FENÓMENOS SUPERFICIALES CAPÍTULO IV FENÓMENOS SUPERFICIALES Sistemas de dos fases: Líquido - gas REGION Líquido - líquido Sólido líquido INTERFACIAL PROPIEDADES SON DIFERENTES Propiedad más importante: TENSION SUPERFICIAL

4.1 TENSION SUPERFICIAL Fuerza normal al plano superficial dirigida hacia el interior de la fase y que tiene origen en la descomposición de fuerzas que existen entre las moléculas de la región superficial.

Es la fuerza por cm que actúa sobre la superficie y que se opone a la expansión del área de la misma. Se designa por : 

Por lo tanto, dado que hay dos superficies líquidas: Unidades de la tensión superficial Sistema CGS: dinas/cm

4.2 Energía Superficial La energía de una molécula de la superficie de un sólido es mayor que la energía de una molécula al interior. Para llevar una molécula del interior de la superficie de un sólido debe suministrársele energía.

MOLÉCULAS SUPERFICIALES ESTÁN UNIDAS SÓLO EN UN 75% CON RESPECTO A UNA MOLÉCULA AL INTERIOR DEL LÍQUIDO. Una superficie líquida tiende a reducir su área al mínimo debido a las fuerzas sin balancear en la superficie. Las moléculas de la superficie son energéticamente más ricas y es necesario realizar trabajo para llevar moléculas desde el interior de la fase hasta la superficie.

4.3 Métodos para determinar la tensión superficial - Ascenso y descenso capilar. ESTATICOS: - Determinación de la forma de gotas y burbujas. - Peso de la gota. DINAMICOS: - Anillo de De Nouy. - Presión máxima de burbuja.

4.3.1 Método del Ascenso y Descenso Capilar Un tubo capilar de radio r, se sumerge en un recipiente lleno de líquido de densidad . El líquido al mojar las paredes del tubo, asciende. Se mide h o altura que asciende.

Se define el ángulo de contacto como: Angulo en el líquido entre la pared del tubo y la tangente a la superficie del líquido en la pared.

Relación entre el radio de curvatura R y el radio del tubo r: sen  = r/R = sen ( - 90o) = - cos  R = - r/cos 

En el capilar, el líquido se eleva hasta que la fuerza debida a la tensión superficial, que tiende a atraer el líquido hacia arriba, es contrarrestada por la fuerza de gravedad que lo empuja hacia abajo. = fuerza ejercida hacia arriba = fuerza ejercida hacia abajo

En el equilibrio: F1= F2 Si:

Algunos líquidos, como el agua, mojan las paredes del tubo capilar, por lo tanto el ángulo de contacto es aproximadamente 0º. En este caso el líquido adherido a las paredes atrae el líquido hacia arriba: ASCENSO CAPILAR. En el caso del mercurio, no moja las paredes del vidrio, por lo tanto el ángulo de contacto es aproximadamente 180º. En este caso la tensión superficial rechaza al líquido hacia abajo: DESCENSO CAPILAR.

capilar hidrófilo capilar hidrófobo

4.4 ÁNGULO DE CONTACTO: Otra definición: Angulo que se forma por el plano tangente a la interfaz líquido - gas y el plano formado por el sólido en contacto trifásico sólido - líquido - gas. Este concepto da una definición de la noción de mojabilidad e indica los parámetros superficiales que se requieren medir.

4.5 Efectos superficiales dG superficie = dA  : energía libre de Gibbs por unidad de área  1dina/cm = 1 erg/cm2 Ecuación Fundamental de la Físico Química de Superficies: ( G/ A) T, P, n =  H =  - T ( / T)P

4.6 RELACIÓN ENTRE TENSION SUPERFICIAL Y ESTRUCTURA  está relacionada directamente con la magnitud de las fuerzas intermoleculares existentes entre las moléculas del líquido. Si se conoce la naturaleza química del líquido se puede tener una estimación de la tensión superficial.

Las interacciones moleculares y enlaces químicos más frecuentes en la naturaleza, en orden creciente de su fuerza de unión son: - Fuerzas de Van der Waals. -Interacciones dipolo - dipolo inducido. - Interacciones dipolo - dipolo. Enlace de hidrógeno. - Enlace iónico. - Enlace covalente. - Enlace metálico.

