Resumen

Cuando era pequeña alguna vez observe como se paraban sobre el agua algunos insectos tal pareciera que se posaban sobre una membrana, ahora ya sé que esto se debe al fenómeno de tensión superficial, las propiedades del agua radican en la simplicidad de su estructura molecular dos átomos de oxígeno y uno de hidrogeno que por sus propiedades electromagnéticas logran atraerse; las fuerzas de cohesión que se establecen entre las moléculas superficiales del agua con las fuerzas de atracción de fuentes de  hidrogeno son distintas a las del interior, en el interior cada molécula de agua está rodeada de lisinas próximas que ejercen  fuerzas intermoleculares de cohesión se encuentra atraída de igual fuerza por todos los sentidos y direcciones en donde dan una fuerza resultante nula sin embargo en la superficie del líquido  se aprecia un fenómeno diferente ya que no hay moléculas por encima de las que se encuentran en la superficie formando una fuerza neta formando a si una especie de película que pareciera difícil de romper. Entonces la tensión superficial crea fuerzas en la superficie del líquido entre las moléculas más superficiales que impiden que los objetos se hundan.

Pregunta de Investigación

Planteamiento del Problema

La tensión superficial es un fenómeno intermolecular en todas sus direcciones, el cual origina una   membrana sobre la  superficie logrando una  capa  que  permite  el  descanso  de  cualquier  especie  u  objeto de ligero peso.

Considero relevante este fenómeno ya que a   simple vista es difícil poder observarlo.

Antecedentes

Este fenómeno tiene su origen en las fuerzas intermoleculares o de Van der Waals. Una molécula inmersa en un líquido experimenta interacciones con otras moléculas por igual en todas las direcciones. Las fuerzas de Van der Waals se llaman así en honor al físico holandés Johannes van der Waals.

Lo primero que hay que saber es que las substancias químicas y que las fuerzas de van der Waals son fuerzas de estabilización molecular (dan estabilidad a la unión entre varias moléculas), también conocidas como atracciones intermoleculares o de largo alcance y son las fuerzas entre moléculas.

La tensión superficial en agua: las fuerzas intermoleculares de atracción entre moléculas de agua se deben a los enlaces de hidrogeno y estos representan un alto grado de energía, la tensión superficial del agua es mucho mayor que la de otros líquidos.

A las moléculas de agua les gusta estar con otras moléculas de agua, se llama cohesión. La cohesión es debida al carácter polar de las moléculas de agua.cohesión en los diferentes estados:

Tanto los gases como los líquidos son fluidos, pero los líquidos tienen una propiedad de la que carecen los gases: tienen una superficie “libre”, o sea tienen una superficie cuya forma no está determinada por la forma del recipiente que lo contiene. Esta superficie se forma por una combinación de atracción gravitacional de la tierra (fuerza ocasionada por el peso) y de fuerzas entre moléculas del líquido. Una consecuencia de eso es que en la superficie de los líquidos actúa una fuerza que no está presente en el interior de los líquidos (salvo que haya burbujas en el interior), por eso llamada “tensión superficial”.

Sin embargo, las moléculas situadas en la superficie acuosa sólo se ven afectadas por las vecinas que tienen por debajo. Así, se origina una especie de película mantenida por las fuerzas intermoleculares del fluido, que alcanzan valores elevados, aunque para distancias cortas. Esto hace que, por ejemplo, un clip pueda descansar en la superficie del agua. En cambio, si apoyamos un leño, el grosor del mismo es suficiente para que las fuerzas de Van der Waals no se manifiesten

Estas fuerzas son las responsables de muchos fenómenos físicos y químicos como la adhesión, rozamiento, difusión, tensión superficial y la viscosidad.

Según la definición que nos ofrece la Física, la tensión superficial de un líquido es la cantidad de energía necesaria para aumentar su superficie por unidad de área.
De hecho las fuerzas de van der Waals son las fuerzas atractivas o repulsivas entre moléculas (o entre partes de una misma molécula) distintas a aquellas debidas a un enlace (covalente, iónico o metálico). Incluyen a atracciones entre átomos, moléculas y superficies fuera de los enlaces normales.

Antes de explicar cada una de las fuerzas posibles de van der Waals es importante conocer que hay moléculas polares y no polares.

Moléculas Polares y NO Polares

Resumiendo, las MOLÉCULAS POLARES son las que tienen una zona con una pequeña carga negativa y otra zona con una pequeña carga positiva. (la parte negativa atraerá a la zona positiva de otras moléculas y viceversa).
Ejemplos de moléculas Polares:

Agua H2O, Amoníaco NH3 , Fluoruro de Hidrógeno HF , Fosfina PH3 , Cloformo CHCl3.

Las MOLÉCULAS NO POLARES son las que no tienen esas zonas de carga eléctrica separadas.
Ejemplos de Moléculas No Polares:

Tetracloruro de Carbono CCl4, Dióxido de Carbono CO2, Cloro Cl2, Trióxido de Azufre SO3, Hidrógeno H2.

