CapilaridadFisicoquímica Carlos Fuentes

Saúl Albino

Emmanuel Jiménez12/04/23

Universidad Autónoma del Estado de MorelosFacultad de Ciencias Químicas e Ingeniería

Índice• Antecedentes

– Fuerzas Intermoleculares• Fuerzas de cohesión• Fuerzas de adhesión

– Tensión superficial• Definición• Análisis de unidades• Ejemplos cotidianos

• Capilaridad– Definición– Meniscos

• Cóncavo y convexo– Ángulo de contacto– Formula (Ley de Jurin)

• Deducción matemática– Ejemplos– Aplicaciones

• Actividad• Problema

– Solución• Conclusiones• Bibliografía

Fuerza intermolecularFuerza de atracción que se da entre moléculas, son considerablemente más débiles que los enlaces iónicos, covalentes y metálicos.

Las principales fuerzas intermoleculares son: enlace por puente de hidrógeno y las fuerzas de Van der Waals

Fuerza de cohesión

Fuerza de atracción entre las moléculas de una misma sustancia

Debido a la alta fuerza de cohesión del Mercurio, éste no se expande para cubrir el fondo del recipiente.

Fuerza de adhesión

Fuerza de atracción entre las moléculas de diferentes sustancias.

Definición

La tensión superficial de un líquido es la cantidad de energía necesaria para disminuir su superficie por unidad de área.

Depende de la cohesión o fuerza intermolecular del líquido.

Análisis de unidades

Energía de

superficie

Energía

Área

Fuerza

Longitud

Tensión superficial

Análisis de unidades

Sistema Cegesimal Sistema Internacional

Newton

metro

Dina

cm

2

Joule

m2

Erg

cm

1 0.001Dyn N

cm m

Ejemplos cotidianosInsectos de la familia

Gerridae:

Algunos insectos pueden caminar sobre el agua porque su peso no es suficiente para penetrar la superficie.

Ejemplos cotidianosUso de detergentes y

jabones:

Ayudan en la limpieza de ropa porque disminuye la tensión superficial del agua, y de esta manera se absorbe más fácilmente en los poros de las áreas manchadas.

Ejemplos cotidianosLavar con agua caliente:

La razón por la que se hace esto es porque el agua caliente tiene una tensión superficial menor y es un mejor agente humectante.

Tensión superficial del aguay la influencia de la

temperatura

Ejemplos cotidianosDesinfectantes:

Usualmente son soluciones de baja tensión superficial, esto permite que se propaguen en las paredes celulares de las bacterias y las rompan.

El desinfectante en la imagen tiene una tensión de 37, que es mucho menor que la del agua, que es de 72 dinas/cm., a temperatura ambiente.

Ejemplos cotidianosAgua y aceite:

La separación del agua y el aceite es causada por una tensión en la superficie entre líquidos diferentes. Este tipo de tensión es llamada “tensión de interfase”

Ejemplos cotidianosFormación de gotas

Ocurre cuando una masa de liquido se estira, al ganar masa hasta un punto en que la tensión superficial ya no puede sostenerla.

Se separa la gota y toma forma de esfera, que es la forma que más minimiza la tensión de la pared de la capa superficial.

Definición

Es una propiedad de los líquidos que depende de su tensión superficial y que le confiere la capacidad de subir por un tubo capilar o un medio poroso.

Tipos de meniscos

Menisco cóncavo

Fuerza de adhesión > Fuerza de cohesión

Menisco convexo

Fuerza de cohesión > Fuerza de adhesión

Angulo de contacto

Algunos ángulos formados entre líquidos y sólidos

Formula: Ley de Jurin2 cosh

gr

Formula: Ley de Jurin

Se observa la relación inversamente proporcional entre la altura y el radio del tubo capilar.

2 cosh

gr

Deducción matemática de la Ley de Jurin

Tensión superficial:

F L Fuerza realizada a lo largo de una longitud L1

Constante de tensión superficial

W Fe2

3

4

5

Trabajo realizado al desplazarse en un espacio e

W Le Sustituir en

A Le Área barrida en dicho desplazamiento

W A Sustituir en

6W

A Despejando en

2 1

4 3

5

Deducción matemática de la Ley de Jurin

• La causa de los fenómenos de capilaridad es la reacción a la tensión superficial, que actúa tangencialmente a los meniscos en los puntos de contacto del líquido con la pared del tubo.

