11.5: Tensión Superficial, Acción Capilar y Viscocidad

Tensión superficial

Las diversas FIM entre moléculas idénticas de una sustancia son ejemplos de fuerzas cohesivas. Las moléculas dentro de un líquido están rodeadas por otras moléculas y son atraídas igualmente en todas las direcciones por las fuerzas cohesivas dentro del líquido. Sin embargo, las moléculas en la superficie de un líquido son atraídas sólo aproximadamente por la mitad de las moléculas. Debido a las atracciones moleculares desequilibradas en las moléculas de superficie, los líquidos se contraen para adoptar una forma que minimice el número de moléculas en la superficie, es decir, la forma con la mínima área de superficie. Una pequeña gota de líquido tiende a asumir una forma esférica. Esto se debe a que la relación entre el área de superficie y el volumen es mínima en una esfera. Las gotas más grandes se ven más afectadas por la gravedad, la resistencia al aire, las interacciones de la superficie, etc., y como resultado, son menos esféricas.

La tensión superficial se define como la energía necesaria para aumentar la superficie de un líquido o la fuerza necesaria para aumentar la longitud de una superficie líquida en una cantidad determinada. Esta propiedad resulta de las fuerzas cohesivas entre moléculas en la superficie de un líquido y hace que la superficie de un líquido se comporte como una membrana de caucho estirada. Entre los líquidos comunes, el agua presenta una tensión superficial claramente alta debido a los fuertes puentes de hidrógeno entre sus moléculas. Como resultado de esta alta tensión superficial, la superficie del agua representa una “piel relativamente dura” que puede soportar una fuerza considerable sin romperse. Una aguja de acero cuidadosamente colocada en el agua flotará. Algunos insectos, aunque son más densos que el agua, se mueven sobre su superficie porque son sostenidos por la tensión superficial.

Fuerzas de adhesión y cohesión

Las FIM de atracción entre dos moléculas diferentes se denominan fuerzas de adhesión. Considere lo que sucede cuando el agua entra en contacto con alguna superficie. Si las fuerzas adhesivas entre las moléculas de agua y las moléculas de la superficie son débiles en comparación con las fuerzas cohesivas entre las moléculas de agua, el agua no “moja” la superficie. Por ejemplo, el agua no moja las superficies enceradas ni muchos plásticos como el polietileno. Se forman gotas de agua en estas superficies porque las fuerzas cohesivas dentro de las gotas son mayores que las fuerzas adhesivas entre el agua y el plástico. El agua se extiende sobre el vidrio porque la fuerza adhesiva entre el agua y el vidrio es mayor que las fuerzas cohesivas dentro del agua. Cuando el agua está confinada en un tubo de vidrio, su menisco (superficie) tiene una forma cóncava porque el agua moja el vidrio y se arrastra hacia arriba por el lado del tubo. Por otro lado, las fuerzas cohesivas entre los átomos de mercurio son mucho mayores que las fuerzas adhesivas entre el mercurio y el vidrio. El mercurio, por lo tanto, no moja el vidrio, y forma un menisco convexo cuando está confinado en un tubo porque las fuerzas cohesivas dentro del mercurio tienden a dibujarlo en una gota.

Acción capilar

Si un extremo de una toalla de papel se coloca en vino derramado, el líquido hace que la toalla de papel se moje. Un proceso similar ocurre en una toalla de tela cuando usted la usa para secarse después de una ducha. Estos son ejemplos de acción capilar— Cuando un líquido fluye dentro de un material poroso debido a la atracción de las moléculas líquidas a la superficie del material y a otras moléculas líquidas. Las fuerzas adhesivas entre el líquido y el material poroso, combinadas con las fuerzas cohesivas dentro del líquido, pueden ser lo suficientemente fuertes como para mover el líquido hacia arriba contra la gravedad.

Las toallas absorben líquidos como el agua porque las fibras de una toalla están hechas de moléculas que son atraídas hacia las moléculas de agua. La mayoría de las toallas de tela están hechas de algodón, y las toallas de papel generalmente están hechas de pulpa de papel. Ambos consisten en moléculas largas de celulosa que contienen muchos grupos −OH. Las moléculas de agua son atraídas a estos grupos −OH y forman puentes de hidrógeno con ellos, lo que extrae las moléculas de H2O a las moléculas de celulosa. Las moléculas de agua también son atraídas unas a otras, así que grandes cantidades de agua son atraídas a las fibras de celulosa.

