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10.2: Propiedades de los Líquidos

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    Objetivos de aprendizaje
    • Distinguir entre fuerzas adhesivas y cohesivas
    • Definir la viscosidad, la tensión superficial y el aumento capilar
    • Describir los roles de las fuerzas de atracción intermolecular en cada una de estas propiedades/fenómenos

    Cuando viertes un vaso de agua, o llenas un auto con gasolina, observas que el agua y la gasolina fluyen libremente. Pero cuando viertes jarabe en panqueques o agregas aceite al motor de un automóvil, notas que el jarabe y el aceite de 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, como los que se muestran en la Figura\(\PageIndex{1}\), tienen viscosidades más altas. 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).

    Figura\(\PageIndex{1}\): (a) La miel y (b) el aceite de motor son ejemplos de líquidos con altas viscosidades; fluyen lentamente. (crédito a: modificación de obra de Scott Bauer; crédito b: modificación de obra de David Nagy)
    Se muestran dos fotografías etiquetadas con “a” y “b”. La foto a muestra un frasco de miel con un cazo rociándolo sobre una galleta. Más galletas se muestran en una canasta al fondo. La foto b muestra el motor de un automóvil y una persona que agrega aceite de motor al motor.

    Los IMF entre las moléculas de un líquido, el tamaño y la forma de las moléculas y la temperatura determinan la facilidad con la que fluye un líquido. Como\(\PageIndex{1}\) muestra la Tabla, cuanto más estructuralmente complejas son las moléculas en un líquido y cuanto más fuertes sean las IMF entre ellas, más difícil es para ellas pasar unas de otras y mayor es la viscosidad del líquido. A medida que aumenta la temperatura, las moléculas se mueven más rápidamente y sus energías cinéticas son más capaces de superar las fuerzas que las mantienen unidas; así, la viscosidad del líquido disminuye.

    Tabla\(\PageIndex{1}\): Viscosidades de Sustancias Comunes a 25 °C
    Sustancia Fórmula Viscosidad (mPa·s)
    agua H 2 O 0.890
    mercurio Hg 1.526
    etanol C 2 H 5 OH 1.074
    octano C 8 H 18 0.508
    etilenglicol CH 2 (OH) CH 2 (OH) 16.1
    miel variable ~2,000—10,000
    aceite de motor variable ~50—500

     

    Los diversos IMF 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 por igual en todas las direcciones por las fuerzas cohesivas dentro del líquido. Sin embargo, las moléculas en la superficie de un líquido son atraídas solo por aproximadamente la mitad de las moléculas. Debido a las atracciones moleculares desequilibradas en las moléculas superficiales, los líquidos se contraen para formar una forma que minimiza el número de moléculas en la superficie, es decir, la forma con el área superficial mínima. Una pequeña gota de líquido tiende a asumir una forma esférica, como se muestra en la Figura\(\PageIndex{2}\), porque en una esfera, la relación de superficie a volumen es mínima. Las caídas más grandes se ven más afectadas por la gravedad, la resistencia al aire, las interacciones superficiales, etc., y como resultado, son menos esféricas.

    Figura\(\PageIndex{2}\): Las fuerzas atractivas dan como resultado una gota de agua esférica que minimiza el área superficial; las fuerzas cohesivas mantienen unida la esfera; las fuerzas adhesivas mantienen la gota unida a la banda. (foto de crédito: modificación de obra por “OliBac” /Flickr)
    Se muestra una foto de una telaraña con gotitas de agua adheridas a ella. Dos imágenes se muestran a la derecha de la foto y flechas conducen de la foto a las imágenes. La imagen superior muestra veintiocho esferas azules apiladas una encima de la otra en la parte inferior de un fondo circular. Se dibujan cinco flechas apuntando a los lados y hacia abajo desde la esfera en la parte superior media del dibujo. La imagen inferior muestra otro fondo circular del mismo tamaño que el primero, pero esta vez las esferas azules llenan la imagen y se empaquetan muy juntas. Una esfera en el medio tiene seis flechas apuntando en todas direcciones alejadas de ella.

