Higroscopicidad: concepto, sustancias higroscópicas, ejemplos
La higroscopicidad es la propiedad que poseen algunas sustancias de absorber o expulsar moléculas de agua hacia, o desde el ambiente circundante. Una sustancia higroscópica tiene la capacidad de absorber (o expulsar) vapor de agua del aire a su alrededor, hasta que se alcance cierta humedad de equilibrio o hasta que la sustancia se sature.
Cada sustancia tiene una humedad de equilibrio característica. Cuando el ambiente tiene ese grado de humedad, la velocidad con la que la sustancia captura moléculas ambientales de agua, iguala a la cantidad de moléculas liberadas.
Por su parte, la humedad del aire se debe al vapor de agua atmosférico procedente de la evaporación de diversas fuentes como el mar, los ríos, el agua en el suelo, la respiración y transpiración de plantas y animales, entre otras fuentes.
La cantidad de moléculas de vapor retenidas en el aire depende de la temperatura del mismo. A mayor temperatura, mayor retención de moléculas de agua en el aire. Pero si la humedad ambiental está por encima de la humedad de equilibrio de cierto material, entonces el material captará moléculas de agua del ambiente.
Los materiales y sustancias que tienen una humedad de equilibrio baja son usadas como secadores de ambiente, este es el caso de la sílica gel mostrada en la figura 1 y del cloruro de calcio.
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Las sustancias que captan el vapor de agua del aire o del líquido que las circunda son las sustancias higroscópicas y son empleadas como desecantes ambientales, tal como hemos dicho.
En cuanto al mecanismo de acción de las sustancias higroscópicas, básicamente hay dos tipos:
-Las moléculas de agua quedan atrapadas en la estructura cristalina de la sustancia, sin reaccionar químicamente con la misma.
-Se produce una reacción química entre las moléculas de agua y la sustancia en cuestión.
En el primer caso está el sulfato de sodio, mientras que en el segundo caso se encuentran los metales alcalinos y los hidruros, que reaccionan fuertemente con el agua.
Otras sustancias o materiales higroscópicos son:
-Papel
-Fibras de algodón
-Madera
-Azúcar
-Miel
-Algunos alcoholes como el etanol y el metanol
-Sales como el hidróxido de sodio, cloruro de calcio, cloruro de sodio.
Algunas de las sustancias higroscópicas tienden a disolverse en el agua que absorben, como es el caso de las sales, del azúcar o de la miel. Una sustancia que se disuelve en el agua captada por ella misma es llamada sustancia delicuescente.
Los materiales o sustancias que captan la humedad pueden expandirse, en este caso causan esfuerzos o tensiones en los materiales circundantes. Tal el caso de las baterías viejas que captan la humedad ambiental, dilatándose y reventando su envoltorio.
Otro caso similar ocurre con las tapas plastificadas de los libros, que constan de una cara de cartulina que absorbe la humedad, mientras que la película plástica no lo hace. En un ambiente muy húmedo la cartulina absorbe agua y se dilata, resultando que la tapa se comba hacia afuera.
La característica descrita en el párrafo anterior, de la dilatación diferencial por hidratación de dos materiales diferentes, ha sido aprovechada para la construcción de instrumentos para medir la humedad ambiental, como por ejemplo el higrómetro.
El higrómetro es el instrumento usado para medir la humedad ambiental. Los instrumentos diseñados con este fin hacen una medición indirecta de la humedad ambiente.
Por ejemplo puede ser una variación mecánica debido a la absorción de humedad por parte de la sustancia que sirve de sensor.
La capacidad eléctrica de dos placas metálicas separadas por aire puede cambiar levemente, debido a las variaciones de humedad en el medio ambiente.
La resistividad eléctrica de ciertos materiales también puede ser sensible a los cambios de humedad ambiental. Son estas propiedades las que se utilizan como sensores de humedad.
Hay un tipo particular de higrómetro denominado psicrómetro que calcula la humedad basado en la diferencia de temperaturas de dos termómetros: uno de ellos con el bulbo seco y el otro con el bulbo húmedo.
Los higrómetros generalmente miden la humedad relativa del aire. Esta se define como el cociente entre la humedad del aire dividido entre la humedad del aire saturado y multiplicada por 100. Por lo tanto la humedad relativa se expresa convenientemente en forma porcentual.
Una fórmula que permite la determinación de la humedad relativa es la siguiente:
r = 100* (Pv / Pvs)
En esta expresión Pv es la presión de vapor y Pvs la presión de vapor de saturación.
Para asegurarse que el aire está saturado de vapor de agua, se busca el punto de rocío. Esto consiste en disminuir la temperatura a tal punto que el aire no admite más vapor de agua y comienza a condensarse sobre los objetos fríos como metales y vidrios.
La medida de la humedad en el punto de rocío es del 100% en la escala de humedad relativa.
Otra magnitud muy útil es la humedad específica. Se define como la cantidad de gramos de vapor de agua por cada 1000 gramos de aire húmedo y para determinarla se usa la siguiente relación:
w = 0.622 (Pv / P)
Donde Pv es la presión de vapor y P la presión del aire.
En el siguiente ejemplo se determinará la higroscopicidad de un ladrillo de construcción.
-Se pesa el ladrillo seco con una balanza de 0,5% de precisión.
-Luego se sumerge el ladrillo por un tiempo en agua, luego se deja 20 minutos hasta que expida cualquier exceso de agua. Después de esto se pesa el ladrillo saturado.
-La higroscopicidad I se calculará así:
I = {(Peso saturado – Peso seco) / Peso seco} * 100%
El siguiente experimento es una demostración práctica y visual de la higroscopicidad de la madera, es decir de su capacidad de absorber agua y producir dilatación y fuerzas.
Se toman cinco palillos de madera y se parten a la mitad, pero sin que se separen completamente. Luego se disponen en un círculo como el que se muestra en la figura siguiente:
Se le coloca una gota de agua en el centro. Tan pronto cae la gota de agua en el centro del arreglo de palillos de madera, la misma tiende a expandirse debido a la adsorción (no debe confundirse con absorción) del agua a través de las fibras de la madera.
En poco tiempo la madera parece cobrar vida debido a sus expansión paulatina y después de aproximadamente 1 minuto, el resultado es como el que se ve en la siguiente figura.
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