Fenomenos Interfaciales

FENOMENOS

INTERFACIALES

QFB. EDUARDO HERNANDEZ TORRES

INTERFASE

Cuando existen dos

fases juntas, el limite que

hay entre ellas es

interfaseFASE TENSION

INTERFACIALTIPOS Y

EJEMPLOS DE INTERFASE

GAS-GAS - NO EXISTE

GAS-LIQUIDO ƳLV LAGO

GAS-SOLIDO ƳSV TABLA

LIQUIDO-LIQUIDO

ƳLL EMULSION

LIQUIDO-SOLIDO ƳLS SUSPENSION

SOLIDO-SOLIDO ƳSS POLVOSUPERFICIE: ƳLV ƳSV

APLICACIONES

APLICACION

ABSORCION DE SOLIDOS

PENETRACION DE LAS MOLECUALAS POR MEMBRANAS BIOLOGICAS

FORMACION Y ESTABILIDAD DE EMULSIONES Y LA DISPERSION DE PARTICULAS INSOLUBLES EN

UNA SUSPENSION

INTERFASES LIQUIDAS

SUPERFICIE: ƳLV

ƳSV

COHESION GAS-SOLIDO: FUERZA ADHESIVAS DE ATRACCION QUE

INVOLUCRA LA INTERFASE AUNQUE EN ESTE CASO LA FUERZA DE ADHESION ES

PEQUEÑA

TENSION EN LA SUPERFICIE ES LA FUERZA POR UNIDAD DE LONGITUD SI ES APLICADA PARALELAMENTE A UNA

SUPERFICIE

TENSION INTERFACIAL

FUERZA POR UNIDAD DE LONGITUD QUE EXISTE ENTRE LA

INTERFASE ENTRE DOS ESTADOS

DINAS/CM

FUERZA DE ATRACCION ENTRE DOS SISTEMAS ƳLL ,ƳLS, ƳSS

ROMPIMIENTO DE LA TENSION SUPERFICIAL

Ƴ=Fb/2LƳ. Tension superficialFb. Fuerza requerida para romper el filmL. longitud

LA GRAVEDAD TAMBIEN

JUEGA

ENERGIA LIBRE DE SUPERFICIE O W

W=Ƴ ΔA EN ERGIOS

Mover una molécula

desde una de las capas

internas hacia la superficie necesita una

energía que se realiza contra la fuerza de la

tensión superficial

Cuanto mayor superficie de un líquido,

mayor número de moléculas

con este exceso de

energía potencial

Si la superficie del líquido

aumenta, la energía del

líquido aumenta

Como esta energía es

proporcional al tamaño de la superficie, se

denomina energía libre

superficial

eJEMPLO

Se tiene una longitud L de 5 cm y la masa requerida para romper el film es de 0.5 g. ¿Cuál es la tensión superficial y el trabajo requerido?

Ƴ= 0.5 g x 981 cm/s2/ 2 x 5cm = 49 dinas/cm

W= 49 dinas/cm x 10 cm2 = 490 ergios

Diferencias de presión a través de lasinterfases curvas

Para una burbuja de radio r, la energía libre superficial es

4πr2 γ

La burbuja tiende a encogerse de forma que su radio

disminuye dr adoptando la forma esférica de mínima relación

superficie/volumen, disminuyendo su r hasta el equilibrio. La

energía libre superficial es 4πγ(r-dr)2

Oponiéndose a este cambio hay un término energético igual pero con signo cambiado que depende de ladiferencia de presión, ΔP, a través de la pared de la burbuja

QUE ME DICES DE LA PRESION?

La presión es fuerza por unidad de área, luego el cambiode trabajo para disminuir el radio dr: W = ΔP·4πr2·(-dr)

Ecuación de Young-LaplaceΔP= 2γ/rQue es la ecuación básica de los fenómenossuperficiales. ΔP es positivo porque la presión dentro dela gota es siempre mayor que en el exterior y tanto mayorcuanto menor es r

Medida de la tensión superficial

• Método del ascenso capilar• La fuerza de adhesión entre las moléculas del líquido y la pared

capilar es mayor que la fuerza de cohesión en el líquido, se dice que el líquido “moja” la pared capilar

• ascendencia vertical a= Ƴ cos ϴ• circunferencia 2π r Ƴ cos ϴ• ϴ angulo de contacto

Existirá una diferencia entre la densidad del liquido p y su vapor

po y la gravedad

πr2 h (p-po)g + w

W se incorpora para contabilizar el peso

del liquido a la altura del meñisco

Calibración midiendo la altura

máxima que llega el agua al capilar

po, ϴ y w son desechadas Ƴ = ½ rhpg

2 πrƳ = πr2hpg se despeja Ƴ

y se divide

Ejemplo

Una muestra de cloroformo tiene una altura de 3.67 cm a 20° C en un tubo capilar que tiene un radio de 0.01 cm. Cual es la tensión superficial del cloroformo a esta temperatura?