    La tensión superficial se define como la energía requerida para aumentar el área superficial de un líquido, o la fuerza requerida para aumentar la longitud de una superficie líquida en una cantidad dada. Esta propiedad es el resultado 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. Las tensiones superficiales de varios líquidos se presentan en la Tabla\(\PageIndex{2}\).

    Tabla\(\PageIndex{2}\): Tensiones superficiales de sustancias comunes a 25 °C
    Sustancia Fórmula Tensión superficial (mN/m)
    agua H 2 O 71.99
    mercurio Hg 458.48
    etanol C 2 H 5 OH 21.97
    octano C 8 H 18 21.14
    etilenglicol CH 2 (OH) CH 2 (OH) 47.99

    Entre los líquidos comunes, el agua exhibe una tensión superficial claramente alta debido a los fuertes enlaces 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 sobre el agua flotará. Algunos insectos, como el que se muestra en la Figura\(\PageIndex{3}\), a pesar de que son más densos que el agua, se mueven sobre su superficie porque son sostenidos por la tensión superficial.

    Figura\(\PageIndex{3}\): La tensión superficial (derecha) evita que este insecto, un “zancudo de agua”, se hunda en el agua.
    Una foto y un diagrama como se muestra y una flecha orientada hacia la derecha conducen de la foto a la imagen. La foto muestra a un insecto parado sobre la superficie de una muestra de agua. La imagen muestra un fondo cuadrado que es de dos tercios cubiertos de esferas azules que están estrechamente empaquetadas juntas. Una línea marrón comienza en la esquina superior izquierda del fondo y descansa sobre la primera fila de esferas. La esfera directamente debajo de este punto bajo de la línea tiene cuatro flechas dibujadas en ella que miran hacia ambos lados y hacia abajo. Una esfera en el centro inferior de la imagen tiene seis flechas dibujadas en ella que todas miran hacia afuera en diferentes direcciones.

    Los IMF de atracción entre dos moléculas diferentes se denominan fuerzas adhesivas. Considera 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. El agua forma gotas sobre 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 por el costado 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. Por lo tanto, el mercurio no moja el vidrio, y forma un menisco convexo cuando está confinado en un tubo porque las fuerzas cohesivas dentro del mercurio tienden a atraerlo en una gota (Figura\(\PageIndex{4}\)).

    Figura\(\PageIndex{4}\): Las diferencias en las resistencias relativas de las fuerzas cohesivas y adhesivas dan como resultado diferentes formas de menisco para mercurio (izquierda) y agua (derecha) en tubos de vidrio. (crédito: Mark Ott)
    Esta figura muestra dos tubos de ensayo. El tubo de ensayo de la izquierda contiene mercurio con un menisco que redondea hacia arriba. El tubo de ensayo de la derecha contiene agua con un menisco que redondea hacia abajo.

    Si coloca un extremo de una toalla de papel en vino derramado, como se muestra en la Figura\(\PageIndex{5}\), el líquido absorbe la toalla de papel. Un proceso similar ocurre en una toalla de tela cuando la usas para secarla 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.

    Figura\(\PageIndex{5}\): El vino absorbe una toalla de papel (izquierda) debido a las fuertes atracciones de las moléculas de agua (y etanol) a los grupos −OH en las fibras de celulosa de la toalla y las fuertes atracciones de las moléculas de agua hacia otras moléculas de agua (y etanol) (derecha). (foto de crédito: modificación de obra por Mark Blaser)
    Se muestran una foto y un diagrama. En la foto, se sumerge una toalla de papel en un recipiente lleno de un líquido rojo sentado sobre una encimera. El líquido rojo se desplaza por la parte inferior de la toalla de papel, y esta sección de la foto tiene un cuadrado dibujado a su alrededor. Una flecha orientada hacia la derecha conduce desde este cuadrado a la imagen. La imagen es cuadrada y tiene un fondo de dos tipos de moléculas, mezcladas entre sí. El primer tipo de molécula está compuesto por dos esferas negras unidas, una de las cuales es simple unida a tres esferas blancas y una de las cuales está unida a dos esferas blancas y una esfera roja que a su vez está unida a una esfera blanca. El otro tipo de molécula está compuesta por seis esferas negras unidas entre sí en una fila y unidas a otras esferas rojas y blancas. Sobre este fondo se dibujan seis flechas orientadas hacia arriba. Tienen signos positivos en sus extremos inferiores y signos negativos en la cabeza. Cuatro flechas orientadas hacia arriba se dibujan con sus signos invertidos.

