13 octubre 2007

Como pompas de jabón (vida y milagros de la tensión superficial)

Hace un par de días Comopompasdejabón me dejó un comentario ilusionante: reconociendo que es más bien de letras, le había gustado el blog con estos adjetivos "ameno e instructivo" (Hey! muchas gracias!)

Y como el que alguien me diga que ha entendido y aprendido algo en las entradas me ha puesto muy contento me he puesto a mirar cosas sobres las pompas de jabón, para agradecérselo. Y mira por donde hay muchas cosas que aprender de ellas. Voy a ver si acierto de nuevo y logro explicarlas de forma amena y entendible. ¿lo conseguiré de nuevo?



Hay un montón de páginas dedicadas al mundo de las pompas de jabón (casi todas mejores que esta entrada, puedes comprobarlo aquí, aquí o aquí ). En casi todas ellas hay una (pequeña) gran explicación de los procesos físicos que se producen con esas esferitas jabonosas. Y (casi) todas dicen correctamente que las pompas de jabón son posibles por la tensión superficial. Así que antes de entrar dentro de la pompa de jabón vamos a ver que demonios es eso de la tensión superficial (ya te adelanto que no tiene nada que ver con trifulcas políticas).

La tensión superficial es el efecto físico que tienen los líquidos que provoca que su superficie tenga propiedades elásticas. Cualquier líquido (desde el mercurio al alcohol, pasando por el agua) cuando está en un recipiente en reposo forma una superficie (casi) plana que puede deformarse sin romperse de forma que puede aguantar pequeños pesos y tensiones.

Una aguja de acero sobre la superficie del agua


Vamos a comprobarlo, ves a la cocina y llena un vaso hasta arriba de agua del grifo. Coloca en la misma superficie una aguja de forma que repose horizontalmente sobre el agua (puedes ayudarte de un tenedor). Si te sale bien al retirar el tenedor (con cuidado) el alfiler quedará en la superficie sin hundirse y si te fijas verás como la superficie del agua está deformada, se comporta un poco como la goma de un globo, es elástica (por cierto, deja el alfiler en el vaso que lo necesitamos para luego).

Los zapateros usan la tensión superficial
para mantenerse sobre el agua



En realidad la tensión superficial se produce por la atracción que sienten las moléculas del líquido entre ellas y más específicamente el efecto que tienen estas atracciones en las moléculas de la superficie.

Imagina una molécula de agua que se encuentre en medio del vaso. Sentirá atracción por todas las moléculas que le rodean por todas direcciones, anulándose entre ellas (como la fuerza de tensión de los radios de rueda de bicicleta, se anulan entre todos y la rueda no se deforma).Pero si la molécula imaginada está en la superficie, las fuerzas de tracción solo se ejercen desde abajo, por lo que existirá una fuerza que tira hacia el interior del líquido (quítale todos los radios de la mitad de la rueda a ver que pasa).

Fuerzas de atracción entre las moléculas de agua

Así que gracias a la tensión superficial las superficies de los líquidos "tiran hacia adentro" del mismo líquido. Fíjate en las gotas de agua de un grifo. Su formas son casi esféricas, ya que la superficie que rodea la gota tira hacia adentro. En realidad están deformadas por el propio peso y por la resistencia del aire al caer por el aire. Pero si eliminamos el peso del agua, es decir en un entorno sin gravedad como el del espacio, los líquidos forman esferas. La verdadera forma de los líquidos es la esfera porque es la forma que tiene una energía menor.

Pulsa sobre la imagen para ver la gota cayendo


El siguiente vídeo ha sido filmado en la ISS y son experiencias con agua en entornos de gravedad cero (bueno no tanto, en realidad en microgravedad). veréis como se forman enormes gotas y todas mantienen la forma esférica, a pesar de las manipulaciones que les hacen los astronautas.






Vale, ya tenemos claro que la tensión superficial tiende a las formas esféricas.

