6.8 Propiedades cohesivas y adhesivas del agua

Las fuerzas de atracción y de repulsión intermolecular afectan las propiedades de la materia como el punto de ebullición, de fusión, el calor de vaporización y la tensión superficial.

Dentro de un líquido, alrededor de una molécula actúan atracciones simétricas, pero en la superficie, una molécula se encuentra sólo parcialmente rodeada por moléculas y en consecuencia es atraída hacia adentro del líquido por las moléculas que la rodean. Esta fuerza de atracción tiende a arrastrar a las moléculas de la superficie hacia el interior del líquido (tensión superficial). Cuando el agua se coloca sobre una superficie cerosa, esta se curva formando esferas distorsionadas, el líquido se comporta como si estuviera rodeado por una "membrana elástica" invisible.

La tensión superficial es responsable de la resistencia que un líquido presenta a la penetración de su superficie, de la tendencia a la forma esférica de las gotas, del ascenso de los líquidos en los tubos capilares y de la flotación de objetos u organismos en su superficie. Es la causa que algunos cuerpos puedan flotar sobre la superficie del agua a pesar de ser mas densos que ella, de la formación de goticas de agua sobre superficies enceradas, o del menisco que se forma en los recipientes cilíndricos, que también son consecuencia de la polaridad de la molécula.

Termodinámicamente la tensión superficial es un fenómeno de superficie y es la tendencia de un líquido a disminuir su superficie hasta que su energía de superficie potencial es mínima, condición necesaria para que el equilibrio sea estable. Como la esfera presenta un área mínima para un volumen dado, entonces por la acción de la tensión superficial, la tendencia de una porción de un líquido lleva a formar una esfera o a que se produzca una superficie curva o menisco cuando un líquido está en contacto con un recipiente.

La tensión superficial actúa como una fuerza que se opone al aumento de área del líquido; se mide en dinas cm^-1 o en ergios cm^-2. Es la fuerza en dinas necesaria para romper una película de 1 cm de longitud. El agua a 20°C tiene una tensión superficial de 72.8 dinas cm^-1 comparado con 22.3 para etil alcohol y 465 para el mercurio. La energía superficial por centímetro cuadrado se representa con la letra griega gamma ().

Los valores de la tensión superficial demuestran que las moléculas superficiales tienen una energía aproximadamente 25 % mayor que las que se encuentran en el interior del fluido. Este exceso de energía no se manifiesta en sistemas ordinarios debido a que el número de moléculas en la superficie es muy pequeño en comparación con el número total del sistema.

Fig. 6.7.Tensión superficial. Visión a nivel molecular de las fuerzas intermoleculares que actúan sobre una molécula de la superficie de un líquido, comparada con las fuerzas entre las moléculas que tienen una posición en el interior.

Fig. 6.8. La tensión superficial del agua es 72 dinas cm-1 a 25°C y disminuye notablemente con la temperatura como se ve en la gráfica. La tensión superficial se origina en la naturaleza polar de la molécula de agua.

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6.8.2 Adhesión y Cohesión

Las fuerzas intermoleculares que enlazan moléculas similares entre sí, tal como los puentes de hidrógeno son llamadas fuerzas cohesivas y las fuerzas intermoleculares que enlazan una sustancia a una superficie se llaman fuerzas adhesivas.

El agua colocada en un capilar se adhiere a este, debido a que las fuerzas adhesivas entre el agua y las paredes del capilar son más grandes que las fuerzas cohesivas entre las moléculas de agua. La capilaridad, es el fenómeno al cual se debe, parcialmente, el ascenso de la savia desde las raíces hasta las hojas.

Fig. 6.9. Cuando se coloca en agua, un tubo de vidrio de diámetro pequeño, o capilar, el agua se eleva dentro del tubo. La capilaridad es el ascenso del líquido en tubos muy delgados. Las fuerzas adhesivas entre el líquido y las paredes del tubo tienden a aumentar el área superficial del líquido. La tensión superficial del líquido tiende a reducir el área por consiguiente impulsa el ascenso del líquido. La capilaridad ayuda al agua y a los nutrientes minerales disueltos en su ascenso por el sistema conductor.

La cohesión, la adhesión y la tensión superficial causan la capilaridad (movimiento de agua hacia arriba de un capilar). La distancia del movimiento a través del capilar, se debe a la atracción que ejerce la periferia de la superficie polar del capilar (adhesión) sobre el agua y a la tensión superficial del agua, que tiende a minimizar el área superficial. La adhesión y la tensión superficial, ejercen tensión sobre las moléculas de agua, justamente bajo la superficie y causan su movimiento hacia la parte alta del tubo, hasta equilibrar la fuerza de adhesión con el peso de la columna de agua. En tubos más pequeños la capilaridad se eleva más alto, como se puede calcular por la fórmula:

En un vaso del xilema de 25 m de diámetro, el aumento de la capilaridad es cercana a 0.6 m. Esa distancia es muy pequeña para ser significativa en el transporte de agua hacia arriba en los árboles altos. Sin embargo el material fibroso, como las paredes celulares puede actuar como una mecha para extraer agua por capilaridad desde el vecindario del xilema, actividad que asegura que la superficie de la pared celular directamente expuesta al aire, como el mesófilo foliar, permanezca húmedas. Debido a que los capilares de la pared celular tienen un radio muy pequeño cerca de 10 m-8. Se pueden generar fuerzas físicas muy grandes justo bajo la superficie evaporativa de la pared celular.