La acción capilar también puede ocurrir cuando un extremo de un tubo de diámetro pequeño se sumerge en un líquido. Si las moléculas líquidas son fuertemente atraídas a las moléculas del tubo, el líquido se arrastra por el interior del tubo hasta que el peso del líquido y las fuerzas adhesivas están en equilibrio. Cuanto menor sea el diámetro del tubo, mayor será el nivel de subida del líquido.

Viscosidad

Cuando usted vierte un vaso de agua o llena un coche con gasolina, el agua y la gasolina fluyen libremente. Pero cuando usted vierte el jarabe en panquecas o agrega aceite al motor de un coche, el jarabe y el aceite del motor no fluyen tan fácilmente. La viscosidad de un líquido es una medida de su resistencia al flujo. El agua, la gasolina y otros líquidos que fluyen libremente tienen una viscosidad baja. La miel, el jarabe, el aceite de motor y otros líquidos que no fluyen libremente tienen una mayor viscosidad. Podemos medir la viscosidad midiendo la velocidad a la que una bola de metal cae a través de un líquido (la bola cae más lentamente a través de un líquido más viscoso) o midiendo la velocidad a la que un líquido fluye a través de un tubo estrecho (los líquidos más viscosos fluyen más lentamente).

Las FIM entre las moléculas de un líquido, el tamaño y la forma de las moléculas así como la temperatura determinan la facilidad con la que fluye un líquido. Cuanto más compleja sea la molécula estructuralmente, más fuertes son las FIM entre ellas y más difícil es para ellas moverse una al lado de la otra. Los líquidos con estas moléculas son más viscosos. A medida que la temperatura aumenta, las moléculas se mueven más rápidamente y sus energías cinéticas son más capaces de superar las fuerzas que las mantienen juntas; así, la viscosidad del líquido disminuye.

Este texto es adaptado de Openstax, Química 2e, Sección 10.2: Propiedades de los líquidos.

Alguna vez se preguntó por qué flota una moneda de yenes cuando se coloca cuidadosamente sobre el agua? La mayoría de las propiedades de los líquidos están dictadas por fuerzas intermoleculares. Las fuerzas de atracción entre moléculas similares en una sustancia también se denominan fuerzas cohesivas.

En el agua, las fuerzas cohesivas tiran de las moléculas interiores en todas las direcciones por igual, lo que da como resultado una fuerza neta cero en promedio, mientras que las moléculas de la superficie solo experimentan un desplazamiento hacia abajo, lo que hace que las moléculas se agrupen muy juntas. Las moléculas interiores son energéticamente más estables que las moléculas en la superficie porque experimentan más cohesión, lo que reduce su energía potencial. Los fluidos, por lo tanto, tratan de reducir su energía potencial minimizando la superficie, creando una superficie bajo tensión que se comporta como una membrana elástica.

La energía necesaria para aumentar el área de la superficie de un líquido en una cantidad unitaria se llama tensión superficial, que a menudo se mide en julios por metro cuadrado. Las fuerzas adhesivas, por el contrario, existen entre moléculas diferentes, como el agua y el vidrio. Al colocar un tubo capilar estrecho en agua, las moléculas de agua se esparcen por las superficies del tubo por adherencia, aumentando el área superficial del líquido y arrastrando el resto del líquido por cohesión.

El líquido en el capilar sube hasta que la gravedad supera las fuerzas adhesivas y cohesivas. Este fenómeno se llama acción capilar. Para el agua, las fuerzas adhesivas entre el agua y el vidrio son más fuertes que las fuerzas cohesivas, lo que da como resultado un menisco cóncavo o curvado hacia adentro.

Para el mercurio, las fuerzas cohesivas superan a las fuerzas adhesivas, lo que resulta en un menisco convexo. La viscosidad expresa la resistencia de un líquido al fluir y a menudo se mide en equilibrio, o gramos por centímetro-segundo. Considere el metanol y el glicerol.

Aunque ambos forman enlaces de hidrógeno, el glicerol tiene tres grupos OH en lugar de uno y forma más enlaces de hidrógeno por molécula. Esto da como resultado una atracción más fuerte entre las moléculas de glicerol, lo que hace que el glicerol sea más viscoso que el metanol. La viscosidad está influenciada por las formas moleculares.

Los hidrocarburos de masas y longitudes molares crecientes interactúan en áreas más grandes y se enredan con mayor frecuencia, lo que resulta en fuerzas de dispersión más fuertes y viscosidades más altas. Por último, la viscosidad depende de la temperatura. El aumento de la energía térmica debilita las fuerzas intermoleculares, correspondientes a las moléculas que se mueven más libremente y los líquidos fluyen más rápido a temperaturas más altas.