Pero hay más efectos. Coge un cuentagotas y tira en un pequeño vaso 50 gotas de agua procurando que sean las gotas más grandes posibles. Ahora en otro vaso tira 50 gotas de aceite de oliva de la misma forma. Fíjate en ambos vasitos . ¿Aprecias que parece que haya más agua que aceite? Bien!!! En mi casa he usado una balanza de precisión (+-0.1gramos) para pesar las 50 gotas de agua y 50 de aceite:

  • 50 gotas de agua del grifo pesan 2,7gramos
  • 50 gotas de aceite de oliva pesan 1.4 gramos

Es verdad que el aceite pesa un pelín menos que el agua ( un litro de agua pesa 1 kilo y un litro de aceite 0.9 kilos) pero la diferencia de peso entre las gotas es mucho más grande que eso. Así que solo queda concluir que las gotas de aceite son más pequeñas que las gotas de agua.

Y la razón está en el la Ley de Tate que dice que la masa de una gota está en relación directa con la tensión superficial (y del el tamaño del agujero del cuenta gotas y de la forma de la gota). Y como la tensión superficial del aceite es más o menos la mitad de la del agua sus gotas serán mas o menos la mitad de grandes. Y así nos explica la diferencia de peso de nuestro experimento.


  • Benceno 28,9
  • Tetracloruro de carbono 26.8
  • Etanol 22.3
  • Glicerina 63.1
  • Mercurio 465
  • Aceite de oliva 32
  • Solución jabonosa 25
  • Agua 72,8
Valores de tensión superficial
de algunos líquidos (en din/cm) a 20º C



O sea que la tensión superficial es responsable (entre otras cosas) del tamaño de las gotas de los líquidos.



Volvamos a las pompas de jabón. La tensión superficial hace que las superficies de los líquidos sea elástica y que tiendan a formar esferas cuando el peso no es importante. Pero no podemos hacer pompas de agua solamente. Las burbujas que podemos crear soplando dentro con una cañita son pequeñas e inestables. Pero si ponemos una cantidad pequeña de jabón en el agua las burbujas aparecen. Y ahora viene el misterio porque el jabón tiene el efecto de... reducir la tensión superficial del agua!!!

Compruébalo ahora con el vaso de la aguja que hemos dejado antes en la cocina. Mientras la aguja esté flotando sobre la superficie del agua añade una pequeña gota de jabón (da igual, gel de baño, lavavajillas...) y veras como la aguja se va a pique más rápido que el Titanic.

Ostras!

Otra comprobación. Repite lo de las 50 gotas pero esta vez de agua con unas gotas de jabón. El resultado en mi balanza es:

  • 50 gotas de agua del grifo con jabón pesan 1,3 gramos.

El Jabón ha reducido ha reducido la capacidad elástica de la superficie del agua y el tamaño de sus gotas. Es decir que la tensión superficial del agua se ha reducido por el jabón.

¿Entonces, no es cierto que las pompas de jabón son posibles por la tensión superficial?

Pues si, porque el jabón no elimina toda la tensión superficial, deja la necesaria. El efecto más importante del jabón en las pompas es que estabiliza la capa de agua para mantener la estructura de burbuja más tiempo. Las moléculas de detergente se orientan y distribuyen como un bocata de pan de molde: detergente-agua-detergente. Cuando una pompa de jabón explota es porque esta distribución en bocadillo se rompe. El detergente refuerza la burbuja pudiendo hacerse más grande y dura más tiempo.

El responsable químico del jabón de reducir la tensión superficial del agua es una molécula llamada "surfactante". Esta molécula es alargada, con un extremo que es atraído por el agua (y eso se llama hidrófilo) y el otro no (y se llama hidrófobo). Así en la pompa de jabón el surfactante se dispone orientándose con los lados hidrófilos hacia el agua.