• Esta fuerza puede ser descompuesta como se indica en la figura, resultando una fuerza ascensional.

Deducción matemática de la Ley de Jurin

Deducción matemática de la Ley de Jurin

1

F P

cosf

2

3

4

5

6

F fL

2L r

2 cosF r

P mg

Fuerza ascensional igual al peso de la columna líquida.

Esta componente actuando en cada unidad de longitud en el contacto del líquido con la pared origina los fenómenos capilares.

Según lo deducido en el párrafo anterior

Longitud circunferencia del tubo.

Sustituir en sus expresiones y

Definición de peso de un cuerpo.

3 1 4

Deducción matemática de la Ley de Jurin

2V r h

P Vg

10

11

12

2P r hg

2 2 cosp r hg r

2 cosh

rg

9

8

7 m V Masa igual a densidad por volumen según la definición de densidad.

Sustituir en

Volumen de un cilindro (capilar) = base (círculo) por altura.

Sustituir en

Sustituir y en

Despejar en y simplificar. (Ley de Jurin)

7 6

9 8

10 5 2

11

EjemplosAbsorción de agua por

las raíces y la tierra de una planta:

La raíz sirve como capilar, al igual que la tierra debido a su porosidad.

AplicacionesCromatografía en capa fina:

El solvente se moverá hacia arriba a través de la capa por medio de la capilaridad.

Los solutos disueltos viajan con el disolvente a distintas velocidades en función de su afinidad por el disolvente (fase móvil) o la capa absorbente en la placa (fase estacionaria).

AplicacionesSoldadura

El proceso está basado en la capilaridad. Tiene lugar cuando a la unión de un tubo y un accesorio, después de su calentamiento, se le aporta un metal que se funde al contacto con ellos. El metal fundido asciende y se extiende en cualquier sentido, por el reducido espacio que queda entra la pared del tubo y la del accesorio; con ello, al enfriarse se consigue una unión totalmente hermética.

Actividad

m 4m

gF 4 gF

ProblemaSe realiza la experiencia de Jurin con agua

(angulo de contacto es 0º). El ascenso experimentado en un tubo capilar de 1/10 mm de radio, es de 16 cm. Calcular el coeficiente de tensión superficial del agua.

2 cosh

gr

3 31 1000gr Kg

cm m

?

2 2981 9.81

cm mg

s s

0º

Datos

2 410 10r cm m

2 cosh

gr

Formula

2cos

h gr

Solución

16 0.16h cm m

Despeje

Solución:

23 2

2

(16 )(1 )(981 )(10 )78.4 78.4

2cos0

gr cmcm cm dyn ergcm s

cm cm

43 2

3 32

(0.16 )(1000 )(9.81 )(10 )78.48 10 78.48 10

2cos0

Kg mm m N Jm s x x

m m

Sistema Cegesimal

Sistema Internacional

Se sustituyen datos en la

formula despejada

2cos

h gr

Conclusiones• La capilaridad depende de la tensión

superficial.• La tensión superficial depende de las

fuerzas intermoleculares.• Un menisco cóncavo se forma cuando las

fuerzas de adhesión son mayores a las de cohesión

• Un menisco convexo se forma cuando las fuerzas de cohesión son mayores a las de adhesión.

Bibliografía: • Chang, Raymond. Química General. 7 Edición. Mc Graw Hill. 2002.

• Lemay H. Eugene. Chemistry, The Central Science. Eleventh Edition. Pearson 2009.

• Tarr, Martin. 2004. http://www.ami.ac.uk/courses/topics/0205_els/index.html . Consultado el 02 de Abril de 2010

• R. Nave. 2003. http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/Hbase/surten.html. Consultado el 02 de Abril de 2010.

• Valentín, J. Problemas de Física. Serie reverté de problemas. 2000. Páginas 56-57.