La densidad del cloroformo es de 1.476 g/cm3

Ƴ= ½ x 0.01 cm x 3.67 cm x 1.476 g/cm3 x 981 cm/s2Ƴ = 26.6 g dinas/cm

Coeficiente de extensiónTrabajo de

adhesión:

energía requerida para

romper la

atracció

n entr

e moléculas

distintas

Trabajo de cohesión:

energía requerida para

separar las moléculas del

líquido

que se

extiende de forma que pueda

fluir ahora

sobre la subcapa

El coeficiente de extensión, S, es = Wa-Wc.

En un sistema agua - aceiteSi es positivo, el aceite se extiende sobre una superficie acuosa

S=Wa-Wc=(γL+ γS- γLS)-2 γL= γS- γL –γLS

Reordenando:S= γS- γL – γLS oS= γS-( γL + γLS )

S POSITIVO

•Cuando la tensión superficial de la subcapa es mayor que la suma de la tensión superficial del líquido extendido y la tensión interfacial entre la subcapa y el líquido extendido. Si es mayor esa suma, se dice que forma glóbulos o una lente flotante y No se extiende sobre la superficie. Si Ys es mas grande que Yl y Yls

S NEGATIVO

•Si es negativo la superficie se satura, y por tanto el coeficiente se reduce y propicia una coalescencia por exceso de material.

Coeficientes de extensión del algunas sustancias en agua a 20°C

SUBSTANCIA S (DINAS/CM)

Alcohol etílico 50.4

Acido propinoico 45.8

Éter 45.5

Acido acetico 45.2

Acetona 42.4

Acido undecilenico 32

Acido oleico 24.6

Cloroformo 13

Benceno 8.9

Hexano 3.4

Octano 0.22

Di bromo etileno -3.19

Petrolato liquido -13.4

HUMECTACIÓN

+La adsorción en una superficie sólida está implicado en los fenómenos de humectaciónDISPERSION DE FARMACOS Y DETERGENTES

+Cuando un líquido entra en contacto con el sólido, las fuerzas de atracción entre el líquido y el sólido empiezan a ser significativas

+La acción más importante del agentehumectante es la disminución del ángulo decontacto

ÁNGULO DE CONTACTO

Ys = Ysl + Yl cos ϴ

S = Ys – Yl - Yls

S= Yl (cos ϴ - 1)

Wα = Wsl = Yl (1+ cos ϴ)

Forma alternativa de la ecuacionj de young

AHORA SE PODRIA MEDIR Ys o Ysl

eJERCICIO

• La humectación de las tabletas influye en la disolución y la desintegración y subsecuentemente la liberación del principio activo.

• Un recubridor es un material que contribuye cohesionándose con la tableta.

• Tabletas de acetaminofen en agua se calcularon los siguientes datos con los siguientes recubridores PVP, gelatina y tapioca 5% p/p

RECUBRIDOR Ƴ (Nm -1) Cos ϴ T (min)

PVP 71.23 0.7455 17

GELATINA 71.23 0.7230 23.5

TAPIOCA 71.23 0.7570 2

S= Yl (cos ϴ - 1)

Wα = Wsl = Yl (1+ cos ϴ)

CALCULE COEFICIENTE DE EXTENSION Y EL TRABAJO DE

ADHESION

COMPUESTO S

PVP -18.13

GELATINA -19-.13

TAPIOCA -17.33

COMPUESTO TRABAJO DE ADHESION Nm-1

PVP 124.33GELATINA 122.73TAPIOCA 125.33

RESULTADOS

PO

TEN

CIA

L

Z

zColoides: control y

conocimientos

Sistemas biologicos y funcionales

Purificación (aglomeraci

ón)

Suspensiones interacciones

(repulsion, sedimentación y estabilidad)

DOBLE CAPA

MODELO

VISUALIZACION DE LA ATMOSFERA IONICA EN LA PROXIMIDAD DEL COLOIDE CARGADO Y EXPLICAR COMO ACTUAN LAS FUERZAS DE REPULSION

EFECTOS

CONTRA ION (ION POSITIVO)

LA ATRACCION DEL COLOIDE NEGATIVO HACE QUE LOS IONES POSITIVOS FORMEN UNA CAPA RIGIDA ADYACENTE (CAPA DE STERN)

EXISTE UN EQUILIBRIO LO QUE RESULTA EN UNA CAPA DIFUSA Y SU CONCENTRACION DISMINUYE CON LA DISTANCIA (CO IONES Y CONTRA IONES)