Iridiscencias en una pompa de jabón


Pues es gracias a esta disposición en tres capas la responsable de esos colores tan bonitos de las pompas de jabón. La luz al llegar a la pared de la burbuja se refleja en sus dos superficies, la exterior y la interior, y también se refracta entre ellas. Así las ondas de luz sufren unas "interferencias" entre ellas que aparecen ante nosotros como iridiscencias. Además los colores cambian según el grosor de las capas y la cantidad de agua y surfactante.

Así se forman las interferencias
de la luz en una pompa


Existen surfactantes naturales por lo que se puede decir que hay pompas o espumas naturales. Las espumas litorales son producidas por los surfactantes producidos por el fitoplancton cuando el oleaje agita lo suficiente la superficie del mar (ojo! si vas a la playa y ves espumas en el mar también pueden estar causados por vertidos de aguas residuales que llevan parte de nuestro jabón doméstico).

Nuestros pulmones tienen un surfactante propio, la dipalmitol fosfatidilcolina (ufff que nombre) que permite que los alvéolos pulmonares puedan expandirse con más facilidad para respirar y facilitan la disolución de los gases en la sangre (nota gore : recuerdo en mis prácticas de universidad la espuma que salia de los pulmones de algún pobre cerdo que donó sus órganos en favor de la educación de los futuros biólogos).

Las diferencias en la tensión superficial de una misma pompa de jabón (debido a cantidades diferentes de agua-jabón en zonas diferentes de la pompa) producen que el surfactante se redistribuya a lo largo de la burbuja y reduciendo esas diferencias de tensión. Este efecto se llama efecto Marangoni y es responsable de que no explote cuando se hincha la pompa.


El efecto Marangoni también es responsable de las llamadas "lágrimas del vino", el truco que utilizan los catadores de vino para saber el alcohol de un vino. Dejan que el vino (que es una mezcla de agua y alcohol principalmente) escurra por la pared de la copa y obserban la longitud y grosor de las gotas que deja en el cristal (las "lágrimas").

La diferencia entre la tensión superficial del alcohol y del agua y la evaporación más rápida del alcohol hacen variar las lágrimas según la cantidad de alcohol que tenga el vino (como catar el vino? mira por ejemplo aquí ).


Uf, cuantas cosas. Y aun hay más física en las pompas de jabón, pero ya os lo dejo a vosotros (si no os he mareado mucho). Me voy a preparar una mezcla para pompas que he encontrado por ahí.

Será bufar i fer ampolles!!
Lili bufando (ahhhh las vacaciones!!!)

SALUT i POMPES!!

3 comentarios:

comopompasdejabon dijo...

¡¡Impresionante!! Jamás pensé que todo eso pudiera ser yo...realmente ni se me ocurrio, mi apodo es por los versos de Machado y porque son el juego favorito de los niños cuando son pequeños su primer contacto con un mundo mágico ante el cual, asombrados, abren unos ojos enormes.
Gracias por el árticulo, ya sabia yo que detras de tu irreverente avatar se escondia un chico simpatico y esto demuestra una vez más Poesia versus Ciencia que son dos actitudes de enfocar las mismas cosas, hoy yo fluí tu musa.

Feliz Blog Action Day en defensa de medio ambiente, POR UN PLANETA VERDE Y AZUL.

Olduvai dijo...

Hola Comopompasdejabón,

Todo eso y más. Aunque a mi me gustan por lo mismo que a ti.

Muchas gracias por tus comentarios. Me gusta lo de irreverente.

Un abrazo planetario!!

Oldu

SILVIA GRACIELA dijo...

Hola Soy Argengina y me encantó leer este artículo ya que estoy preparando con mis alumnos del pre escolar sala de 5 años un proyecto para presentar en la Feria de Ciencias y tecnología. Me encantó tu espacio.Muy rico Gracias!! Silvia desde Tartagal Salta Argentina. Ah! ahora voy por tu música, jejeje!!