1. OBJETIVOS 1.- Determinar el efecto de la adición de alcoholes sobre la tensión superficial del agua. 2.- Determinar la isoterma de adsorción de Gibbs para la adición de diferentes alcoholes al agua. 3.- Comprender el concepto de adsorción en superficies líquidas. 2. INTRODUCCIÓN La tensión superficial puede definirse como la fuerza que ejerce un líquido sobre una determinada superficie debido a la existencia de una atracción no compensada hacia el interior de este sobre las moléculas individuales de la superficie. Es la forma en que se refleja la cohesión entre moléculas en un líquido. La tensión superficial depende de la naturaleza de este, del medio que le rodea y de la temperatura. En general, disminuye con la temperatura, ya que las fuerzas de cohesión disminuyen al aumentar la agitación térmica. “La influencia del medio exterior se comprende ya 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”. Chang, R. (2008). Las moléculas que se encuentran en la superficie de un líquido son atraídas hacia el seno de este por las moléculas existentes en su interior. Así, la fuerza resultante que actúa en un plano tangente a la superficie, por unidad de longitud, se denomina tensión superficial (Adam son (1967)). Las moléculas de un líquido se atraen mutuamente. Aunque en total las moléculas son eléctricamente neutras, suele haber una pequeña asimetría de carga que da origen a las fuerzas de atracción entre ellas (llamadas fuerzas de Van Der Waals). Dentro de un líquido, cualquier molécula está rodeada totalmente por otras moléculas y la fuerza neta es cero. Sin embargo, no hay fuerza de atracción que actúe dese arriba sobre las moléculas que están en la superficie del líquido. (El efecto de las moléculas del aire se considera insignificante.) El resultado es que sobre las moléculas de la capa superficial actúa una fuerza neta, debida a la atracción de moléculas vecinas que están justo debajo de la superficie. Esta “tracción” Hacia adentro sobre las moléculas superficiales hace que la superficie del líquido se contraiga y se resista a estirarse o romperse. Esta propiedad se denomina tensión superficial. la ecuación de adsorción de Gibbs proporciona una clara descripción física del comportamiento de la tensión superficial en términos moleculares. La ecuación de estado resultante puede expresarse en composición tanto de la fase volumétrica como de la fase superficial, evaluar la concentración micelar crítica en tensoactivos y calcular de forma directa e inmediata las energías de adsorción y micelización, sin necesidad de constantes empíricas. Para la adsorción en fases fluidas, como es el caso de líquido-vapor o líquido-líquido, es necesario emplear la ecuación de adsorción de Gibbs para evaluar la concentración del anfibillo en la superficie, mediante la medición de la tensión superficial o interfacial. La isoterma de adsorción de Gibbs contiene la relación entre la concentración de soluto en la superficie y la variación de la presión superficial respecto a la composición de la fase volumétrica (Novelo-Torres y Gracia-Fadrique, 2003). El método del ascenso del capilar (líquido-gas), en el que un líquido asciende por un tubo capilar y moja las paredes del tubo, debido a ello, forma un menisco en la superficie por la diferencia de presión entre el líquido contenido en el recipiente y la presión del líquido en el interior del capilar. Esta diferencia de presión provoca un ascenso del líquido en el interior del capilar que se detiene en el momento en que las presiones se equilibran, es decir, la presión hidrostática de la columna de líquido en el capilar y la presión fuera del mismo. Figura 1.1 Ascenso Capilar Método de placa de WILHELMY, En este método se mide la fuerza hacia abajo que sobre una placa lisa ejerce la superficie o interfase a la cual se desea determinar la tensión cuando esta placa toca exactamente esa superficie o interfase. La fuerza ejercida es: P = m g = 2 (l + d) γ donde l es la longitud de la placa y d su espesor. La medida de la fuerza se hace uniendo la placa a una balanza sensible de torsión, con alguna clase de dispositivo de elevación bien para bajar la placa hacia la superficie del líquido o elevar la superficie del líquido hacia la placa. (A. de SALAGER, 2005). Figura 1.2 Plato de Wilhelmy 3. METODOLOGIA 1. Calibrar el dispositivo para determinar tensión superficial por el método del ascenso capilar empleando agua destilada como líquido de referencia 2. Mediante el método del ascenso capilar, determinar la tensión superficial de cada una de las soluciones que se indican en la tabla. 3. Registrar la temperatura a la que se llevó a cabo el experimento. 4. Determinar mediante un picnómetro la densidad en g/cm3, de cada una de las disoluciones. Fig. 3.1. Detalle esquemático del método de ascenso capilar para la determinación de tensión superficial en líquidos Fig. 3.2 Montaje del dispositivo para la la determinación de la tensión superficial. 1) Pipeta pasteur; 2) Tapón de hule horadado; 3) Cuba de la trampa de humedad; 4) Tapón de hule horadado; 5) Pipeta pasteur despostillada; 6) Tramo de manguera de hule; 7) Brazo de la trampa de humedad; 8) Vista amplificada del tubo capilar colocado en su sitio dentro de la cuba de la trampa de humedad. 4. RESULTADOS 4.1 Agua Tabla 4.1.1 Obtención de densidad del agua a 20°C por picnómetro. Tabla 4.1.2 Cálculo del radio de la pipeta pasteur 4.2 Etanol Tabla 4.2.1 Calculo h prom. Experimental, densidad y tensión superficial tubo 1 hp 1.52 1.92 1.6 1.88 1.54 1.91 1.58 1.9 Prom 1.56 1.94 Prom h 1.75 cm p(g/mL) / kg/m^3 0.9885 988.5139 V(mL) ms mp 10.578 26.9235 16.467 hs Tensión 0.06463 N/m hs ms tubo 2 hp 2 1.95 1.99 hs 1.98 2.01 2.09 1.9800 2.0267 2.0033 cm 0.9875 987.5024 mp 26.9128 16.467 tubo 3 hp 1.62 1.74 1.78 hs 1.81 1.84 1.91 1.7133 1.8533 1.7833 cm 0.9865 986.4625 ms mp 26.9018 16.467 0.0739 N/m tubo 4 hp 1.58 1.54 1.6 1.78 1.84 1.88 1.5733 1.8333 1.7033 cm 0.9850 985.0066 ms mp 26.8864 16.467 0.06572 N/m 0.06268 N/m tubo 5 hp 1.5 1.68 1.56 hs 1.8 1.82 1.81 1.5800 1.8100 1.695 cm 0.9838 983.8438 ms mp 26.8741 16.467 0.06230 N/m Tabla No. 4.2.2 Radio y Gravedad Etanol Tabla 4.2.3 Obtención de la tensión superficial y radio del etanol a distintas concentraciones C (mol/m^3) ϒ(N/m) ∆C 