Fuerzas de Van der Waals

Ahora que ya sabemos que hay moléculas polares y no polares explicaremos los 3 tipos de fuerzas diferentes de van der Waals que pueden darse entre moléculas.

DIPOLO-DIPOLO: Cuando dos moléculas polares (dipolo) se aproximan, se produce una atracción entre el polo positivo de una de ellas y el negativo de la otra Se forma entre un dipolo positivo de una molécula polar con el dipolo negativo de otra polar. Una atracción dipolo-dipolo es una interacción no covalente entre dos moléculas polares. Las moléculas que son dipolos se atraen entre sí cuando la región positiva de una está cerca de la región negativa de la otra. Podríamos decir que es similar al enlace iónico, pero mucho más débil. Esta fuerza de atracción entre dos dipolos es tanto más intensa cuanto mayor es la polarización de dichas moléculas polares.

Importancia de las Fuerzas de Van der Waals.

Gracias a ellas podemos explicar la adhesión, el rozamiento, la difusión, la tensión superficial y la viscosidad. Por ejemplo, porque por la nafta es líquida, el metano es un gas y el polietileno (que es un polímero compuesto por C y por H únicamente) es un sólido. Las fuerzas de Van der Waals, aun siendo tan débiles, definen el carácter químico de muchos compuestos orgánico

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.

La tensión superficial disminuye al aumentar la temperatura, esto se debe a que las fuerzas de cohesión disminuyen al aumentar la agitación térmica.

Seguramente te haya pasado que al impregnarte de aceite o de grasa de algún embutido, al lavarte las manos simplemente dejando el chorro de agua caer, no se te han quedado limpias, y aún siguen resbaladizas y con un tacto raro. Esto es porque todavía sigues teniendo grasa.

Dicha grasa forma una capa cérea que el agua no puede atravesar, por lo que no arrastra la totalidad de la grasa. Al echarnos jabón, la tensión superficial de dicha agua se reduce (las gotas son más pequeñas), por lo que son capaces de atravesar la grasa y hacer que este a flote, de forma que su eliminación es mucho más fácil.

¡Por cierto! algunos animales que se posan en el agua, como los cisnes, hacen lo mismo con sus alas para continuar flotando. Sus alas tienen una tensión superficial que impiden que el agua pueda mojarlas.

Ahora que ya sabemos por qué aparentemente flota, vamos a ver por qué se hunde al añadir detergente. Los detergentes hacen que la tensión superficial del agua disminuya porque interfieren en las fuerzas de cohesión.

Los detergentes son sustancias químicas que tienen la capacidad de deshacer o separar la suciedad que está en la superficie de un objeto sin corroerlo ni dañarlo y se les conoce como agentes limpiadores. Para que se les considere detergentes, deben eliminar tanto la grasa como la suciedad sin afectar a los tejidos.

La estructura de los detergentes se compone de dos partes: una llamada lipofílica y la otra, hidrofílica.

– Parte lipofílica: tiene afinidad con grasas y aceites y se encarga de ubicarlos cuando se aplica un detergente.

– Parte hidrofílica: tiene afinidad con el agua y le da a los detergentes la característica de mantener sus capacidades limpiadoras en el agua.

Por lo general se les atribuye a los detergentes la capacidad de modificar la tensión superficial del agua para llevar a cabo el proceso limpiador.

Los detergentes tienen la capacidad de contener ácidos, fosfatos o álcalis y pueden llegar a utilizarse como elementos antisépticos.

Todo comienza con las grasas de origen animal o aceites vegetales que se transforman en jabones. No es cuestión de magia: Esto se llama química, e implica una reacción muy sencilla denominada saponificación). Un jabón contiene las sales de sodio o potasio de los ácidos grasos, producto de la mezcla de un cuerpo graso (triglicéridos con un álcali, que puede ser hidróxido de sodio o de potasio).

¿Cómo funciona un jabón?

Como si se tratara de una batería con polos positivo y negativo, una molécula de jabón también tiene dos extremos de diferente afinidad.

La Figura. Representa una molécula de jabón. En rojo, la cabeza, con carga, es afín al agua porque son de polaridad similar. La cadena azul, denominada lipofílica, es afín a las grasas y repele al agua (CLAYDEN, 2005). A causa de esta estructura, el jabón posee una doble afinidad hacia la polaridad de otras moléculas y puede orientarse según el medio donde se encuentre.

Alguna vez hemos escuchado la frase “Tú y yo somos como el aceite y el agua, jamás podremos estar juntos”. Palabras muy fuertes. Es probable que quien usa esta expresión no conozca la química de un jabón, que puede disminuir la tensión superficial y, con ello, crear un efecto de emulsificación que es algo muy cercano a mezclarse.

En el agua, el jabón forma entre 100 y 200 micelas; es decir, asociaciones o conglomerados de moléculas que orientan sus cabezas con carga hacia la superficie del agregado molecular, mientras que las cadenas alifáticas quedan hacia dentro. La micela es una partícula energéticamente estable, ya que los grupos con carga están unidos mediante enlaces de hidrógeno de baja energía con las moléculas del agua circundante, mientras que los grupos afines a las grasas se orientan hacia el interior de la micela e interactúan con otros grupos de características similares.

