Esta entrada participa en la Ed.XXXVII del Carnaval de Física cuyo anfitrion es: http://hadimension.blogspot.com.es
Con la llegada del buen
tiempo, los chicos salen al campo y además de pasárselo estupendamente,
observan multitud de colores, luces y animales. El comportamiento de los
animales les llama poderosamente la atención hasta el punto de preguntar:
“¿porqué los insectos andan encima del agua?” “¿qué poderes tienen?”.
Después de esto, pues es
necesario explicar LA TENSIÓN SUPERFICIAL. Así que hemos preparado un taller
divertido sobre tensión superficial para nuestros observadores chicos.
La Tensión superficial es una propiedad de los líquidos que explica
fenómenos como:
- La forma esférica de las gotas de lluvia.
- Los insectos son capaces de flotar en la superficie del agua.
Ya conocemos las principales
propiedades de los líquidos:
- adoptan la forma del recipiente que los contiene
- sus moléculas no dejan de moverse
- son incompresibles
- sus moléculas tienden a mantenerse unidas
estas propiedades se deben a
que en un fluido cada molécula interacciona con las que le rodean. El radio de
acción de las fuerzas moleculares es relativamente pequeño, y solo abarca a las
moléculas vecinas más cercanas.
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| http://www.cie.unam.mx |
En el
caso particular del agua, formada por dos átomos de Hidrógeno y uno de Oxígeno,
nos encontramos ante una molécula con dos átomos de distinta electronegatividad que dotan
a la molécula tetraédrica de geometría angular y con
un ángulo de separación de 104,5º. Es además de naturaleza neutra a
pesar de ser un dipolo eléctrico (con una carga positiva en ambos Hidrógenos y una carga negativa doble en el Oxígeno central) esto le
permite acercarse a otras
moléculas de agua ejerciendo atracciones del tipo Fuerzas
Intermoleculares, estas son de carácter débil porque no son como un enlace ,
pero son las más poderosas en su tipo y se llaman Puentes de
hidrógeno
Veamos un video:
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| http://quimicalibre.com |
Estas fuerzas de cohesión
entre moléculas son las causantes de esta propiedad de los líquidos: la tensión
superficial. Cada líquido tiene un valor distinto de tensión superficial y será
tanto mayor cuanto mayor sean estas fuerzas intermoleculares.
Son precisamente estas
fuerzas las que explican porqué los líquidos tratan de minimizar su superficie
libre formándose en ella una película con características propias. La
superficie contraída es el estado con mínima energía superficial.
Las fuerzas de interacción,
hacen que las moléculas situadas en las proximidades de la superficie libre de
un fluido experimenten una fuerza dirigida hacia en interior del líquido.
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| http://www.hablandodeciencia.com |
La superficie libre tiende a
disminuir la energía libre superficial y hacer el sistema más estable. Esta es
la razón por la que las gotas de líquído tienden a adoptar una forma esférica y
así cuando salimos del agua el agua que queda en nuestro cuerpo se queda en
forma de pequeñas gotas en la superficie de nuestra piel, y cuando vemos las
gotas de rocio vemos el agua como pequeñas esferas en la superficie.
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| Foto de Gabriel Riutort |
En la superficie del agua,
estas fuerzas hacen que el agua se
comporte como una goma elástica, soportando e peso de un insecto pequeño, un
alfiler, incluso un clip.
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| http://fluidos.eia.edu.co |
Vamos a comprobarlo. Para
ello usaremos un cuenco limpio que lo llenaremos de agua y en él dejaremos caer
con mucho cuidado pimienta molida, harina, un alfiler o un clip. Veremos que
efectivamente flotan en el agua como lo hace el insecto.
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| Uno de nuestros chicos se sorprende con la harina |
Si además en un vaso
transparente con agua dejamos caer una gota de aceite, esta quedará en la
superficie como una medalla sobre una cama.
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| Efectivamente nuestros chicos confirman la elasticidad de la superficie del agua. |
Ya hemos visto que los
insectos no tienen poderes. Pero vamos a ir un poco más lejos.
Hemos dicho que la tensión
superficial es distinta según el líquido, esto significa que según el líquido
nuestro clip o nuestro mosquito flotará más o menos, pudiéndose incluso hundir
sin más.
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| http://rsta.pucmm.edu.do |
Nuestro clip se hundirá en
etanol, al añadir jabón al agua o si en vez de agua tenemos aceite.
Pero si nos fijamos un poco
más con la temperatura también hay variaciones de la tensión superficial.
Lógicamente al calentar las moléculas no están tan juntas y las fuerzas de
cohesión son más débiles. Así si repetimos el experimento con agua caliente no
conseguiremos que nuestro clip flote.
Veamos ahora que sucede si
añadimos una gota de jabón a la pimienta que flota en nuestro cuenco, o al
alfiler, o a los polvos de talco.
Al añadir el jabón, algunas
de las moléculas de agua no se unirán a otras por puentes de hidrógeno sino que
lo harán con la parte polar del detergente o tensoactivo, ello hará reducir
esta capacidad en la superficie para ser
tan elástica, así que perderá tensión superficial.
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| http://www.sinfin.tv/educar/quimica/html/secuencia.php?id=665 |
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| wikipedia |
Al dejar caer una gota de
detergente en el cuenco donde hay pimienta o talco se producirá como un
replegamiento de las partículas de la superficie. El jabón rompe la tensión superficial del
agua y la tensión superficial que le sobra al agua hace que empuje la pimienta
lejos del jabón.
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| Otro de nuestros chicos demostrando la disminución de T.S. |
En el caso de la gota de
aceite en el vaso de agua, la gota dejará de ser plana, dejará de descansar en
la superficie del agua, y adquirirá la forma de una gota redonda porque su
tensión superficial es mayor que la del agua con jabón.
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| antes de la gota de detergente |
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| después de añadir el detergente |
Para ver algo un poco más
espectacular vamos a coger un hilo fino de alambre de unos 3 cm y lo vamos a
enrollar en forma de espirar. Lo dejaremos caer con cuidado en el agua y
flotará, pero al dejar caer una gota de detergente en el centro de la espirar
esta comenzará a dar vueltas y se hundirá. ¿Sorprendente? Pues prueba con esto:
Corta de cartulina una flecha como la de la imagen y frota una de sus caras con
la cera de una vela, para impermeabilizar el papel. Dejar caer con cuidado la
flecha en el agua por la parte impermeabilizada. A continuación dejar caer una
gota el canal cerca de la punta de la flecha. ¿Qué sucede? ¡!La flecha corre!!!
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| La flecha comienza a correr |
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| La espiral va a girar |
En ambos
casos el detergente disminuye la tensión superficial, las moléculas se
desplazan (recuerda lo visto con la pimienta) por el principio de acción y
reacción y la flecha se pone en movimiento en sentido contrario. Con la
espiral, la gota de detergente que se deja en el centro se dirige rápidamente
hacia fuera y por la reacción de este movimiento se produce el giro de la
espiral. Si se deja caer mucho detergente la espiral se hunde en el agua.
Nuestros chavales están decepcionados porque ahora saben que los insectos no tienen poderes, pero quieren probar más experimentos. Podéis hacerlo añadiendo colorante alimentario a la leche, y como no repetir estos experimentos con agua salada y con agua a distintas temperaturas.
Féliz Carnaval.
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