0 0.0728 160 0.06463 320 0.0739 480 0.06572 640 0.06268 800 0.0623 ∆ϒ 160 160 160 160 160 ∆ϒ/∆C -0.0082 0.0093 -0.0082 -0.0030 -0.0004 C°(mol/m^3) Г(mol/m^2) 0 0 -0.0000511 80 1.676E-06 0.0000579 240 -5.705E-06 -0.0000511 400 8.390E-06 -0.0000190 560 4.365E-06 -0.0000024 720 7.016E-07 Grafica 4.2.1 Tensión superficial en relación con la concentración de Etanol 4.3 Propanol Tabla No. 4.3.1 Calculo h prom. Experimental, densidad y tensión superficial Prom Prom h p(g/mL)/kg/m^3 V(mL) ms 10.2911 tubo 1 hp 1.96 2.07 1.74 1.78 2.2 1.9 2.1 1.9 1.7 1.99 1.94 1.928 1.934 cm 0.9961 996.0548 mp 30.2615 20.011 Tensión 0.07197 N/m hs hs ms tubo 2 hp 1.63 1.69 1.4 1.65 2.1 1.68 2.06 1.68 2.1 1.74 1.8580 1.6880 1.773 cm 0.9933 993.3049 mp 30.2332 20.011 0.0658 N/m tubo 3 hp 1.76 1.46 1.92 1.58 1.86 1.66 1.87 1.57 1.92 1.64 1.8660 1.5820 1.7240 cm 0.9920 992.0319 ms mp 30.2201 20.011 hs 0.06389 N/m Tabla No. 4.3.2 Radio y Gravedad Propanol r 0.0007617 m g 9.81 m/s^2 tubo 4 hp 1.64 1.6 1.7 1.55 1.9 1.76 1.83 1.5 1.87 1.76 1.7880 1.6340 1.711 cm 0.9910 990.9922 ms mp 30.2094 20.011 hs 0.06335 N/m tubo 5 hp 1.66 1.5 1.2 1.5 1.15 1.25 1.83 1.45 1.8 1.5 1.5280 1.4400 1.484 cm 0.9900 989.9914 ms mp 30.1991 20.011 hs 0.05489 N/m Tabla No. 4.3.3 Obtención de la tensión superficial y radio del propanol a distintas concentraciones C (mol/m^3) ϒ(N/m) ∆C ∆ϒ ∆ϒ/∆C C°(mol/m^3) Г(mol/m^2) 0 0.0728 0 0 160 0.07197 160 -0.0008 -0.0000052 80 1.703E-07 320 0.0658 160 -0.0062 -0.0000386 240 3.797E-06 480 0.06389 160 -0.0019 -0.0000119 400 1.959E-06 640 0.06335 160 -0.0005 -0.0000034 560 7.754E-07 800 0.05489 160 -0.0085 -0.0000529 720 1.562E-05 Grafica 4.3.1 Tensión superficial en relación con la concentración de Propanol Гmax(mol/m^2) NA 1.5619E-05 6.022E+23 Área de una molecula 9.40595E+18 molecula/m^2 1.0632E-19 m^2/molecula 4.4 Butanol Tabla 4.4.1 Calculo h prom. Experimental, densidad y tensión superficial hs Prom Prom h p(g/mL) / kg/m^3 V(mL) ms 10.421 Tensión tubo 1 hp 1.57 1.86 1.51 1.89 1.5 1.86 1.54 1.9 1.83 1.86 1.59 1.874 1.732 cm 0.9907 990.6919 mp 27.364 17.04 0.06410 N/m tubo 2 hp 1.56 1.68 1.66 1.7 1.39 1.69 1.73 1.68 1.37 1.67 1.5420 1.6840 1.613 cm 0.9897 989.7035 ms mp 27.3537 17.04 hs 0.0596 N/m tubo 3 hp 1.27 1.63 1.08 1.57 1.32 1.58 1.69 1.6 1.36 1.58 1.3440 1.5920 1.4680 cm 0.9889 988.9166 ms mp 27.3455 17.04 hs 0.05424 N/m hs tubo 4 hp 1.67 1.52 1.26 1.32 hs 1.29 1.25 1.3 1.27 1.4425 1.2775 1.36 cm 0.9881 988.0530 ms mp 27.3365 17.04 0.05020 N/m tubo 5 hp 0.96 1.08 1.06 1.04 1.2 1.05 1.14 1.22 1.0350 1.1525 1.094 cm 0.9874 987.3908 ms mp 27.3296 17.04 0.04035 N/m Tabla No. 4.4.2 Radios y Gravedad Butanol r 0.0007617 m g 9.81 m/s^2 Tabla No. 4.4.3 Obtención de la tensión superficial y radio del butanol a distintas concentraciones C (mol/m^3) ϒ(N/m) ∆C ∆ϒ ∆ϒ/∆C C°(mol/m^3) Г(mol/m^2) 0 0.0728 0 0 160 0.0641 160 -0.0087 -0.0000544 80 1.785E-06 320 0.0596 160 -0.0045 -0.0000281 240 2.769E-06 480 0.05424 160 -0.0054 -0.0000335 400 5.498E-06 640 0.0502 160 -0.0040 -0.0000253 560 5.801E-06 800 0.04035 160 -0.0099 -0.0000616 720 1.819E-05 Grafica 4.4.1 Tensión superficial en relación con