Fenómenos superficiales

TERMODINÁMICA METALÚRGICA II PROF: MARÍA ROSA JELCIC C.

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CAPÍTULO IV

FENÓMENOS SUPERFICIALES


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• Sistemas de dos fases:

Líquido - gas REGION

Líquido - líquido

Sólido líquido INTERFACIAL

PROPIEDADES SON DIFERENTES

Propiedad más importante: TENSION SUPERFICIAL


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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.


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• 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 : longitud

fuerza


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Por lo tanto, dado que hay dos superficies líquidas:

l

F

2

• Unidades de la tensión superficial

Sistema CGS: dinas/cm


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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.


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• MOLÉCULAS SUPERFICIALES ESTÁN UNIDAS MOLÉCULAS SUPERFICIALES ESTÁN UNIDAS SÓLO EN UN 75% CON RESPECTO A UNA SÓLO EN UN 75% CON RESPECTO A UNA MOLÉCULA AL INTERIOR DEL LÍQUIDO.MOLÉCULA AL INTERIOR DEL LÍQUIDO.

• Una superficie líquida tiende a reducir su área al mínimo Una superficie líquida tiende a reducir su área al mínimo debido a las fuerzas sin balancear en la superficie.debido a las fuerzas sin balancear en la superficie.

• Las moléculas de la superficie son energéticamente más Las moléculas de la superficie son energéticamente más ricas y es necesario realizar trabajo para llevar moléculas ricas y es necesario realizar trabajo para llevar moléculas desde el interior de la fase hasta la superficie.desde el interior de la fase hasta la superficie.


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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.


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4.3.1 Método del Ascenso y Descenso 4.3.1 Método del Ascenso y Descenso CapilarCapilar

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.


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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.


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Relación entre el radio de curvatura R y el radio del tubo r:

sen = r/R = sen ( - 90o) = - cos

R = - r/cos


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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.

1F = fuerza ejercida hacia arriba

cos21 rF

2F = fuerza ejercida hacia abajo

ghrF 21


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En el equilibrio:

F1= F2

cos2 r ghr 2

cos2

grh

Si: 0 grh2

1


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•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.


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capilar hidrófilo capilar hidrófobo


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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.


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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


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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.


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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.


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4.7 TENSION INTERFACIAL

• Se tienen dos fases: 1 y 2

• Tensión interfacial: 12

• Suponer que la interfaz tiene área unitaria:Al separarAl separar las dos fases se forma 1 mlas dos fases se forma 1 m22 de de

una superficie de la fase 1 pura con una G una superficie de la fase 1 pura con una G superficial Gsuperficial GS1S1 y 1 m y 1 m22 una superficie de la fase 2 una superficie de la fase 2 pura con una G superficial Gpura con una G superficial GS2S2


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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 Gibbsrepresenta un aumento de energía libre de Gibbs


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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 Gibbsrepresenta un aumento de energía libre de Gibbs

12 = 1/2 (wc1 + wc

2) - wa12

wa12

= 1/2 (wc1 + wc

2)


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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.


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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 - SL Ec. de YoungEc. de Young


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• 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.


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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


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• 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)


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• 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


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sólido hidrofóbico sólido hidrofílico


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sólido hidrofílico sólido hidrofóbico


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4.9 Ecuación de adsorción de Gibbs

Considerar dos fases separadas por una interfase:

i

iiS nAG

Se define:A

nS

que representa la densidad de adsorción, es decir, es el exceso superficial de la sustancia adsorbida, por 1 cm2 de superficie.


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T

Se deduce:

Ecuación de Gibbs

Como:iii aRT ln0

TaRT

ln

1


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Para soluciones diluidas:

TcRT

ln

1

TcRT

c

dc

d

RT

c


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Si:

0

dc

d 0 Adsorción (+)

0

dc

d 0 Adsorción (-)


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Gráfico que indica la variación de la tensión superficial con la

concentración


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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


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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.


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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.

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