Observa la Figura, una aguja de acero, mucho más densa que el agua, flota sobre su superficie. ¿Cómo es posible? La clave reside en una propiedad fascinante de los líquidos: la tensión superficial.
Imagina las moléculas de un líquido como pequeñas esferas. En el interior del líquido, cada molécula está rodeada por otras vecinas en todas direcciones, atrayéndose mutuamente por fuerzas intermoleculares. Sin embargo, las moléculas de la superficie no tienen tantas vecinas, ya que solo están rodeadas por otras moléculas en el interior del líquido y en los lados.
Esta diferencia en el número de vecinas crea un desequilibrio energético. Las moléculas del interior, con más interacciones atractivas, se encuentran en un estado de energía más bajo que las de la superficie. Por ello, el líquido busca minimizar su área superficial, concentrando las moléculas en el interior y dejando la menor cantidad posible en la superficie.
En el caso de la aguja, la tensión superficial del agua actúa como una barrera contra la fuerza de la gravedad. Para que la aguja se hunda, se necesitaría aumentar el área superficial del agua por encima de ella, lo que requiere energía. La tensión superficial proporciona la fuerza suficiente para mantener la aguja flotando, desafiando la gravedad.
La tensión superficial, representada por la letra griega gamma (γ), se mide en unidades de energía por unidad de área, generalmente julios por metro cuadrado (J/m²). Cuanto mayor sea la tensión superficial, más energía se requiere para aumentar el área superficial del líquido.
Al aumentar la temperatura, las moléculas del líquido se mueven con mayor energía, debilitando las fuerzas intermoleculares. Esto facilita la expansión de la superficie del líquido, reduciendo la tensión superficial.
Mojar o no mojar:
Cuando una gota de líquido se posa sobre una superficie, se produce un encuentro entre dos tipos de fuerzas intermoleculares: cohesión (entre moléculas del líquido) y adhesión (entre moléculas del líquido y la superficie).
- Si las fuerzas de cohesión son fuertes en comparación con las de adhesión, la gota mantendrá su forma esférica.
- Si las fuerzas de adhesión son lo suficientemente fuertes, la gota se extenderá sobre la superficie, formando una película.
En este equilibrio entre fuerzas reside la capacidad de un líquido para mojar una superficie.
La tensión superficial no es solo una curiosidad científica; tiene un papel crucial en diversos fenómenos cotidianos, desde la formación de burbujas de jabón hasta el transporte de agua en las plantas. Al comprender este concepto, podemos apreciar la complejidad del mundo molecular y su influencia en nuestro entorno.
Tipos de meniscos, ascenso y descenso capilar
Observa el agua en un tubo de vidrio. Las fuerzas de adhesión entre el agua y el vidrio la atraen hacia arriba por las paredes del tubo, desafiando la gravedad. En la superficie del agua, donde se encuentra con el aire, se forma un menisco, una curvatura visible. En el caso del agua, este menisco es cóncavo, mientras que con el mercurio líquido es convexo.
Esta diferencia en la forma del menisco se debe a las fuerzas intermoleculares que actúan en cada caso. En el agua, las fuerzas de cohesión, que son las fuerzas atractivas entre las moléculas de agua, son fuertes. Sin embargo, las fuerzas de adhesión entre el agua y el vidrio son aún más fuertes, lo que hace que el agua se adhiera al vidrio y forme un menisco cóncavo.
En el caso del mercurio, las fuerzas de cohesión, los enlaces metálicos entre los átomos de Hg, son aún más fuertes que las del agua. Sin embargo, las fuerzas de adhesión entre el mercurio y el vidrio son más débiles. Esto hace que el mercurio no moje el vidrio y forme un menisco convexo.
El efecto del menisco se amplifica considerablemente en tubos de diámetro pequeño, llamados tubos capilares. En la Figura 12.14 se observa la acción capilar, o capilaridad, por la cual el nivel del agua dentro de los capilares es notablemente más alto que fuera. Este fenómeno se debe a la atracción entre las moléculas de agua y las paredes del tubo, que impulsa el agua hacia arriba.
La capilaridad tiene un papel fundamental en diversos procesos cotidianos. Por ejemplo, permite que el agua suba por los capilares de una esponja o que se infiltre en los suelos.
Debido a sus fuertes fuerzas de cohesión y débiles fuerzas de adhesión, el mercurio no presenta ascenso capilar. De hecho, en un capilar de vidrio, el nivel del mercurio dentro del tubo será más bajo que fuera del mismo.