la concentración de Butanol 4.5 Pentanol Tabla 4.5.1 Calculo h prom. Experimental, densidad y tensión superficial Tabla No. 4.5.2 Radios y Gravedad Pentanol r 0.0007617 m g 9.81 m/s^2 Tabla 4.5.3 Obtención de la tensión superficial y radio del pentanol a distintas concentraciones Grafica 4.5.1 Tensión superficial en relación con la concentración de Pentanol 4.6 Concentración Tabla 4.6.1 Tensión superficial y concentraciones de los cuatro alcoholes tratados. Concentración(M) pentanol etanol propanol butanol 0 0.0728 0.0728 0.0728 0.0728 0.16 0.0529 0.06463 0.07197 0.0641 0.32 0.0463 0.0739 0.0658 0.0596 0.48 0.0446 0.06572 0.06389 0.05424 0.64 0.036 0.06268 0.06335 0.0502 0.8 0.02805 0.0623 0.05489 0.04035 Grafica 4.6.1 Representación de la Tensión superficial y concentraciones de los cuatro alcoholes tratados. 5. ANÁLISIS La tensión superficial es la cantidad de energía requerida para poder aumentar su superficie por unidad de área si bien esta es única por cada sustancia también se verá afectada por la influenciada en cuestión de interacciones con otro tipo de sustancias. 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 comprende ya 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. 0.08 Tensión superficial(N/m) 0.07 0.06 0.05 Pentanol 0.04 Etanol 0.03 Propanol 0.02 Butanol 0.01 0 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 Concentación(M) Figura 5.1 Comportamiento de la tensión superficial con los diversos alcoholes, así como su concentración. Observando el comportamiento expresado en la figura uno, se puede notar que en ciertos de alcoholes la tensión superficial tiende a descender, de alguna manera todos lo están haciendo, pero en algunos casos esto es más notorio que en otros, mientras mayor tensión se presente mayor fuerza entre las interacciones habrá. En concordancia con los resultados mostrados en la figura 5.1, según la cual la tensión superficial de estas sustancias en solución cambia muy poco con relación a la del agua pura, podemos inferir que las interacciones soluto-soluto, solutosolvente y solvente-solvente en el interior de las soluciones acuosas del etanolagua, propanol-agua, butanol-agua y pentanol-agua son muy similares y compatibles con predominio de las interacciones soluto-solvente. Las isotermas de Gibbs de los diferentes sistemas de alcohol-agua que fueron etanol, propanol, butanol y pentanol nos muestra un comportamiento muy peculiar ya que al aumentar el número de carbonos en la molécula el descenso de la tensión superficial es mayor, esto se debe a las interacciones intermoleculares que existen durante este fenómeno de superficie. Con esto nos referimos a la polaridad que tiene cada una de las moléculas, mientras más grande sea la cadena hidrocarbonada (parte apolar) la parte polar estará menos disponible a posibles interacciones con el agua y a su vez con el capilar, esto se debe a que forman puentes de hidrogeno entre si ya que el material con el que está constituido el vidrio es polar. El oxígeno como se sabe tiene dos pares de electrones libres los cuales interaccionaran con las sustancias en prueba, como se mencionó con