fuerzas de atracción son entre moléculas diferentes, se dice que son fuerzas de adhesión. Las fuerzas de adhesión entre las moléculas de agua y las paredes de un tubo de vidrio, son más fuertes que las fuerzas cohesivas, con lo que se desarrolla un mecanismo de elevación del agua sobre las paredes de la vasija y contribuyendo por tanto a la acción capilar. Las fuerzas atractivas entre las moléculas de un líquido, se pueden considerar como fuerzas electrostáticas residuales y algunas veces son llamadas fuerzas de van der Waals o adherencia van der Waals.

CAPILARIDAD La capilaridad es una propiedad de los fluidos que depende de su tensión superficial la cual, a su vez, depende de la cohesión del líquido y que le confiere la capacidad de subir o bajar por un tubo capilar. Cuando un líquido sube por un tubo capilar, es debido a que la fuerza intermolecular o cohesión intermolecular entre sus moléculas es menor que la adhesión del líquido con el material del tubo; es decir, es un líquido que moja. El líquido sigue subiendo hasta que la tensión superficial es equilibrada por el peso del líquido que llena el tubo. Éste es el caso del agua, y esta propiedad es la que regula parcialmente su ascenso dentro de las plantas, sin gastar energía para vencer la gravedad. Sin embargo, cuando la cohesión entre las moléculas de un líquido es más potente que la adhesión al capilar, como el caso del mercurio, la tensión superficial hace que el líquido descienda a un nivel inferior y su superficie es convexa. FUERZAS INTERMOLECULARES Dentro de una molécula, los átomos están unidos mediante fuerzas intramoleculares (enlaces iónicos, metálicos o covalentes, principalmente). Estas son las fuerzas que se deben vencer para que se produzca un cambio químico. Son estas fuerzas, por tanto, las que determinan las propiedades químicas de las sustancias. Sin embargo existen otras fuerzas intermoleculares que actúan sobre distintas moléculas o iones y que hacen que éstos se atraigan o se repelan. Estas fuerzas son las que determinan las propiedades físicas de las sustancias como, por ejemplo, el estado de agregación, el punto de fusión y de ebullición, la solubilidad, la tensión superficial, la densidad, etc.

FUERZAS DE VAN DE WAALS Las fuerzas de van de Waals también conocidas como fuerzas de dispersión. Se encuentran en las moléculas de muy baja polaridad. Se originan como resultado de diversos movimientos de electrones, cuando una porción de la molécula en cierto instante se torna ligeramente negativa, en tanto que en otras regiones aparecen cargas positivas que son equivalentes a las negativas. FUERZAS DIPOLO-DIPOLO Son las fuerzas de atracción entre moléculas polares, es decir, entre moléculas que poseen momentos dipolares. A mayor momento dipolar mayor será la fuerza de atracción. FUERZA ION-DIPOLO Son las que atraen entre sí a un ion (ya sea catión o anión) y a una molécula polar. La intensidad de esta interacción depende de la carga y tamaño del ión, así como de la magnitud del momento dipolar y del tamaño de la molécula. PUENTE DE HIDROGENO Es un tipo especial de interacción dipolo-dipolo entre el átomo de hidrógeno de un enlace polar, y el átomo electronegativo. La fuerza de un puente de hidrógeno es determinada por la interacción coulómbica entre el par libre de electrones del átomo electronegativo y el núcleo de hidrógeno.

POLARIDAD Es una propiedad de las moléculas que representa la separacion de las cargas electricas dentro de la molécula, según el número y el tipo de enlaces que posea.

MARCO METODOLOGICO CRISTALERIA 1 Beacker de 500 ml Tubos capilares 1 mechero de bunsen 1 varilla de agitación 1 probeta de 100 ml 1 termómetro 2 beacker de 50 ml 1 pipeta de 5 ml. REACTIVOS Agua Etanol Acetona Agua-jabón PROCEDIMIENTO 1. Se armó el equipo 2. Se preparó una mezcla con agua y jabón. 3. Se tomó una muestra de 25 ml de agua con jabón y se colocó dentro un beacker de 100 ml. 4. Se llenó un beacker de 500 ml con agua hasta la mitad. 5. Se enfrió y calentó el agua del beacker de 100 ml y se colocó el beacker con agua y jabón en baño maría y se determinó la densidad cuando alcanzó las temperaturas deseadas (temperaturas (5, 10, 15, 20, 30, 40, 50 °C). Para esto se utilizó el método del capilar. 6. Para cada temperatura se midió la altura a la cual ascendió el agua con jabón en el momento en que se alcanzaba la temperatura deseada dentro del tubo capilar. 7. Con la densidad y la altura se determinó la tensión superficial del líquido a las diferentes temperaturas.

DIAGRAMA DE FLUJO

RESULTADOS Tabla I. Tensión superficial del agua con jabón, acetona, etanol y agua. TENSION SUPERFICIAL (J/m2)

Temperatura (°C)

Acetona

Etanol

Agua con jabón

Agua

5

0.01587

0.03073

0.01548

0.04091

10

0.01548

0.02852

0.01942

0.04846

15

0.01682

0.03073

0.01745

0.05045

20

0.01787

0.03041

0.01932

0.04643

30

0.01669

0.02948

0.01354

0.04826

40

0.01156

0.02948

0.01136

0.04444

50

0.00987

0.02552

0.00942

0.05181

Fuente: hoja de datos originales, muestra de cálculo y datos calculados.

Grafica I. tensión superficial vs temperatura de la acetona.

