MEDICIÓN DE LA TENSIÓN SUPERFICIAL DE LÍQUIDOS PUROS POR EL MÉTODO ESTALAGMÓMETRO O CONTEO DE GOTAS

Febrero 20 2015.

RESUMEN

Durante la práctica se determinó la tensión superficial de líquidos puros, por el método estalagnométrico o conteo de gotas, como el agua, el EtOH, la acetona, el cloroformo, en los cuales se obtuvo 72.75, 42.44, 50.53, 115.93 dyne/cm respectivamente. Par el caso del EtOH, se obtuvo un % de error relativo de 19,64%. También se analizaron los diferentes aspectos fisicoquímicos del sistema, como temperaturas, estado de agregación, velocidad de flujo en función del tiempo, etc.

PALABRAS CLAVE: tensión superficial, método estalagnométrico, líquidos puros, errores aleatorios y sistemáticos.

ABSTRACT

In practice the surface tension of pure liquids was determined by the counting method or estalagnométrico drops as water, EtOH, acetone, chloroform, in which was obtained 72.75, 42.44, 50.53, 115.93 dyne / cm respectively. EtOH couple the case of a relative error of% of 19.64% was obtained. Physicochemical different aspects of the system were also analyzed, as temperatures, aggregation state, etc, flow rate versus time, etc.

KEYWORDS: surface tension, stalagnométric method, pure liquids, random and systematic errors.

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INTRODUCCION

La tensión superficial es el parámetro físico-químico más medido junto a la viscosidad, a la vez que es el que más influencia tiene en la calidad de productos acabados, relacionados con la físico-química superficial.1

Para muchas industrias, el conocimiento de la físico-química superficial de sus productos, son de capital importancia y los materiales del futuro son inconcebibles sin un conocimiento de sus características interfaciales.1

Las magnitudes y las propiedades como el ángulo de contacto, energía libre superficial, absorción y tensión superficial, permiten conocer el comportamiento de humectación e inmersión de líquidos y sólidos.1

Durante la práctica se evaluó la tensión superficial de líquidos puros, utilizando para ello un método conocido como el conteo de gotas o método estalagnométrico; sin embargo existen muchas otras metodologías o equipos que me permiten medir la tensión superficial, estas metodologías se clasifican en estáticas y dinámicas, como se destaca a continuación:

Métodos estáticos:

(1) Elevación o ascenso de un líquido en un tubo capilar o entre placas, midiendo el ángulo de contacto.

(2) La máxima presión de un líquido sin una burbuja de gas (Método de Rebinder).

(3) Conteo gotas (Método Estalagnométrico).

(4) Método de la gota pendiente (Método de Bashforth y Adams)

(5) Método de balanceo de placa, midiendo el ángulo de contacto (Método de Wilhelmy).

(6) Método del anillo de anclaje (Método de Du Nouy).

(7) Por la técnica diferencial de Langmuir, etc.2

Métodos dinámicos:

(1) Método de oscilación de líquidos, usando gotas o chorros.

(2) Tasa de flujo de líquidos en tubos capilares, etc.2

Por lo tanto la metodología utilizada durante la práctica (método estalagnométrico) se considera estática, además de ser sencilla en cuanto a los instrumentos que se requiere para el estudio de la tensión superficial.

Para comprender mejor en lo implicado con el fenómeno de tensión superficial, es necesario tener en cuenta su estructuración físico-química; si nos referimos a un sistema, por ejemplo un Beaker con agua, podemos apreciar inequívocamente fases, a los cuales se les podría llamar también superficies o interfaces, esta connotación puede tener en algunos casos diferencias, dependiendo del contexto y del significado que una persona le quiera dar, sin embargo, por convención, para el sistema del Beaker con agua, se define “superficie” a una región entre una fase condensada (sea líquida o sólida) y una fase gaseosa o de vacío, mientras que una “interface” se aplica normalmente a los sistemas que involucra dos fases condensadas.3

Hay varios tipos de interfaces que son de gran importancia en la práctica, estas clasificaciones generales incluyen sólido-vacío, líquido-vacío, sólido-gas, líquido-gas, sólido-líquido, líquido-líquido y sólido-sólido. Desde el punto de vista práctico, las interfaces de sólido-vacío y líquido-vacío son de poco interés, debido a que se encuentran más a menudo en el contexto de derivaciones teóricas, debido a que la ausencia de una segunda fase, simplifica las cosas en gran medida, o en los estudios de

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procesos de alto vacío tales como la deposición y pulverización catódica. Los sistemas de dos fases verdaderas (suponiendo que el vacío no es considerado como una verdadera '' fase '') son los de mayor importancia en las aplicaciones prácticas, como se aprecia en la tabla 1.3

Tabla 1. Interfaces comunes de Vital Importancia Natural y Tecnológico.3

Tipo de interface Ocurrencia o aplicación

Sólido-gas Adsorción, catálisis, la contaminación, la

cromatografía de gas-líquido

Sólido-líquido Limpieza y detergencia, la

adhesión, la lubricación, coloides

Líquido-gas Revestimientos, humectación,

espumasLíquido-líquido Emulsiones,

detergencia, la recuperación

terciaria de petróleo

Todos estos aspectos fisicoquímicos y otros, se tuvieron en cuenta durante la práctica, para estudiar y medir la tensión superficial de diferentes líquidos puros.

