Si llenamos un vaso de agua hasta el borde, el agua puede abombarse un poco por encima sin desbordarse fácilmente. En un estanque, los zapateros caminan sobre el agua como si se deslizaran, sin hundirse. Esta propiedad, por la que la superficie de un líquido ofrece resistencia como si fuera una membrana delgada, se llama tensión superficial (Surface Tension).
En términos sencillos, la tensión superficial es la fuerza que tiende a reducir al mínimo el área de la superficie de un líquido. Surge de la atracción entre las moléculas del líquido e interviene en más fenómenos de los que cabría imaginar, desde la forma redonda de las gotas de agua hasta la manera en que el jabón elimina la suciedad y nuestro cuerpo respira.
Veremos, en orden, cómo surge la tensión superficial, por qué la del agua es especialmente alta, cómo se manifiesta en la vida cotidiana y qué papel cumplen los tensioactivos al reducirla.
Fundamentos y aplicaciones de la tensión superficial
¿Qué es la tensión superficial?
Una molécula situada en el interior de un líquido tiene moléculas vecinas por encima, por debajo y a su alrededor, de modo que las fuerzas de atracción se compensan. En cambio, una molécula de la superficie apenas tiene vecinas que la atraigan hacia el exterior, por lo que la fuerza resultante la atrae hacia el interior del líquido.
Como resultado, la superficie del líquido se comporta como una membrana de goma tensa y hace falta realizar trabajo para aumentar su área. Por eso, la tensión superficial se expresa como la fuerza que actúa por unidad de longitud en la superficie o como la energía necesaria para aumentar el área de la superficie. Se mide en newtons por metro (N/m).
- Cohesión (Cohesion). Es la fuerza de atracción entre las moléculas de un mismo líquido y constituye la base de la tensión superficial.
- Área superficial mínima (Minimum Surface Area). Para un mismo volumen, la esfera es la forma con menor área superficial, por lo que las gotas pequeñas y el agua en condiciones de ingravidez adoptan una forma redonda.
Por la misma razón, las gotas de rocío de la mañana en las puntas de la hierba y las gotas de lluvia adheridas a una ventana se ven redondas. A medida que una gota crece, su peso influye más en su forma. Por eso, una gota grande apoyada sobre una superficie se extiende y se aplana por la base.
Por qué la tensión superficial del agua es especialmente alta
La tensión superficial varía de un líquido a otro. La diferencia depende de la intensidad de las fuerzas que actúan entre sus moléculas.
(1) La fuerza de los puentes de hidrógeno
Las moléculas de agua están fuertemente unidas a sus vecinas mediante puentes de hidrógeno. Por eso, a 20 °C, la tensión superficial del agua es de unos 72.7 mN/m, un valor muy alto entre los líquidos comunes.
(2) Comparación con otros líquidos
La tensión superficial del etanol apenas alcanza una proporción de aproximadamente 1 a 3 respecto a la del agua. En cambio, el mercurio, cuyos átomos están unidos por enlaces metálicos, tiene una tensión superficial unas seis veces mayor que la del agua. Si se deja caer sobre vidrio, rueda como una bolita en vez de extenderse.
(3) Variación con la temperatura
Al aumentar la temperatura, las moléculas se mueven más y se debilitan las fuerzas que las mantienen unidas. La tensión superficial del agua es de unos 75.6 mN/m a 0 °C y desciende hasta unos 59 mN/m al acercarse a los 100 °C.
La tensión superficial varía según el líquido, su temperatura y las sustancias que contiene. Basta disolver un poco de jabón en agua pura para que el valor disminuya considerablemente. Esta propiedad está relacionada con el modo de acción de los tensioactivos, que veremos más adelante.
La tensión superficial en la vida cotidiana
La tensión superficial se manifiesta con más frecuencia en nuestro entorno que en el laboratorio. Basta prestar un poco de atención para observar sus efectos en lugares tan familiares como la cocina, el baño o la orilla de un estanque.
- Zapatero (Water Strider). Sus patas están cubiertas de pelillos que no se mojan. Al presionar levemente el agua, las patas forman pequeñas depresiones, y la fuerza con la que la superficie tiende a recuperar su forma plana sostiene al insecto.
- Aguja flotante (Floating Needle). Incluso una aguja de acero o un clip, más pesados que el agua, pueden flotar si se colocan con cuidado en posición horizontal sobre la superficie, donde quedan sostenidos por la película superficial.
- Superficie convexa del agua (Convex Water Surface). Si se llena un vaso hasta el borde, la resistencia de la superficie permite que el agua se abombe por encima del borde sin desbordarse durante un tiempo.
- Capilaridad (Capillary Action). En un tubo estrecho o en los pequeños espacios de una toalla de papel, la adhesión del líquido a las paredes y la tensión superficial actúan juntas y hacen que el líquido ascienda contra la gravedad.
En cambio, en los líquidos que se adhieren poco al vidrio, como el mercurio, el nivel de la superficie desciende dentro de un tubo estrecho. El resultado depende de cuál de las dos fuerzas sea mayor, la atracción entre las partículas del líquido o la adhesión a las paredes.
Tensioactivos que reducen la tensión superficial
La tensión superficial no siempre resulta útil. Si las moléculas de agua se mantienen demasiado unidas, al agua le cuesta penetrar en los pequeños espacios del tejido o en la suciedad grasa. En estos casos se utilizan tensioactivos, que reducen la tensión superficial.
Funciones de los tensioactivos
- Lavado y limpieza (Detergency). Las moléculas de jabón y detergente tienen una cabeza afín al agua y una cola afín a la grasa. Reducen la tensión superficial del agua, rodean la suciedad grasa y la desprenden para que pase al agua.
- Experimento con pimienta (Pepper Experiment). Si se espolvorea pimienta sobre el agua y se deja caer una gota de detergente en el centro, la tensión superficial disminuye bruscamente en ese punto y la pimienta se desplaza de inmediato hacia los bordes.
- Surfactante pulmonar (Pulmonary Surfactant). En el interior de los alvéolos pulmonares hay una sustancia que reduce la tensión superficial y ayuda a evitar que los pequeños alvéolos colapsen y sus paredes se adhieran al exhalar.
- Aplicaciones industriales (Industrial Applications). Los productos que deben extenderse de manera uniforme sobre una superficie, como las tintas, las pinturas y los plaguicidas, contienen componentes que ajustan la tensión superficial al nivel adecuado.
En particular, los bebés prematuros que nacen antes de haber producido suficiente surfactante pulmonar pueden tener dificultades para respirar. En ocasiones se les administra esta sustancia como tratamiento. Así, una fuerza invisible que actúa en la superficie está ligada a la vida misma.
La tensión superficial surge del efecto conjunto de las pequeñas fuerzas con que las moléculas se atraen en la superficie de un líquido. La forma redonda de las gotas, el paso de los zapateros sobre el agua, la absorción de agua por una toalla de papel, el poder limpiador del detergente y nuestra respiración guardan relación con esta fuerza.
Imaginar el tira y afloja invisible entre las moléculas al ver el agua abombarse por encima del borde de un vaso es el primer paso para explorar la ciencia en la vida cotidiana.