    Las toallas absorben líquidos como el agua porque las fibras de una toalla están hechas de moléculas que son atraídas por 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 por estos grupos −OH y forman enlaces de hidrógeno con ellos, lo que atrae a las moléculas de H 2 O hacia arriba de las moléculas de celulosa. Las moléculas de agua también son atraídas entre sí, por lo que se extraen grandes cantidades de agua por las fibras de celulosa.

    La acción capilar también puede ocurrir cuando un extremo de un tubo de pequeño diámetro se sumerge en un líquido, como se ilustra en la Figura\(\PageIndex{6}\). Si las moléculas líquidas son fuertemente atraídas por 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 es el diámetro del tubo, más alto sube el líquido. Es en parte por la acción capilar que ocurre en las células vegetales llamadas xilema que el agua y los nutrientes disueltos son llevados del suelo a través de las raíces y hacia una planta. La acción capilar es la base de la cromatografía en capa fina, una técnica de laboratorio comúnmente utilizada para separar pequeñas cantidades de mezclas. Dependes de un suministro constante de lágrimas para mantener tus ojos lubricados y de la acción capilar para bombear el líquido lagrimal.

    Figura\(\PageIndex{6}\): Dependiendo de las resistencias relativas de las fuerzas adhesivas y cohesivas, un líquido puede subir (como el agua) o caer (como el mercurio) en un tubo capilar de vidrio. La extensión de la subida (o caída) es directamente proporcional a la tensión superficial del líquido e inversamente proporcional a la densidad del líquido y al radio del tubo.
    Se muestra una imagen de dos vasos de precipitados y un tubo. El primer vaso de precipitados, dibujado a la izquierda y etiquetado como “Agua”, se dibuja medio lleno de un líquido azul. Dos tubos se colocan verticalmente en el vaso de precipitados y se insertan en el líquido. El líquido se muestra más alto en los tubos que en el vaso de precipitados y se etiqueta como “Atracción capilar”. El segundo vaso de precipitados, dibujado en el medio y etiquetado como “Mercurio”, se dibuja medio lleno de un líquido gris. Dos tubos se colocan verticalmente en el vaso de precipitados y se insertan en el líquido. El líquido se muestra más bajo en los tubos que en el vaso de precipitados y se etiqueta como “Repulsión capilar”. Las líneas apuntan a los tubos verticales y los etiquetan como “Tubos capilares”. A la derecha se muestra un dibujo separado de uno de los tubos verticales del primer vaso de precipitados. Una flecha orientada hacia la derecha conduce desde el líquido en el tubo a una caja de llamada cuadrada que muestra una vista en primer plano de la superficie del líquido. La distancia a través del tubo está etiquetada como “2 r” en esta imagen.

    La altura a la que se elevará un líquido en un tubo capilar está determinada por varios factores como se muestra en la siguiente ecuación:

    \[h=\dfrac{2T\cosθ}{rρg} \label{10.2.1} \]

    donde

    • h es la altura del líquido dentro del tubo capilar con respecto a la superficie del líquido fuera del tubo,
    • T es la tensión superficial del líquido,
    • θ es el ángulo de contacto entre el líquido y el tubo,
    • r es el radio del tubo, ρ es la densidad del líquido, y
    • g es la aceleración debida a la gravedad, 9.8 m/s 2.

    Cuando el tubo está hecho de un material al que las moléculas líquidas son fuertemente atraídas, se extenderán completamente sobre la superficie, lo que corresponde a un ángulo de contacto de 0°. Esta es la situación para que el agua suba en un tubo de vidrio.

    Ejemplo\(\PageIndex{1}\): Capillary Rise

    A 25 °C, ¿qué tan alto subirá el agua en un tubo capilar de vidrio con un diámetro interno de 0.25 mm?

    Para el agua, T = 71.99 mN/m y ρ = 1.0 g/cm 3.