OBJETIVOS

Estudiar la tensión superficial de líquidos puros.

Acentuar en las propiedades fisicoquímicas características de los líquidos puros.

Afianzar los conocimientos en la medición de tensión superficial, con el método estalagnométrico.

METODOLOGÍA

Durante la práctica se determinó la tensión superficial de varios líquidos puros, aplicando el método estalagnométrico, de la siguiente manera:

1. En un Beaker de 100mL se adicionó agua, lo suficiente para llenar la bureta, luego se midió la temperatura del agua que fue de 27°C.

2. Se prosiguió a llenar la bureta con el líquido y luego abriendo lentamente la llave se dejó caer gota a gota, a un flujo continuo.

3. Se registró la velocidad a la que caía la gota y el número de gotas, luego se dejó que se gastara el volumen necesario por cada minuto. Para mantener el flujo constante, no se tocó la llave de paso, sino que se trasvasaba el líquido nuevamente a la bureta, realizando el mismo procedimiento de medición.

4. El método se repitió por triplicado.

5. La misma metodología (de la 2 a la 4) se aplicó para los otros líquidos puros.

MATERIALES

Beaker de 100mL, bureta de 25mL, pipetas graduadas de 10mL, Jeringa, escobillón, frasco lavador.

REACTIVOS

Agua destilada, etanol, acetona, cloroformo.

RESULTADOS Y DISCUSIÓN.

Tabla 2. Registro de datos tomados durante la práctica.

Líquido Ensayo Toma

Velocidad de la gota (1 gota/tiempo[s])

No. de

gotas/min

Volumen

(mL) /min

Agua 1

1

1/2,66

17 1

2 14 0,8

3 11 0,6

EtO

H

2

1

1/2,40

21 0,5

2 18 0,4

3 18 0,4

Acet

ona

3

1

1/2,40

22 0,5

2 16 0,4

3 11 0,2

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Clor

ofor

mo

4

1

1/2,50

16 0,2

2 13 0,2

3 12 0,2

Tabla 3. Registro de datos promediados, tomados durante la práctica.

Promedio

LíquidoNo.

gotas/minVolumen (mL)/min

Agua 14 0,8EtOH 19 0,4

Acetona 16 0,4Cloroformo 14 0,2

La temperatura de los líquidos puros fue de 27°C.

0 2 4 6 8 109.995E+02

9.996E+02

9.997E+02

9.998E+02

9.999E+02

1.000E+03

Temperatura (°C)

δ (K

g/m

^3)

Gráfica 1. Densidad del agua (Kg /m3) en

función de la temperatura (° C).

Para obtener la gráfica 1 se utilizó la ecuación de Thiesen-Scheel-Diesselhorst (1986):

δ 0=999,842594+(6,793952 E−2 )T

−(9,095290 E−3 )T2+(1,001685 E−4 )T 3

−(1,120083 E−6 )T 4+ (6,536332E−9 )T 5

Ec.1. Thiesen-Scheel-Diesselhorst, en la Physikalisch-Technische Bundesanstalt.4

A partir de la ecuación 1, se interpola para determinar la densidad del agua a la temperatura de 27°C:

δ 0=996,52Kg

m3

Convirtiendo a g

cm3:

996,52Kgm3

×1m3

106 cm3×1000g1Kg

=0,9965 gcm3

La tensión superficial del agua, es una constante reportadas en tablas, y la densidad se obtiene de la interpolación de una función polinómica, sin embargo se incluye la tabla 4 para apreciar las variables obtenidas y calculadas anteriormente:

Tabla 4. Variables obtenidas y calculadas para el agua.

Variables Valor

δ 0( gcm3 ) 0,9965

γ 0( dynecm ) 71,99

No. de gotas 14

Se calcula el número de gotas por mL consumido para un determinado tiempo a partir de la tabla 3 y utilizando la ecuación 2:

No .gotas /mL= No. gotasmin

×min

volumenEc. 2

Cálculo para el agua (utilizando la ecuación 2):

14 gotas1min

×1min0,8mL

=17,5 gotas /mL

Igualmente se realiza el cálculo para cada uno de los líquidos (utilizando la ecuación 2), como se aprecia en la tabla 5.

Tabla 5. Variables calculadas y teóricas para cada uno de los líquidos.

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LíquidoGotas/

mL*δ ( gcm3 ) γ**( dynecm )

Agua 17,5 0,9965* 71,99EtOH 47,5 0,7890 21,97

Acetona 40,0 0,7910 23,46Cloroformo 70,0 1,4900 26,67*Es un valor calculado.

**Es un valor teórico.5

Se prosiguió a calcular la constante γ 0n0δ 0

que son variables que pertenecen al agua, a partir de la tabla 5:

k=γ 0n0δ0

=1047,52

A partir de la tabla 5, se determina la tensión superficial de los líquidos puros trabajados durante la práctica, a partir de la densidad, el

número de gotas/mL y la constante k

calculado anteriormente, de la siguiente manera:

γ x=k ×δ xnx

Ec. 3

A partir de la ecuación 3 y la tabla 5, se determina la tensión superficial de los líquidos como se aprecia en la tabla 5.