puentes de hidrogeno entre sí. Es por esto que el descenso de la tensión superficial es significativo mientras más larga sea la cadena no polar. Para enfatizar más en esta discusión, es conveniente examinar el comportamiento de la concentración superficial del soluto (Γ) calculada usando la ecuación de Gibbs, teniendo en cuenta que la disociación del alcohol es despreciable. Figura 5.2. Posibles casos que se pueden presentar de acuerdo con el fenómeno de tensión superficial con respecto a la concentración Con respecto a la figura dos, esta es una representación de los tres posibles casos que se pueden presentar en la tensión superficial de algunos líquidos cada uno referido con respecto a las interacciones intermoleculares (fuerza) que se establecen. Si combinamos dos líquidos con tensión superficial similar, la tensión superficial global de la mezcla varia de forma en lo posible, lineal con la concentración. En el caso de las tensiones superficiales de los líquidos puros difieran considerablemente entre sí, la mezcla dependerá en mayor proporcioné la tensión superficial del soluto. En caso de que la tensión superficial de soluto sea mucho menor que la del solvente entonces la adición de cantidades pequeñas del soluto con lleva a que se presente un descenso en la tensión superficial de la mezcla Haciendo la comparación entre la figura 5.1 y la figura 5.2 comenzando con el etanol se puede notar que tiende más a un comportamiento (I) como se expresa en la figura 5.2 esto quiere dar a denotar que la tensión superficial aumenta y por lo tanto se solvata con mayor fuerza, ahora bien, con respecto al propanol este sigue casi la misma tendencia del etanol denotando de igual forma el mismo comportamiento ya que algunos puntos se sobreponen con los del etanol resultando en un aumento de la tensión superficial, sin embargo el butanol ya no sigue la misma tendencia que el etanol y el propanol ahora sigue la tendencia (II) presentada en la figura 5.2 por lo que se puede deducir que la tensión superficial disminuyo levemente esto quiere decir que la solvatación no se realizó lo suficientemente fuerte por lo tanto las interacciones disminuyeron y finalmente con el pentanol, este presenta una tendencia entre los comportamiento (II) y (III) ya que su descenso es mayor que el de los tres alcoholes anteriores, no se puede decir que se encuentra en un solo comportamiento ya que no es del todo parecido entre ambas, pero si se quisiera concluir se podría tomar que es más parecido al número (II) indicando una leve disminución en cuestión de sus interacciones y por lo tanto una tensión superficial mucho menor que la de los alcoholes anteriores. Con respecto a los valores de Γ todos fueron positivos lo que quiere decir que no se está trabajando en el seno de la solución sino más bien el trabajo se está produciendo en la superficie. 