Dentro de la asignatura de Física y Química de superficies, se abordan los fenómenos que tienen lugar en una interfase. Uno de estos fenómenos; la “Tensión superficial”, es muy importante para los procesos que se llevan a cabo en ambientes líquidos. La presente práctica experimental demuestra de manera sencilla los efectos que produce la modificación de la tensión superficial en distintos sistemas. El fenómeno, se aprecia gráficamente y ayuda a la comprensión de su mecanismo.
Palabras clave: Tensión superficial, Interfase, Difusión, Fenómenos de superficie
Physics and Chemistry of Surfaces subject deals with phenomena that take place at the interfase. One of such phenomena, Surface tension, is very important to the processes carried out in liquid environments. This experimental practice demonstrates, in an easy way, the effects produced by the modificacion of the surface tension in various systems. The phenomena is clearly appreciated and help to understand the mechanism.
Keywords: Surface tension, Interface, Difusion, Surface phenomena
De acuerdo con la teoría de atracción molecular, las moléculas de un líquido que se hallan debajo de la superficie actúan una sobre otra por medio de fuerzas que son iguales en todas direcciones. Sin embargo, las moléculas que se encuentran más cerca de la superficie tienen una mayor atracción entre sí que la atracción que existe entre moléculas que están debajo de ellas.
Esto produce una superficie en el líquido que actúa como una membrana estirada. Debido a este efecto de membrana, cada porción de la superficie del líquido ejerce “tensión” sobre segmentos adyacentes o sobre objetos que estén en contacto con la superficie del líquido. Esta tensión actúa en el plano de la superficie, y su magnitud por unidad de longitud se define como tensión superficial
(Torres-Papaqui, 2006).
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. La tensión superficial de un líquido está asociada a la cantidad de energía necesaria para aumentar su superficie por unidad de área.
Para incrementar el área de la superficie de un líquido, es necesario mover los átomos que ya están a lo largo de la superficie para acomodar los nuevos átomos provenientes de otro líquido que puede ser de la misma naturaleza o no.
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(Resnik y Halliday, 2004).
Los tensoactivos, llamados también surfactantes o agentes de superficie activa, son especies químicas con una naturaleza o estructura polar-no polar, con tendencia a localizarse en la interfase formando una capa monomolecular adsorbida en la interfase que cambia el valor de la tensión superficial (Martínez et al., 1948).
Las soluciones de tensoactivos resultan ser activas al colocarse en forma de capa monomolecular adsorbida en la superficie entre las fases hidrofílicas e hidrofóbicas. Esta ubicación "impide" el tráfico de moléculas que van de la superficie al interior de líquido en busca de un estado de menor energía, disminuyendo así el fenómeno de tensión superficial.
Existen diversos métodos para medir la tensión superficial, entre los más utilizados están el método de elevación capilar y el Tensiómetro de Du Nouy, aunque hay algunos otros que son más bien demostrativos y no cuantifican el valor de la tensión superficial (Souchay, 1972).
Plato blanco
Vaso de precipitado de 600 mL
Vaso de precipitado de 100 mL
Agitador de vidrio
Moneda
Leche entera y descremada
Colorantes vegetales
Pipeta pasteur
Hisopo
Jabón líquido
Verter en el vaso de precipitado (de 100 mL) 20 mL de agua de la llave.
Agregar al agua del paso anterior dos o tres gotas de colorante vegetal de cualquier color, que sea preferentemente contrastante con el color de la moneda.
Tomar con la pipeta pasteur cantidades de agua y agregarlas gota a gota sobre la moneda, evitando derramar por los bordes de la misma.
Continuar agregando agua hasta que se observe una semiesfera en la superficie de la moneda. En este punto, se encuentra el valor máximo de la tensión superficial. Si se agrega una gota más, la tensión se verá sobrepasada y el agua desbordará por la moneda.
Tomar el plato blanco y verter cantidad suficiente de leche entera que cubra el fondo del plato.
Agregar gotas cercanas de diferentes colorantes, al menos de tres colores.
Colocar una gota de jabón en la punta de un hisopo y colocarlo al centro de los colores yobservar los cambios que ocurren.
Luego se repite el mismo procedimiento utilizando ahora leche descremada.
En el caso de la moneda, puede apreciarse en la Fig 1 (a,b y c), como va creciendo la superficie del agua coloreada hasta que se rompe la “gota” creada en la moneda.
Figura 1 (a,b,c) Evolución del sistema al agregar agua en la superficie de la moneda.
Se forma una interfase entre el agua y el aire del ambiente, las fuerzas cohesivas permiten que las moléculas se encuentren unidas con la misma magnitud en todas direcciones, formando una especie de película que retiene el volumen. Al agregar más agua, se alcanza un máximo del trabajo de tensión, por lo que al no haber más espacio donde alojar más moléculas de agua, ni fuerza para mantenerlas unidas, la membrana se rompe.
En el caso de la leche descremada, es decir con un contenido de grasa de 16 g /L, puede observarse como los colores se difunden en la leche al contacto con el hisopo cubierto de jabón. Como lo muestra la Fig. 2 (a,b,c).
Figura 2 (a,b,c) Difusión de los colores al contacto con el jabón en leche descremada.
Al repetir el experimento con leche entera con un contenido de grasa de 30 g/ L, se puede observar en la Fig. 3 (a, b, c,), la difusión de los colores que es mas rápida.
Figura 3 (a,b,c) Difusión de colores en leche entera en contacto con el jabón.
A diferencia de la leche descremada, en la leche entera se pudo observar que los colores se difundieron con mayor rapidez, esto debido a la alta concentración de grasa. El jabón, tiende a repeler a las moléculas de grasa fácilmente, lo que acelera la difusión. Las moléculas de los colores, en ambos casos, flotan porque no pueden romper la tensión superficial de la leche, el jabón actúa como surfactante disminuyendo la tensión superficial del líquido, permitiendo la disgregación de los colores.
Al formarse una interfase, la tensión superficial es la fuerza que mantiene unidas las moléculas de una superficie con la misma magnitud en todas direcciones.
Los medios surfactantes permiten disminuir o aumentar la tensión superficial, para lograr una mejor interacción entre las moléculas de las diferentes sustancias que se encuentren en contacto.
Esta práctica ejemplifican los efectos de la tensión superficial.
Martínez A., Ortega R., Harvey E., (1948). Modern College Physics, Van Nostrand, 430 pp.
Resnick R., Halliday D., (2004). Física y Química de superficies, 4ª Ed., CECSA, México.
Souchay P., (1972), Termodinámica Química, España, Toray-Masson.
Torres-Papaqui J.P., (2006), Tensión superficial, [diapositivas de Power Point]. Recuperado de:
www.astro.ugto.mx/papaqui/ondasyfluidos/Tema_2.03-Tension_superficial.pdf.
[a] I.Q. Carmen Cortés López, estudiante de Doctorado en Ciencias de los Materiales, ha colaborado en diversos proyectos de optimización industrial y en el campo de la investigación carmencortesl@hotmail.com
[b] Dra. María Aurora Veloz Rodríguez, profesora investigadora del Área Académica de Ciencias de la Tierra y Materiales, actualmente funge como Jefa de Área. Es miembro del Sistema Nacional de Investigadores Nivel 1 y tiene el Reconocimiento al Perfil Deseable para PTC por la SEP-PROMEP.