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• Vera Cieza Eyner

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TENCION SUPERFICIAL La tensión superficial en líquidos se debe a que las fuerzas que afectan a cada molécula de dicho líquido son diferentes en el interior y en la superficie. Así en el seno del líquido, cada molécula está sometida a fuerzas de atracción que de promedio se anulan. Sin embargo, en la superficie hay una fuerza neta dirigida hacia el interior del líquido. La tensión superficial pues produce que las moléculas de los líquidos esté muy apretada. A simple vista la tensión superficial es como una delgada membrana, pero a nivel microscópico ésta se da por una interacción de fuerzas dentro del líquido. La superficie de cualquier líquido se comporta como si sobre esta existe una membrana a tensión. A este fenómeno se le conoce como tensión superficial. La tensión superficial de un liquido esta asociada a la cantidad de energía necesaria para aumentar su superficie por unidad de área. 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.

Cuales son las causas de la tensión superficial La tensión superficial es causada por los efectos de las fuerzas intermoleculares que existen en la interface. La tensión superficial depende de la naturaleza del líquido, del medio que le rodea y de la temperatura. Líquidos cuyas moléculas tengan fuerzas de atracción intermoleculares fuertes tendrán tensión superficial elevada. A nivel microscópico, 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 el 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

Como influye la temperatura a la tensión superficial 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 debe a 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. La tensión superficial de los fluidos presenta variaciones dependiendo del fluido y de su temperatura, y es afectada, en caso de una solución acuosa, por la sustancia que se le agregue al agua. 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 debe a 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.

La tensión superficial del agua Dado que las fuerzas intermoleculares de atracción entre moléculas de agua se deben a los enlaces de hidrogeno y estos representan una alta energía, la tensión superficial del agua es mayor que la de muchos otros líquidos. En física se denomina tensión superficial de un líquido a la cantidad de energía necesaria para aumentar su superficie por unidad de área. Esta definición implica que el líquido tiene una resistencia para aumentar su superficie, este efecto permite a algunos insectos, como el zapatero (Gerris lacustris), 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.

EXPERIMENTO DE TENSION SUPERFICIAL EN EL AGUA INTRODUCCION: La superficie de cualquier líquido se comporta como si sobre esta existe una membrana a tensión. A este fenómeno se le conoce como tensión superficial. La tensión superficial de un líquido está asociada a la cantidad de energía necesaria para aumentar su superficie por unidad de área. La tensión superficial es causada por los efectos de las fuerzas intermoleculares que existen en la interface. La tensión superficial depende de la naturaleza del

líquido, del medio que le rodea y de la temperatura. Líquidos cuyas moléculas tengan fuerzas de atracción intermoleculares fuertes tendrán tensión superficial elevada. 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 debe a 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. Dado que las fuerzas intermoleculares de atracción entre moléculas de agua se deben a los enlaces de hidrógeno y éstos representan una alta energía, la tensión superficial del agua es mayor que la de muchos otros líquidos OBJETIVO  

Estudiar algunos conceptos de la física como la tensión superficial Conseguir que una aguja de acero flote en el agua. .

Materiales  

Recipiente (baso descartable). Aguja de coser de acero.

PRODUCTOS 

Agua

Realización práctica Llenamos un recipiente (baso) con agua. Cada uno de los alumnos con una aguja intentara colocar horizontalmente la aguja en la superficie del baso con agua, sin que esta rompa la tensión superficial. En el momento en que la aguja esté flotando en el agua, la tensión superficial sostiene la aguja (a pesar de que ésta sea de metal) porque el peso de la misma se reparte sobre toda su superficie. Es decir, el peso de la aguja se reparte sobre una superficie muy grande, y la presión que ejerce la aguja contra la tensión superficial del agua es poca. No pasaría eso si dejamos caer la aguja de punta, porque todo el peso de la aguja se reparte en un área muy pequeña, y la presión que ejerce la aguja es muy grande.