Los jabones limpian debido a las afinidades diferentes de los extremos de sus moléculas. La suciedad grasa no se elimina fácilmente sólo con agua, que la repele por ser insoluble en ella. Sin embargo, el jabón posee una cadena larga alifática o hidrocarbonada sin carga que interactúa con la grasa, disolviéndola, mientras que la región con carga se orienta hacia el exterior, formando gotas. Una vez que la superficie de la gota grasa está cubierta por muchas moléculas de jabón, se forma una micela con una pequeña gota de grasa en el interior. Esta gota de grasa se dispersa fácilmente en el agua, ya que está cubierta por las cabezas con carga o aniones carboxilato del jabón, como se observa en la Figura. La mezcla que resulta de dos fases insolubles (agua y grasa), con una fase dispersada en la otra en forma de pequeñas gotas, se denomina emulsión. Por lo tanto, se dice que la grasa ha sido emulsionada por la solución jabonosa. De esta manera, en el proceso de lavado con un jabón, la grasa se elimina con el agua del lavado.

Objetivo

Investigar porque la tensión superficial de un ingrediente saca diferentes colores

Justificación

El interés que despertó en mi dicho tema fue a través de un programa de televisión, en donde exponían las reacciones y me intereso saber si puedo crear y dar a conocer que es la    TENSION SUPERFICIAL.

Hipótesis

Será  posible  identificar las características y reacciones  de  LA TENSION  SUPERFICIAL si utilizamos diferentes líquidos y materiales, entonces  se  podrá  observar  una  reacción.

Método (materiales y procedimiento)

Material:

Agua simple fría y caliente

Leche entera y desnatada

Pintura vegetal

Jabón quita grasa

alcohol

Recipiente hondo

Un cotonete

Clip de plástico

Procedimiento

Fig 1. Colocar en el recipiente la leche y la primer tintura vegetal una sola gota de color naranja sera suficiente.

Fig 2. Sobre el mismo recipiente se agrega el segundo color de tintura vegetal   que sera de color  azul.

Fig 3. Por ultimo colocamos el tercer color verde.

Fig 4. Ahora ponemos en un cotonete un

poco de jabón de trastes.

Fig 5. Ya listo el cotonete lo colocamos en medio de las pinturas vegetales y podamos observar la combinación de colores.

Fig 6. Este es el efecto que se produce al contacto con el jabon rompiendo la tension superficial.

Fig 7. Continuar colocando el cotonete con jabón en todas y cada una de las orillas para ver la tensión superficial.

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Fig 8. En un segundo experimento para observar a la tensión superficial en los líquidos, utilizamos un clip de plástico o sustituirla por una hoja de papel.

Fig 9. Con los siguientes materiales: alcohol y agua.

Fig 10. Sobre el agua se coloca un pedazo de papel o clip, podemos observar que se mantiene a flote sobre la piel de la tensión superficial.

Fig 11. Ahora colocamos la misma hoja en el alcohol y veremos que se hunde rompiendo la membrana.

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Fig 12. Por ultimo se puso la leche caliente y continuamos con el mismo procedimiento que el primero.

 Fig 13. Primera gota.

     Fig 14. Segunda gota.

             Fig 15. Tercera gota.

Fig 16. cotonete con jabón.

Fig 17.  colocar el cotonete con jabón en medio de las pinturas vegetales para que se esparza los colores vegetales.

Fig 18. A diferencia de la leche fría y la caliente en esta la tensión superficial disminuye con la temperatura es más alta.

Galería Método

Resultados

Efectivamente existe una membrana en cada uno de los líquidos que depende de la temperatura la fuerza de la tensión superficial y que existe substancias que pueden romperla.

Galería Resultados

Discusión

Conclusiones

Utilice 3 tipos de líquidos para poder formular mi hipótesis los cuales fueron leche fría y caliente, alcohol y agua simple; pude observar que las reacciones en cada uno de ellos fueron diferentes con la leche fría tardaba más en reaccionar la pintura vegetal que con la leche caliente, al contacto con el jabón.

Por otro lado en el procedimiento hecho con el agua y el papel efectivamente pude constatar la presencia de la membrana formada sobre la superficie la cual se rompe con la presencia del peso es decir si se colocara un objeto pesado se iría al fondo del recipiente.

Bibliografía

http://fsz.ifas.ufl.edu/surfacetensionandcapillarity/html/tension.htm

http://www.principia-malaga.com/k/images/pdf/tension

https://lanochedelosinvestigadores.fundaciondescubre.es/actividades/fisica-recreativa-tension-superficial/

http://www.sc.ehu.es/sbweb/fisica/fluidos/tension/introduccion/introduccion.htm _superficial.pdf

http://www.areaciencias.com/quimica/fuerzas-de-van-der-waals.html

http://www.revista.unam.mx/vol.15/num5/art38/

Summary

Research Question

Problem approach

Background

Objective

Justification

Hypothesis

Method (materials and procedure)

Method Gallery

Results

Results Gallery

Discussion

Conclusions

Bibliography