TENSION SUPERFICIAL (J/m2)

0.02 0.018 0.016 0.014 0.012 0.01 0.008

y = -0.0001x + 0.0183 R² = 0.6056

0.006 0.004 0.002 0 0

10

20

30

40

TEMPERATURA (°C)

Modelo matemático: -0.0001x+0.0183

50

60

Gráfica II. Tensión superficial vs temperatura de la acetona.

TENSION SUPERFICIAL (J/m2)

0.035 0.03 0.025 0.02 y = -7E-05x + 0.0309 R² = 0.4244

0.015 0.01 0.005 0 0

10

20

30

40

50

60

TEMPERATURA (°C)

Modelo matemático: -7E-0.5+0.0309

Gráfica III. Tensión superficial vs temperatura del agua con jabón.

TENSION SUPERFICIAL (J/m2)

0.025 0.02 0.015 0.01 y = -0.0002x + 0.02 R² = 0.7064

0.005 0 0

10

20

30

40

TEMPERATURA

Modelo matemático: -0.0002x+0.02

50

60

Grafica IV. Tensión superficial vs temperatura del agua.

TENSION SUPERFICIAL (J/m2)

0.06 0.05 0.04 0.03 y = 1E-04x + 0.0449 R² = 0.1866

0.02 0.01 0 0

10

20

30

40

50

60

TEMPERATURA (°C)

Modelo matemático: 1E-0.4x+0.0449 Tabla II. Correlación cualitativo entre tensión superficial de los líquidos y fuerza intermolecular. LÍQUIDO TIPO DE ENLACE Etanol Dipolo-Dipolo Acetona Dipolo-Dipolo Agua con jabón Tenso activo Agua Puentes de hidrógeno Fuente: Hoja de datos originales, marco teórico.

INTERPRETACION DE RESULTADOS En la Tabla I. se puede observar que la tendencia en la tensión superficial de la acetona (C3H6O) y el etanol (C2H6O) es de disminución, también basándonos en la gráfica I. y gráfica II. Donde se puede ver la pendiente negativa de la recta lo cual significa que disminuye conforme la temperatura va subiendo. El acetona y etanol como se puede ver en la Tabla II. Tienen un enlace Van der Waals llamado dipolo-dipolo el cual se da por fuerzas de atracción entre moléculas polares como lo son la acetona y el etano. Este tipo de fuerzas tienen poca energía por lo que su tensión superficial es baja y esto causa que a más temperatura las fuerzas intermoleculares de los líquidos son más débiles y como ellas son las responsables de la tensión superficial van a ir disminuyendo proporcionalmente. El agua (H2O) con jabón tuvo una tendencia a disminuir su tensión superficial conforme la temperatura aumentaba, esto se puede observar en la tabla I y gráfica III donde la pendiente es negativa lo cual indica que la tensión superficial disminuye. El jabón es material orgánico que está hecho de materias grasas, debido al proceso de saponificación, y posee fuerzas de Van Der Waals esto hace que la movilidad molecular sea más lenta. Las fuerzas de Van Der Waals rompen los puentes de hidrogeno del agua lo que causa que la tensión superficial disminuya, también el hecho de la tensión superficial disminuya se puede atribuir a las moléculas orgánicas del jabón, las cuales modifican las fuerzas de superficie y de atracción existentes entre las moléculas del agua con jabón. Por último el agua muestra una tendencia positiva en base a la gráfica IV. Que muestra una pendiente positiva, esto significa que la tensión superficial aumento conforma la temperatura aumentaba. La tensión superficial del agua es la mayor de los 4 líquidos utilizados en laboratorio esto se debe a que posee fuerzas intermoleculares llamadas puentes de hidrogeno, este enlace se da por una interacción dipolo-dipolo entre el átomo hidrógeno (H) de un enlace polar en este caso (H – O) y un átomo electronegativo, en este caso el oxígeno (O), este enlace al ser el más fuerte de los tres enlaces analizados hace que la tensión superficial se mayor en el agua.

De los cuatro líquidos a los cuales se les midió a la tensión superficial se puede observar en la tabla I. que el agua es quien posee la mayor tensión superficial debido a los enlaces de hidrógeno que son los más fuertes. De los líquidos el agua con jabón presente la menor tensión superficial debido a la cantidad de jabón utilizados cuyos enlaces de Van der Waals rompieron la fuerza de los enlaces del agua haciendo que la tensión superficial disminuyera. La acetona tiene la segunda tensión superficial más baja y el etanol tiene la segundo tensión superficial más alta cuyos enlaces de Van der Waals tipo dipolo-dipolo hacen que en general la tensión superficial sea baja. La tendencia normal de los líquidos es a disminuir conforme la temperatura aumenta sin embargo se puede observar en las gráficas que los datos no son consecutivos e incluso el agua muestra un ligera tendencia a aumentar su tensión superficial, esto se puede atribuir a un error de medición, incertezas de los instrumentos y condiciones generales bajo las cuales se hizo el experimento.

CONCLUSIONES 1. La acetona y el etanol tienen un enlace dipolo-dipolo el cual se da entre moléculas polares y no es fuerte por lo que tensión superficial es baja. 2. El agua con jabón tiene puentes de hidrógeno que han sido debilitados por las fuerzas Van der Waals de jabón lo cual hace que la tensión superficial disminuya. 3. El agua posee puentes de hidrógeno lo cual hace que la tensión superficial

sea más fuerte en comparación con la acetona, el etanol y el agua con jabón.

http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbasees/surten.html http://www.madrimasd.org/experimentawiki/feria/Tensi%C3%B3n_Superficial_en_L%C3%ADquid os http://pilargarciafq.blogspot.com/2012/09/capilaridad.html