    Solución

    El líquido se elevará a una altura h dada por la Ecuación\(\ref{10.2.1}\):

    \[h=\dfrac{2T\cosθ}{rρg} \nonumber \]

    El Newton se define como un kg m/s 2, por lo que la tensión superficial proporcionada es equivalente a 0.07199 kg/s 2. La densidad proporcionada debe ser convertida en unidades que cancelarán apropiadamente: ρ = 1000 kg/m 3. El diámetro del tubo en metros es de 0.00025 m, por lo que el radio es 0.000125 m. Para un tubo de vidrio sumergido en agua, el ángulo de contacto es θ = 0°, por lo que cos θ = 1. Finalmente, la aceleración debida a la gravedad en la tierra es g = 9.8 m/s 2. Sustituyendo estos valores en la ecuación, y cancelando unidades, tenemos:

    \[h=\mathrm{\dfrac{2(0.07199\:kg/s^2)}{(0.000125\:m)(1000\:kg/m^3)(9.8\:m/s^2)}=0.12\:m=12\: cm} \nonumber \]

    Ejercicio\(\PageIndex{1}\)

    El agua se eleva en un tubo capilar de vidrio a una altura de 8.4 cm. ¿Cuál es el diámetro del tubo capilar?

    Responder

    diámetro = 0.36 mm

    Aplicaciones: La acción capilar se utiliza para extraer sangre

    Muchas pruebas médicas requieren extraer una pequeña cantidad de sangre, por ejemplo para determinar la cantidad de glucosa en alguien con diabetes o el nivel de hematocrito en un atleta. Este procedimiento se puede realizar fácilmente debido a la acción capilar, la capacidad de un líquido para fluir por un pequeño tubo contra la gravedad, como se muestra en la Figura\(\PageIndex{7}\). Cuando se pincha el dedo, se forma una gota de sangre y se mantiene unida debido a la tensión superficial, las atracciones intermoleculares desequilibradas en la superficie de la gota. Entonces, cuando el extremo abierto de un tubo de vidrio de diámetro estrecho toca la gota de sangre, las fuerzas adhesivas entre las moléculas en la sangre y las que están en la superficie del vidrio extraen la sangre por el tubo. Hasta dónde sube la sangre por el tubo depende del diámetro del tubo (y del tipo de líquido). Un tubo pequeño tiene una superficie relativamente grande para un volumen dado de sangre, lo que resulta en mayores fuerzas de atracción (relativas), permitiendo que la sangre se extraiga más arriba del tubo. El líquido mismo se mantiene unido por sus propias fuerzas cohesivas. Cuando el peso del líquido en el tubo genera una fuerza descendente igual a la fuerza ascendente asociada con la acción capilar, el líquido deja de elevarse.

    Figura\(\PageIndex{7}\): Se recolecta sangre para análisis médico por acción capilar, la cual extrae sangre a un tubo de vidrio de pequeño diámetro. (crédito: modificación del trabajo por parte de los Centros para el Control y la Prevención de Enfermedades)
    Una fotografía muestra la mano de una persona siendo sujetada por una persona que llevaba guantes médicos. Se presiona un delgado tubo de vidrio contra el dedo de las personas y la sangre se mueve hacia arriba por el tubo.

    Conceptos clave y resumen

    Las fuerzas intermoleculares entre moléculas en estado líquido varían dependiendo de sus identidades químicas y dan como resultado variaciones correspondientes en diversas propiedades físicas. Las fuerzas cohesivas entre moléculas similares son responsables de la viscosidad de un líquido (resistencia al flujo) y la tensión superficial (elasticidad de una superficie líquida). Las fuerzas adhesivas entre las moléculas de un líquido y diferentes moléculas que componen una superficie en contacto con el líquido son responsables de fenómenos como la humectación de la superficie y el ascenso capilar.

    Ecuaciones Clave

    • \(h=\dfrac{2T\cosθ}{rρg}\)

    Glosario

    fuerza adhesiva
    fuerza de atracción entre moléculas de diferentes identidades químicas
    acción capilar
    flujo de líquido dentro de un material poroso debido a la atracción de las moléculas líquidas a la superficie del material y a otras moléculas líquidas
    fuerza cohesiva
    fuerza de atracción entre moléculas idénticas
    tensión superficial
    energía requerida para aumentar el área, o longitud, de una superficie líquida en una cantidad dada
    viscosidad
    medida de la resistencia de un líquido al flujo

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