6. CONCLUSIONES • • • • Se determino el efecto de la adición de alcoholes sobre la tensión superficial del agua arrojando valores de tensión de 0.05287 N/m para el tubo 1, 0.0463 N/m para el tubo 2, 0.04463 N/m para el tubo 3, 0.03600 N/m para él tuvo 4 y finalmente un valor de 0.02805 N/m para el tubo 6 todo con respecto al pentanol Se determino la diferencia de las tenciones superficiales de cada alcohol a través de la gráfica (figura 5.1) denotando que la mayoría de los alcoholes pertenecen a la clasificación (I) y (II) según la figura 5.2 por lo tanto sus interacciones no disminuyen del todo Se expreso un signo positivo de Γ indicando que el trabajo actúa sobre la superficie Se concluye que los alcoholes actúan como agentes tensoactivos al modificar la tensión superficial del agua • • Es importante medir el volumen del picnómetro ates de realizar cualquier medición. Como recomendación podemos decir que el método de ascenso capilar es preciso si y solo si se toman las lecturas de la manera correcta, si medimos desde la base hasta la altura del otro líquido, los resultados no serán los óptimos. Aplicaciones en la Industria Farmacéutica El proceso de micelación juega un rol importante en la elaboración de preparaciones farmacéuticas, ya que el medio que proporcionan facilita la disolución de otros compuestos. En cosmética y farmacia se incorporan principios activos a liposomas los que debido a su estructura lipofílica favorecen la absorción. Tensoactivos de uso farmacéutico: Existen numerosos medicamentos que presentan una actividad biológica ligada a su actividad surfactante, entre ellos: estructuras simples como las sales de amonio cuaternario (bactericidas), y estructuras aromáticas y heterocíclicas complejas (analgésicos fenantrénicos). 7. BIBLIOGRAFÍA • • • • Chang,R.(2008). Fisicoquímica. (3° ed.). España: McGraw-Hill Interamericana. Adamson ,R & Arthur K. (1990). Physical chemistry of surfaces. (5th ed). New York: Ed. John Wiley & Sons. Gracia-Fadrique, 1999 Langmuir-Bet surface equation of state influid-fluid interfaces Langmuir, 15 (1999), pp. 3279-3282 Federico D. Sandoval-Ibarra, José L. López-Cervantes, Jesús GraciaFadrique, Ecuación de Langmuir en líquidos simples y tensoactivos, Educación Química, Volume 26, Issue 4, 2015, Pages 307-313, ISSN 0187893X, https://doi.org/10.1016/j.eq.2015.03.002. 8. MEMORIA DE CÁLCULO Agua ℎ𝑠 = 1.99 + 1.84 + 1.79 + 1.63 = 1.8125 𝑐𝑚 4 ℎ𝑠 = 2.09 + 2.08 + 2.07 + 2.19 = 2.1075 𝑐𝑚 4 Altura promedio (1.8125 + 2.1075) 2 ℎ 𝑝𝑟𝑜𝑚 = = 0.0196 𝑚 100 Tensión del agua 𝑇𝑒𝑛𝑠𝑖ó𝑛 = (72.88)(100)(0.00001) = 0.07288 𝑁 𝑚 𝑟 𝑁 (2)(0.07288 ) 𝑚 r= = 7.617𝑥10−04 𝑚 => 7.617𝑥10−02 𝑐𝑚 𝐾𝑔 𝑚 (9.81 2 )(995.2940 3 )(0.0196 𝑚) 𝑠 𝑚 Pentanol Tubo 1: promedios (hs=1.2025, hp=1.6375) 1.2025 + 1.6375 ℎ 𝑝𝑟𝑜𝑚 = = 1.42 𝑐𝑚 2 Densidad 27.4201𝑔 − 16.8957𝑔 = ∗ 1000 = 996.5344 𝐾𝑔/𝑚3 10.561 𝑚𝐿 Tensión 𝐾𝑔 𝑚 (0.0007616 𝑚) (9.81 2 ) (996.5344 3 ) (1.42 𝑚) 𝑠 𝑚 𝑁 100 𝑇𝑒𝑛𝑠𝑖ó𝑛 = = 0.05287 2 𝑚 ∆C Δ𝐶 = 𝐶2 − 𝐶1 𝑚𝑜𝑙 𝑚𝑜𝑙 𝑚𝑜𝑙 Δ𝐶 = 320 3 − 160 3 = 160 3 𝑚 𝑚 𝑚 ∆Y Δ𝑌 = 𝑌2 − 𝑌1 𝑁 𝑁 𝑁 Δ𝑌 = 0.0529 − 0.0728 = −0.0199 𝑚 𝑚 𝑚 Δ𝑌 Δ𝐶 𝑁 Δ𝑌 −0.0199 𝑚 = = −0.0001246 𝑚𝑜𝑙 Δ𝐶 160 3 𝑚 Γ 𝑚𝑜𝑙 80 3 𝑚𝑜𝑙 𝑚 Γ = −( ) (−0.0001246) = 4.089𝑋10−06 2 𝐽 𝑚 (8.3144 ) (293.15𝐾) 𝐾 ∗ 𝑚𝑜𝑙 Área de la molécula Γmax = 1.4678𝑥10−05 𝑚𝑜𝑙 𝑚2 𝑁°𝐴𝑏𝑜𝑔𝑎𝑑𝑟𝑜 = 6.022𝑥1023 𝑚𝑜𝑙 𝑚𝑜𝑙𝑒𝑐𝑢𝑙𝑎𝑠 )(6.022𝑥1023 ) = 8.83893𝑥1018 2 𝑚 𝑚2 𝑚𝑜𝑙𝑒𝑐𝑢𝑙𝑎𝑠 −1 𝑚2 18 −19 𝐴 = (8.83893𝑥10 ) = 1.13136𝑋10 𝑚2 𝑚𝑜𝑙𝑒𝑐𝑢𝑙𝑎𝑠 𝐴 = (1.4678𝑥10−05