Tabla 5. Tensión superficial obtenida para cada líquido.

Compuesto γ 0( dynecm )Agua 71,99EtOH 17,40

Acetona 20,71Cloroformo 22,30

*5.

Determinación del % error relativo pata el EtOH, en la determinación de la tensión superficial:5

%error relativo=|vr−vt|v t

×100 Ec. 5

%error r .=|42,44−22,8|

22,8=19,64%

Para comprender la tensión superficial se debe tener en cuenta varios aspectos fisicoquímicos como se mencionó anteriormente, entre ellos la interface en un sistema, como se aprecia en la imagen 1.

Imagen 1.

Una interface es básicamente una región del espacio través de la cual un sistema cambia de fase (líquido o sólido) a otro (sólido, líquido o gas), el cambio ocurre generalmente a una distancia de unos cuantos unidades atómicas o moleculares.

Un sistema es aparentemente estático, a la vista de los seres humanos, sin embargo en él ocurre mucho procesos dinámicos, realmente es un sistema caótico por decirlo de otra manera, dicha dinámica se ve influenciada por fuerzas atómicas o moleculares, o entre iónes, gracias a este conjunto de fuerzas se puede comprender el motivo de la existencia de una fuerza a la que se puede considerar neta y que se puede medir, como se aprecia en la imagen 2.

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Imagen 2.

La imagen 2 representa un sistema bidimensional, la fuerza neta que actúa sobre una unidad (átomo o molécula se muestra en negro) en el interior de una fase a granel (a) será esencialmente cero, suponiendo la ausencia de ''defectos'' en un sólido o líquido, que pueda afectar el entorno o unidades moleculares. Las fuerzas neta que actúa sobre una unidad en la superficie (b) serán desequilibrada en la dirección de la fase superficial.

Para la medición de la tensión superficial, se utilizó el método estalagnométrico, en principio la metodología es muy similar, sin embargo se prosiguió a realizarlo con otros instrumentos, es decir no con el clásico estalagnómetro de Traube, sino con una bureta de 25mL; a pesar de que la función que hace la bureta es en principio similar al estalagnómetro, no es la más adecuada, esto fue uno de los principales factores que pudo haber afectado la medición de la tensión superficial, como se demuestra con el % error relativo para el caso del EtOH, que fue de 19,64%, otros factores también pudieron haber afectado tal % de error como los aleatorios, debido a que se pudo apreciar un fenómeno en el cual, a medida que transcurría el tiempo, el flujo de las gotas disminuía, en la tabla 2 se aprecia las disminuciones para todos los líquidos, además el sistema es muy sensible a pequeños cambios de turbiedad, es decir que con pequeñas perturbaciones el sistema podía variar la velocidad de las gotas, la altura también fue otro aspecto importante en

la velocidad de la gota, y otros errores sistemáticos.

La metodología para determinar la tensión superficial, es decir con el estalagnométrico o conteo de gotas, fue apreciada o estudiada por Tate, conocido por la ley de Tate, el cual, en 1864 publicó su trabajo (Philos. Mag), sobre una fórmula teórica para la determinación del peso máximo de una gota que cuelga de un cilindro, el cual era proporcional al radio del tubo y la tensión superficial del líquido. Luego su teoría fue revocada por otros científicos, que con el tiempo reajustaron su teoría, hasta el punto de convertir esas investigaciones en la forma para determinar tensión superficial de líquidos, y llegar a una ecuación ajustada (ver ecuación 2).

CONCLUSIONES.

La tensión superficial de los líquidos es directamente proporcional a la densidad, e inversamente proporcional al número de gotas como se aprecia en la tabla 5 y en la ecuación 2.

El método estalagnométrico es sensible a pequeñas perturbaciones, también a la altura, etc.

Para obtener resultados óptimos se requiere controlar y estandarizar la metodología, para la medición de la tensión superficial, como la velocidad de flujo de la gota, la altura, etc.

REFERENCIAS.

[1] Neurotek instruments. (2015). Tensión superficial. Recuperado de https://www.interempresas.net/FeriaVirtual/Catalogos_y_documentos/9373/Neurtek-Tension_Superficial.pdf

[2] Rideal E. K. (1926). The surface tension of liquids. En an Introduction to Surface Chemistry (cap. 1, pp. 3-5). 1 ed. Inglaterra: Cambridge University.

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[3] Myers D. (1999). Surfaces and Interfaces: General concepts. En Surfaces, Interfaces, and Colloids (cap. 2, pp. 8-10). 2 ed. EEUU: Wiley.

[4] Martin J. L., McCutcheon S. C. (1999). Physical Properties of Water. En Hydrodynamics and Transport for Water Quality Modeling (part I, pp 13-15). 1 ed. EEUU: CRC Press.

[5] Lide D. R. (2004). Surface tension of Common Liquids. En CRC Handbook of Chemistry and Physics (Section 6, pp 985, 1136-1138). 85th ed. EEUU: CRC Press.

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