POTENCIAL Z

EL COLOIDE NEGATIVO Y SU ATMOSFERA

CARGADA POSITIVAMENTE PRODUCEN UN

POTENCIAL ELECTRICO RELATIVO A LA

SOLUCION

INDICADOR DE LA FUERZA REPULSIVA Y

ES FACILMENTE MEDIBLE

LA CARGA DE SUPERFICIE Y SU POTENCIAL NO

PUEDE MEDIRSE

POTENCIAL DONDE SE UNE LA CAPA DIFUSA Y LA DE

STERN

CONTROLAMIENTO DE SUSPENSIONES

BALANCE DE REPULSION Y ATRACCION

TEORIA DLVO

COLOIDES EN SUSPENSIONES

EQUILIBRIO ENTRE FUERZAS OPUESTAS

REPULSION INVOLUCRA

DOBLE CAPA Y FUERZAS DE

VAN DER WALLS

CURVA LLAMADA ENERGIA NETA DE INTERACCIÓN

EL VALOR NETO SE REPRESENTA ENTONCES SI ES REPULSIVO O ABAJO SI

ES ATRACTIVO

¿PARA QUE ME VA A SERVIR SABER

ESTO?

• PODEMOS ALTERAR EL SISTEMA PARA AUMENTAR O DISMINUIR LA BARRERA ENERGETICA A TRAVES DE CAMBIOS IONICOS, pH, O COMPUESTOS QUE AFECTEN LAS CARGAS

• EL POTENCIAL INDICARA EL EFECTO DE ATRACCION

FLOCULACION Y

DEFLOCULACION

SUSPENSION

LAS PARTICULAS DISPERSAS DEBEN SER DE TAMAÑO TAL QUE NO SEDIMENTE RAPIDAMENTE

SI SE PRODUCE SEDIMENTACION,

NO DEBE FORMAR UNA CAPA DURA

ESTA DE REDISPERSARSE

CON MINIMO ESFUERZO

LOS FACTORES QUE INTERVIENEN EN EL PROCESO SON:

1. FLOCULACION Y DEFLOCULACIÓN2. POTENCIAL Z ( A MAS DE 25 Mv LAS PARTICULAS SE

DISPERSAN Y SE DICE QUE HAY UNA DEFLOCULACIÓN)

LA ADICION DE UN ION ADSORBIDO PREFERENTEMENTE CON SIGNO OPUESTO AL DE LA PARTICULA,

PRODUCIRA UN DESCENSO PROGRESIVO DE POTENCIAL Z

A CIERTA CONCENTRACION DE IONES AÑADIDOS LAS FUERZAS DE REPULSION DECRECEN Y LAS

PARTICULAS SE UNEN FORMANDO FLOCULOS (FLOCULACIÓN O

TAMBIEN LLAMADO COAGULACION)

DEFLOCULACION

LAS PARTICULAS EXISTEN EN SUSPENSION COMO ENTIDADES SEPARADAS

UN SEDIMENTO SE FORMA LENTAMENTE

LA SUSPENSION TIENE UN ASPECTO AGRADABLE ,DADO QUE EL MATERIAL

SUSPENDIDO PERMANECE ASI POR UN TIEMPO RELATIVAMENTE LARGO. EL

SOBRENADANTE TAMBIEN PERMANECE TURBIO, AUN CUANDO HAY UN SEDIMENTO

VISIBLE

EL SEDIMENTO SE HACE FINALMENTE MUY COMPACTO, DEBIDO AL PESO DE LAS CAPAS SUPERIORES DE MATERIAL SEDIMENTADO. LAS FUERZAS DE REPULSION ENTRE PARTICULAS SON SUPERADAS Y SE FORMA UNA PASTA DURA QUE ES DIFICIL O IMPOSIBLE RESUSPENDER LA VELOCIDAD DE

SEDIMENTACION ES BAJA, DADO QUE CADA PARTICULA

SEDIMENTA POR SEPARADO Y EL TAMAÑO DE PARTICULA ES

MINIMO

FLOCULACION

LAS PARTICULAS FORMAN

AGREGADOS LAXOS

LA VELOCIDAD DE SEDIMENTACION ES ALTA , PORQUE LAS PARTICULAS SEDIMENTAN EN FOLICULOS, QUE SON GRUPOS DE PARTICULAS UN SEDIMENTO SE

FORMA RAPIDAMENTE

EL SEDIMENTO ES POCO COMPACTO , Y TIENE UNA ESTRUCTURA ENREJADA.

LAS PARTICULAS NO SE UNEN FIRMEMENTE Y NO

SE FORMA UNA PASTA DURA Y DENSA. EL

SEDIMENTO ES FACIL DE REDISPERSAR.