4.7 TENSION INTERFACIAL Se tienen dos fases: 1 y 2 Tensión interfacial: 12 Suponer que la interfaz tiene área unitaria: Al separar las dos fases se forma 1 m2 de una superficie de la fase 1 pura con una G superficial GS1 y 1 m2 una superficie de la fase 2 pura con una G superficial GS2

wa : Trabajo de adhesión: Trabajo necesario para separar 1m2 (cm2) de interfaz 1-2 en dos superficies 1 y 2. (sólido-líquido) (líquido-líquido) G = wa12 = 1v - 2v - 12 representa un aumento de energía libre de Gibbs

Si se separa una columna de una fase 1 pura, se forman 2 m2 de superficie G = wc1 = 2 1v wc : Trabajo de cohesión: Trabajo necesario para separar 2m2 (cm2) de columna de líquido 1 en dos. representa un aumento de energía libre de Gibbs 12 = 1/2 (wc1 + wc2) - wa12 wa12 = 1/2 (wc1 + wc2)

Para la tensión interfacial entre un sólido y un líquido: wa = SV + LV - SL Ecuación de Dupre El trabajo de adhesión y de cohesión constituyen criterios para definir afinidad de fases.

4.8 TERMODINAMICA DE MOJAMIENTO ECUACION DE YOUNG Thomas Young propuso tratar el ángulo de contacto de una gota de líquido colocada sobre una superficie sólida plana, como un equilibrio mecánico de las tensiones interfaciales: sólido/líquido sólido/vapor líquido/vapor LV * cos  = SV - SL Ec. de Young

El concepto de ángulo de contacto y su equilibrio da una definición de la noción de mojabilidad e indica los parámetros superficiales que hay que medir: Cuando un líquido moja completamente al sólido, el ángulo de contacto es cero. Si el ángulo es mayor que cero, indica mojabilidad parcial. Si el ángulo sigue aumentando, menor es la mojabilidad y mayor el grado de hidrofobicidad.

cos  = (SV - SL)/ LV Si SV  SL    90o Si SV  SL    90o Para que exista contacto estable: SV - SL  LV Si el líquido moja completamente la superficie del sólido: SV - SL  LV

cos  = (SV - SL)/ LV wa = SV + LV - SL Combinando ecuaciones de Young y de Dupre: cos  = (SV - SL)/ LV wa = SV + LV - SL wa= LV (cos  + 1 ) Si  = 0o cos  = 1  wa = 2 LV = wc líquido (sólido mojado completamente)

Si  = 90o cos  = 0  wa = LV Si wa  wc (sólido presenta mojabilidad parcial) Si  = 180o cos  = -1  wa = 0 (sólido idealmente hidrofóbico) cos  = 2(wa / wc ) - 1

sólido hidrofóbico sólido hidrofílico

sólido hidrofílico sólido hidrofóbico

4.9 Ecuación de adsorción de Gibbs Considerar dos fases separadas por una interfase: Se define: que representa la densidad de adsorción, es decir, es el exceso superficial de la sustancia adsorbida, por 1 cm2 de superficie.

Se deduce: Ecuación de Gibbs Como:

Para soluciones diluidas: Si: Adsorción (+) Adsorción (-)

Gráfico que indica la variación de la tensión superficial con la concentración

Si se añade un soluto a un solvente, la tensión superficial puede disminuir considerablemente. Si el efecto es un aumento, el soluto se elimina de la capa superficial. Los solutos se clasifican, según el efecto que produzcan en la tensión superficial, en: CAPILARMENTE ACTIVOS: se concentran en la superficie. CAPILARMENTE INACTIVOS: no se concentran en la superficie

4.10 COEFICIENTE DE ESPARCIMIENTO Si una gota de líquido 2 se pone sobre una superficie de un líquido 1 , siendo ambos inmiscibles entre sí, puede ocurrir que se contriga o se esparza libremente formando u film (película) . Depende de las interacciones entre ellos y del balance de las tensiones interfaciales.

Humectación del líquido 1 por el 2 se produce espontaneamente. S: coeficiente de esparcimiento S1/2 = 1 - 2 - 12 Si S1/2  0 Humectación del líquido 1 por el 2 se produce espontaneamente. Los líquidos de baja tensión superficial (orgánicos) humectan la superficie de un líquido de alta tensión superficial.