Intentando hacer flotar una aguja en agua

Precauciones Tenemos que cuidar que el extremo de la aguja no “pinche” la superficie del agua, ya que irremediablemente la aguja se nos iría al fondo del recipiente obedeciendo los dictados de Arquímedes. Explicación ¿Por qué flota la aguja? Las moléculas en el interior de un líquido están rodeadas por todos los lados de otras moléculas, pero en la superficie del líquido esto no es así ya que no hay moléculas por encima de las que se encuentran en la superficie. Así, si se desplaza ligeramente una molécula superficial, los enlaces moleculares con el resto de moléculas se alargan, de manera que se produce una fuerza restauradora que tensa la molécula de nuevo hacia la superficie. Estas fuerzas son las causantes que en nuestro experimento el clip o la aguja no se hunda dentro del agua. La fuerza restauradora que se ejerce por unidad de longitud se llama coeficiente de tensión superficial, y para el caso del agua vale 0.073 N/m. En el espacio (en ausencia de la fuerza de la gravedad) la forma de las gotas es esférica, ya que la esfera es la forma geométrica que puede contener mayor volumen con una superficie más pequeña (así se consigue gastar el mínimo posible en energía superficial). En la tierra las gotas no son esféricas sino que tienen forma de pera. Esto es debido al efecto de la fuerza gravitatoria.

Aguja flotando

Capilaridad La capilaridad La capilaridad es una propiedad de los líquidos, que depende de su tensión superficial, que les permite subir o bajar por un tubo capilar de radio determinado. La capilaridad es una propiedad de los líquidos que depende de su tensión superficial la cual, a su vez, depende de la cohesión o fuerza intermolecular 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. La capilaridad es una propiedad física del agua por la que ella puede avanzar a través de un canal minúsculo (desde unos milímetros hasta micras de tamaño) siempre y cuando el agua se encuentre en contacto con ambas paredes de este canal y estas paredes se encuentren suficientemente juntas.

Esta propiedad la conocemos todos pues es perfectamente visible cuando ponemos en contacto un terrón de azúcar con el café. El agua del café "invade" en pocos segundos los pequeños espacios de aire que quedan entre los minúsculos cristales de sacarosa del azucarillo. Adhesión La adhesión es la propiedad de la materia por la cual se unen dos superficies de sustancias iguales o diferentes cuando entran en contacto, y se mantienen juntas por fuerzas intermoleculares. 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. COHESION Es la atracción entre moléculas que mantiene unidas las partículas de una sustancia. La cohesión es diferente 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. En el agua la fuerza de cohesión es elevada por causa de los puentes de hidrogeno que mantienen las moléculas de agua fuertemente unidas, formando una estructura compacta que la convierte en un liquido casi incompresible. Al no poder comprimirse puede funcionar en algunos animales como un esqueleto hidrostático, como ocurre en algunos gusanos perforadores capaces de agujerear la roca mediante la presión generada por sus líquidos internos.

Elevación del líquido en el tubo capilar En el apartado anterior, se ha descrito un experimento de laboratorio en la que a partir de la medida de la altura h que se eleva un líquido en un capilar de radio r conocido, se obtiene la tensión superficial γ del líquido. En este apartado, se describe el aspecto dinámico de dicha situación física. Introducimos el tubo capilar en posición vertical en el líquido y observaremos como se incrementa la altura de líquido en el capilar a medida que transcurre el tiempo.

donde G es el gasto o volumen de líquido que fluye en la unidad de tiempo,

dh/dt es el incremento de altura de líquido en el capilar en la unidad de tiempo, y h es la altura de la columna de fluido en el tubo capilar en el instante t.

En la foto podemos ver una comparación entre el agua, como sube por la propiedad de la capilaridad y el mercurio, que no tiene esta propiedad.

Experiencia de capilaridad Se realizó otra experiencia que consistía en analizar la capilaridad de los tubos. Para ello se limpió bien los tubos, se los dejó secar y luego se los puso en contacto con agua contenida en un vaso.

Conclusiones 

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Como conclusión final se puede decir: La tensión superficial es una propiedad particular de cada líquido ya que cada uno tiene sus propias fuerzas intermoleculares específicas. La tensión superficial varía con la temperatura. Existen sustancias como los tensos activos que disminuyen o rompen la tensión superficial. La capilaridad depende del diámetro del tubo. A mayor diámetro, menor es la altura de ascenso y viceversa.

Bibliografía Castellan, Gilbert W., Fisicoquímica, Ed. Pearson, pág. 433, tema 18, "Fenómenos superficiales".