Bolilla 7: Propiedades de los Líquidos

Bolilla 7: Propiedades delos Líquidos1

Bolilla 7: Propiedades de los LíquidosEstudiaremos propiedades de los líquidos, derivadas de lasfuerzas de cohesión entre las moléculas que lo componen.Además de la fuerzas de atracción entre sí, las moléculasde los líquidos experimentan fuerzas de repulsión o deatracción con moléculas de otras sustancias. Las fuerzasde atracción entre sus moléculas explican porque loslíquidos tratan de minimizar su superficie libreformándose en ella una película con característicaspropias. Las fuerzas de interacción (atractivas orepulsivas) líquido-sólido son responsables de quedeterminados líquidos suban en las proximidades de unasuperficie y otros bajen al tomar contacto con la misma.Analizaremos algunas consecuencias biológicas de estaspropiedades2

7.1 Tensión SuperficialTensión superficial de un líquido es la fuerza por unidadde longitud que ejerce la superficie del líquido sobre unalínea cualquiera situada en ella.Origen de la Tensión SuperficialLas moléculas en la superficie del liquido experimentanfuerzas de atracción solo en la dirección de las demásmoléculas. Existe sobre ellas una fuerza neta hacia ‘adentro’del liquido. La superficie del liquido resiste cualquieresfuerzo por aumentar su área. Actúa como un parcheestirado en un tambor.Consecuencias: Es una fuerza que pertenece a la superficie yes perpendicular a la línea sobre la cuál seejerce. Del mismo modo que la presión ejerce unafuerza perpendicular por unidad desuperficie, la tensión superficial ejerce unafuerza perpendicular a la línea considerada. La presión tiende a dilatar un volumen, latensión superficial tiende a encoger unasuperficie.3

La Figura representa un alambre en forma deU invertida que posee en su parte inferior unalambre deslizante.Una película de líquido llena el espacio entrelos alambres. Del alambre deslizante sesuspende un peso de modo de equilibrarlo. Lasdos superficies de la película de líquido,ejercen una fuerza ascendente de módulo F.Por definición la tensión superficial γ esγ = F 2lSe demuestra que la situación deequilibrio se logra independientementedel grosor de la películade líquido. Es entonces correctosuponer que las fuerzas estánasociadas a cada una de lassuperficies de la película.4

Capilaridad7.2 Acción CapilarSe denomina capilaridad o acción capilar a lapropiedad de los líquidos de ascender o descenderen un tubo estrecho o capilar.Se llama ángulo de contacto (θ), al ángulo queforma la tangente a la superficie de un líquido en elpunto de contacto con el sólido que lo contiene, conla superficie de éste.Este ángulo, aparte de depender dela superficie del sólido (rugosidad,limpieza, etc.) y del liquido que setrate, es función de la competenciaentre las fuerzas moleculareslíquido-líquido y líquido-sólido.En general se presentan dossituaciones: Si θ < 90 o , el líquidotenderá a subir en la zona decontacto con la pared, si θ > 90 o , ellíquido baja.5

El ángulo de contacto determina la altura del líquidoen un capilar. En la figura se representa un líquido enel interior de un tubo.Suponiendo θ < 90 o , entonces:F= γ l = 2π rγla componente ascendente de F es:Fy = 2π rγ cosθEl peso de la columna de líquido en el tubo es:P= ρ gV= ρ gπr hLa condición de equilibrio es:F y = P2π rγ cosθ ρgπr 2 h2= h= 2 γ cos θρ grComo consecuencia de la acción capilar la savia es capaz de ascender por el sistema decapilares de los árboles (r = 2.5 x 10 -5 m) una altura aproximada a los 60 cm.6

7.3 Ósmosis.Si una disolución diluida es puesta en contacto con el mismo disolvente, separados por unamembrana semipermeable (impermeable para el soluto), se observa una diferencia depresión a ambos lados de la membrana. Esta presión, presión osmótica, puededeterminarse utilizando la ley de los gases ideales. Si hay n moles de soluto en unvolumen V de disolución, la concentración de la disolución es:c =nVDe acuerdo a la ley de los gases ideales, la presiónasociada a un gas con una concentración c es:p = cR TLa figura representa una disolución de azúcar enagua. Una membrana semipermeable la separa deagua pura. Las moléculas de agua pueden difundirsea través de la membrana, por lo que habrá un flujoneto de agua desde el compartimiento de la derechaal de la izquierda tendiente a igualar las concentraciones.Este flujo origina que se eleve el nivel de ladilución hasta que se alcance un nivel de equilibrio.La situacion de equilibrio sealcanza cuando la diferencia en elnivel entre las columnas es h.7

Consideremos las presiones existentes a ambos lados de la membrana. Sea:ppp0a1asla presión del agua a la derecha de la membranala presión del agua a la izquierda de la membranala presión debida al azúcar a la izquierdaLa diferencia de presión a través de la membrana es lapresión osmótica:p1p p( + ) − =Πas a 0Utilizando la aproximación de la ley de los gasesideales para la presión osmótica:Π= cRTTeniendo en cuenta la diferencia en las alturas en ambas ramas del recipiente, obtenemos:Π= ρ ghComparando las últimas ecuaciones obtenemos una expresión para h:h= c RT g ρ8

La savia puede considerarse como agua conteniendo el 1 % de sacarosa. Esta diferenciade concentración con el agua del suelo alrededor de las raíces genera que, a través deósmosis, el agua pueda ascender en los vegetales una altura de aproximadamente 7,4 m.7.4 Presión NegativaEn una cruda sobre simplificación se puedecomparar un árbol con un recipiente cilíndricodonde un fluido es sometido a tensión. El fluido essometido mediante un émbolo a una fuerza tendientea disminuir su presión. El líquido y el tubo estánextraordinariamente limpios y libres deimpurezas de modo que el émbolo no se ‘suelte’ dellíquido. El equilibrio se establece cuando la fuerzahacia adentro ejercida por el fluido se iguala a lafuerza exterior. El fluido se encuentra en un estadode tensión, con una presión negativa:p= −F A¿A qué presión negativa puede ser sometido un líquido antes de que la columna sesepare?9

La presión negativa a la cuál puede ser sometido un líquido, está en relación directa con laaltura h a la cuál se lo puede elevar.Si en el punto b la presión es p b(presiónatmosférica, en nuestro caso), la presión en el puntoa es:pa= pb - ρghLa altura máxima h para la cuál se mantiene lacolumna de líquido sin romperse, depende del líquidoque se trate. Para mercurio resulta posible alcanzar h= 2.5 m. Corresponde a una presión en el extremo p =-3.3 Atm. Para agua se han obtenido presiones dehasta - 300 Atm.La evidencia indica que el agua asciende en los árboles porpresión negativa. La presión de la savia en el xilema de losárboles es negativa. El agua es forzada a subir del mismomodo que se tira una cuerda hacia arriba. Al evaporarse elagua en las hojas, las moléculas cercanas ocupan su lugar ytoda la columna de líquido asciende permaneciendo unidadebido a las fuerzas cohesivas entre las moléculas.10

Ascenso de la saviaMedidas realizadas de lapresión en el xilema deárboles altos muestra que enla copa esta presión esnegativa y aumenta a medidaque descendemos. Porejemplo en un árbol de unos60 m de altura, la presión ensu copa es del orden de - 4.8Atm, valor todavía lejanodel límite para que unacolumna de agua se rompa.11