Sistemas de dos fases: Líquido - gas REGION Líquido - líquido

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

2. 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.

3. 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 : 

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

5. 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.

6. 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.

7. 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.

8. 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.

9. 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.

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

11. 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

12. En el equilibrio: F1= F2 Si:

13. 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.

14. capilar hidrófilo capilar hidrófobo

15. 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.

16. 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

17. 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.

18. 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.

19. 4.7 TENSION INTERFACIAL • Se tienen dos fases: 1 y 2 • Tensión interfacial: 12 • Suponer que la interfaz tiene área unitaria: Al separarlas 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

20. 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 - 12representa un aumento de energía libre de Gibbs

21. Si se separa una columna de una fase 1 pura, se forman 2 m2 de superficieG = wc1 = 2 1vwc : 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) - wa12wa12 = 1/2 (wc1 +wc2)

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

23. 4.8 TERMODINAMICA DE MOJAMIENTOECUACION 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 - SLEc. de Young

24. 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.

25. 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

26. 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)

27. 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

28. sólido hidrofóbico sólido hidrofílico

29. sólido hidrofílico sólido hidrofóbico

30. 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.

31. Se deduce: Ecuación de Gibbs Como:

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

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

34. 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

35. 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.

36. 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.