LA SUSPENSION ES UN POCO DESAGRADABLE

CINETICA DE FLOCULACION

LA VELOCIDAD A LA CUAL SE PRODUCE LA FLOCULACION ES IMPORTANTE PARA LA ESTABILIDAD DE DISPERSIONES SUSPENDIDASY ESTA DADO POR LA ECUACION DE SMOLVCHOWSKI

δn / δ t = -4πDRN2

δn / δ t VELOCIDAD DE DESAPARICION DE LAS PARTICULAS D COEFICIENTE DE DIFUSIONN NUEMRO DE PARTICULAS/MLR DISTANCIA ENTRE LOS CENTROS DE 2 PARTICULAS EN CONTACTO

EN ESTAS CONDICIONES LA VELOCIDAD ES PROPORCIONAL A LA [PARTICULAS]2 Y VA A DEPENDER

DE LA BARRERA ENERGETICA

SEDIMENTACION Y SU CONTROL

ES IMPORTANTE CONOCER LOS FACTORES FISICOS QUE AFECTAN A LA VELOCIDAD DE SEDIMENTACION COMO SON:

1. TAMAÑO DE PARTICULAS2. DENSIDAD3. VISCOSIDAD4. FLOCULACION SI EXISTE

LEY DE STOKES

V= 2R2 (P1 – P2)g / 9ή

En estado defloculado

V. VELOCIDADR RADIOP DENSIDADES (g/cm3) fase dispersa y medio de dispersionG GRAVEDADR VISCOSIDAD (POISES)

EFECTO DE LA FLOCULACION

• LAS PARTICULAS MAS GRANDES SEDIMENTAN RAPIDO•LAS PARTICULAS PEQUEÑAS PERMANECEN SUPENDIDAS MAS TIEMPO• CUANDO EL SISTEMA ES FLOCULADO SE NOTAN DOS EFECTOS

A) FLOCULOS CAEN JUNTOS Y SE OBSERVA UN LIMITE (SEDIMENTO SOBRENADANTE)

B) LAS PARTICULAS FINAS HAN SIDO ATRAPADAS EN LOS FLOCULOS

LA VELOCIDAD DE SEDIMENTACION EN ESTOS SISTEMAS ESTA DETERMINADA POR EL TAMAÑO DE

FLOCULOS Y LA POROSIDAD DE LA MASA AGREGADA

EXPRESIONES CUANTITATIVAS DE LA SEDIMENTACION Y LA

FLOCULACION

NECESIDAD DE MEDIR Y COMPARAR

VOLUMEN DE SEDIMENTACION F= Vm / Vo

F. VOLUMEN DE SEDIMENTACIONVm RELACION ENTRE EL VOLUMEN DE EQUILIBRIO DEL SEDIMENTOVo VOLUMEN TOTAL DE LA SUSPENSION

F = 0-1

F=1 NO HAY SEDIMENTO APARENTE AUN CUANDO ESTA FLOCULADO EL SISTEMA. SUSPENSION IDEAL

GRADO DE FLOCULACION

β= F/ Fϖ

F= VOLUMEN DE SEDIMENTACION}Fϖ VOLUMEN DE SEDIMENTACION EN ESTADO DEFLOCULADO

EXPRESA EL AUMENTO DE VOLUMEN DEL SEDIMENTO COMO RESULTADO DE LA

FLOCULACION

EJEMPLOβ= 5 EL SISTEMA FLOCULADO ES 5 VECES MAYOR QUE EL DEFLOCULADOβ= 6.5

FORMULACION

DEPENDER SI HAY FLOCULACION O DEFLOCULACION

1. VEHICULO PARA MANTENER LAS PARTICULAS DEFLOCULADAS

2. FLOCULACION CONTROLADA3. COMBINACION DE LOS DOS

PARTICULAS

AGREGADO DEL AGENTE HUMECTANTE Y DEL MEDIO DE DISPERSION

DISPERSION UNIFROME DE PARTICULAS DEFLOCULADAS

INCORPORACION DE VEHICULO

ESTRUCTURADO

AGREGADO DEL AGENTE FLOCULANTE

AGREGADO DEL AGENTE

FLOCULANTE

SUSPENSION DEFLOCULADA EN UN

VEHICULO ESTRUCTURAD COMO

PRODUCTO FINAL

SUSPENSION FLOCULADA COMO PRODUCTO FINAL

INCORPORACION DE VEHICULO

ESTRUCTURADO

SUSPENSION FLOCULADA EN UN

VEHICULO ESTRUCTURAD COMO

PRODUCTO FINAL

GRACIAS!