Química

Cuando se vierte un vaso de agua, o se llena un coche de gasolina, se observa que el agua y la gasolina fluyen libremente. Pero cuando viertes jarabe en las tortitas o añades aceite al motor de un coche, observas que el jarabe y el aceite de motor no fluyen tan fácilmente. La viscosidad de un líquido es una medida de su resistencia a fluir. 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 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 1. (a) La miel y (b) el aceite de motor son ejemplos de líquidos con altas viscosidades; fluyen lentamente. (crédito a: modificación del trabajo de Scott Bauer; crédito b: modificación del trabajo de David Nagy)

Las FMI entre las moléculas de un líquido, el tamaño y la forma de las moléculas y la temperatura determinan la facilidad con que fluye un líquido. Como muestra la Tabla 1, cuanto más complejas sean las moléculas de un líquido y más fuertes sean las FMI entre ellas, más difícil será que se muevan unas junto a otras y mayor será 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; por tanto, la viscosidad del líquido disminuye.

Las distintas FMI entre moléculas idénticas de una sustancia son ejemplos de fuerzas de cohesión. Las moléculas dentro de un líquido están rodeadas por otras moléculas y son atraídas por igual en todas las direcciones por las fuerzas de cohesión dentro del líquido. Sin embargo, las moléculas de la superficie de un líquido sólo son atraídas por la mitad de moléculas. Debido a las atracciones moleculares desequilibradas en las moléculas de la superficie, los líquidos se contraen para formar una forma que minimiza el número de moléculas en la superficie, es decir, la forma con la mínima área superficial. Una pequeña gota de líquido tiende a adoptar una forma esférica, como se muestra en la figura 2, porque en una esfera, la relación entre la superficie y el volumen es mínima. Las gotas más grandes se ven más afectadas por la gravedad, la resistencia del aire, las interacciones de la superficie, etc., y como resultado, son menos esféricas.

Figura 2. Las fuerzas de atracción dan lugar a una gota de agua esférica que minimiza la superficie; las fuerzas de cohesión mantienen la esfera unida; las fuerzas de adhesión mantienen la gota unida a la telaraña. (crédito: modificación del trabajo de «OliBac»/Flickr)

La tensión superficial se define como la energía necesaria para aumentar el área superficial de un líquido, o la fuerza necesaria para aumentar la longitud de una superficie líquida en una cantidad determinada. Esta propiedad es el resultado de las fuerzas de cohesión entre las moléculas en la superficie de un líquido, y hace que la superficie de un líquido se comporte como una membrana de goma estirada. En la tabla 2 se presentan las tensiones superficiales de varios líquidos. Entre los líquidos comunes, el agua presenta una tensión superficial claramente elevada debido a los fuertes enlaces de hidrógeno entre sus moléculas. Como resultado de esta alta tensión superficial, la superficie del agua representa una «piel dura» que puede soportar una fuerza considerable sin romperse. Una aguja de acero colocada con cuidado sobre el agua flotará. Algunos insectos, como el que se muestra en la figura 3, aunque son más densos que el agua, se mueven en su superficie porque se apoyan en la tensión superficial.

Figura 3. La tensión superficial (derecha) impide que este insecto, un «water strider», se hunda en el agua (izquierda).

Las FMI de atracción entre dos moléculas diferentes se llaman fuerzas adhesivas. Considere lo que ocurre cuando el agua entra en contacto con alguna superficie. Si las fuerzas adhesivas entre las moléculas de agua y las de la superficie son débiles en comparación con las fuerzas de cohesión entre las moléculas de agua, el agua no «moja» la superficie. Por ejemplo, el agua no moja las superficies enceradas o muchos plásticos como el polietileno. El agua forma gotas en estas superficies porque las fuerzas de cohesión dentro de las gotas son mayores que las fuerzas de adhesión entre el agua y el plástico. El agua se extiende sobre el vidrio porque la fuerza de adhesión entre el agua y el vidrio es mayor que las fuerzas de cohesión 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 desliza por el lateral del tubo. Por otro lado, las fuerzas de cohesión entre los átomos de mercurio son mucho mayores que las fuerzas de adhesión 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 de cohesión dentro del mercurio tienden a atraerlo en forma de gota (Figura 4).

Figura 4. Las diferencias en la fuerza relativa de las fuerzas cohesivas y adhesivas dan como resultado diferentes formas de menisco para el mercurio (izquierda) y el agua (derecha) en tubos de vidrio. (crédito: Mark Ott)

Si se coloca un extremo de una toalla de papel en vino derramado, como se muestra en la figura 5, el líquido absorbe la toalla de papel. Un proceso similar ocurre en una toalla de tela cuando la usas para secarte después de la ducha. Estos son ejemplos de acción capilar, es decir, cuando un líquido fluye dentro de un material poroso debido a la atracción de las moléculas del líquido hacia la superficie del material y hacia otras moléculas del líquido. Las fuerzas adhesivas entre el líquido y el material poroso, combinadas con las fuerzas de cohesión dentro del líquido, pueden ser lo suficientemente fuertes como para mover el líquido hacia arriba en contra de la gravedad.

Figura 5. El vino absorbe una toalla de papel (izquierda) debido a la fuerte atracción de las moléculas de agua (y etanol) hacia los grupos -OH de las fibras de celulosa de la toalla y a la fuerte atracción de las moléculas de agua hacia otras moléculas de agua (y etanol) (derecha). (Foto de crédito: modificación del trabajo de Mark Blaser)

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 de papel suelen estar hechas de pasta de papel. Ambas están formadas por largas moléculas 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 H2O hacia las moléculas de celulosa. Las moléculas de agua también se atraen entre sí, por lo que grandes cantidades de agua son atraídas hacia arriba por las fibras de celulosa.

La acción capilar también puede producirse cuando un extremo de un tubo de pequeño diámetro se sumerge en un líquido, como se ilustra en la figura 6. Si las moléculas del líquido 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 se equilibran. Cuanto menor es el diámetro del tubo, más sube el líquido. El agua y los nutrientes disueltos son transportados desde el suelo a través de las raíces hasta el interior de la planta, en parte gracias a la acción capilar que se produce en las células de la planta llamadas xilema. La acción capilar es la base de la cromatografía en capa fina, una técnica de laboratorio utilizada habitualmente para separar pequeñas cantidades de mezclas. La acción capilar es la base de la cromatografía en capa fina, una técnica de laboratorio que se utiliza habitualmente para separar pequeñas cantidades de mezclas. Dependiendo de las fuerzas relativas de adhesión y cohesión, un líquido puede subir (como el agua) o bajar (como el mercurio) en un tubo capilar de vidrio. La magnitud del ascenso (o descenso) es directamente proporcional a la tensión superficial del líquido e inversamente proporcional a la densidad del líquido y al radio del tubo.

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

En esta ecuación, h es la altura del líquido en el interior del tubo capilar respecto a la superficie del líquido en el exterior 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/s2. Cuando el tubo está hecho de un material al que las moléculas del líquido son fuertemente atraídas, se extenderán completamente por la superficie, lo que corresponde a un ángulo de contacto de 0°. Esta es la situación del agua que asciende en un tubo de vidrio.

Aplicaciones biomédicas de la acción capilar

Figura 7. La sangre se recoge para el análisis médico mediante la acción capilar, que extrae la sangre en un tubo de vidrio de pequeño diámetro. (Crédito: modificación del trabajo de los Centros para el Control y la Prevención de Enfermedades)

Muchos análisis médicos requieren la extracción de 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 puede realizarse fácilmente gracias a la acción capilar, la capacidad de un líquido de subir por un pequeño tubo en contra de la gravedad, como se muestra en la figura 7. Cuando se pincha el dedo, se forma una gota de sangre que 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 de la sangre y las de la superficie del vidrio hacen que la sangre suba por el tubo. La distancia a la que asciende la sangre depende del diámetro del tubo (y del tipo de fluido). Un tubo pequeño tiene una superficie relativamente grande para un volumen determinado de sangre, lo que hace que las fuerzas de atracción (relativas) sean mayores, permitiendo que la sangre ascienda más por el tubo. El propio líquido se mantiene unido por sus propias fuerzas de cohesión. Cuando el peso del líquido en el tubo genera una fuerza descendente igual a la fuerza ascendente asociada a la acción capilar, el líquido deja de subir.