Qué es la tensión superficial
La tensión superficial se define como el trabajo, dW, requerido para expandir una superficie en dA. Es, por tanto, una medida directa de la energía necesaria para formar una nueva superficie de área unitaria, es decir, energía superficial. La tensión superficial es una característica de cualquier superficie o interfaz, sin embargo, solo se puede medir directamente para líquidos. La tensión superficial resulta de las fuerzas dependientes de la dirección de las moléculas que residen en la interfaz o cerca de ella. La tensión superficial se expresa generalmente en N / m (unidad SI).
Normalmente, los disolventes polares tienen mayor tensión superficial que sus homólogos no polares. Por ejemplo, la alta tensión superficial del agua (72,8 mN / ma 20 ° C) se debe al fuerte enlace de hidrógeno intermolecular (interacción electrostática entre los hidrógenos parcialmente positivos y el átomo de oxígeno parcialmente negativo de una molécula de agua vecina). Cuanto más débiles son las fuerzas intermoleculares, menor es la tensión superficial (por ejemplo, el octano tiene una tensión superficial de 21,6 mN / m). Por lo general, el término «tensión interfacial» se usa para la tensión entre dos líquidos, mientras que «tensión superficial» es más general y generalmente se refiere a una interfaz gas-líquido.
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¿Cuándo es relevante la tensión superficial?
La tensión superficial influye en las propiedades de un sistema. Cuanto más pequeñas son las dimensiones de un sistema, más crítica se vuelve la tensión superficial. Los ejemplos incluyen emulsiones, nieblas y espumas, nucleación & formación de fases. La tensión superficial también es relevante a escalas más grandes, particularmente en la humectación, la adhesión y la forma del menisco. Cuando las dimensiones están en el rango de micro a milímetro, la dinámica viene dada por un equilibrio de viscosidad, densidad y tensión superficial. Además, la tensión superficial es un parámetro de fácil medición para el control de calidad.
Surfactantes
Los surfactantes son moléculas que se enriquecen en superficies o interfaces, es decir, se adsorben en la interfaz. En general, los tensioactivos contienen restos hidrófilos e hidrófobos y, por tanto, en soluciones acuosas, el contacto del agua con las partes hidrófobas se puede evitar disponiendo en la superficie las partes hidrófobas hacia el aire. La adsorción de surfactante reduce la tensión superficial. Este fenómeno se utiliza con frecuencia para mejorar la humectación. Haga clic en la imagen a continuación para leer más sobre la adsorción y la tensión superficial.
Los tensioactivos muestran otra propiedad importante, a saber, el autoensamblaje en micelas. La micelación se asemeja a la formación de fases, en el sentido de que muchos tensioactivos forman una micela. Por tanto, la micela se produce en un intervalo de concentración bastante estrecho (concentración micelar crítica, CMC) y la adición adicional de tensioactivo aumenta la concentración de micelas en lugar de la concentración de monómeros tensioactivos. En consecuencia, la tensión superficial disminuye con el aumento de la concentración total de tensioactivo hasta CMC y luego permanece constante. La medición de la tensión superficial es, por tanto, una forma conveniente de estudiar la micelación.
Medición de la tensión superficial
Se han desarrollado varios métodos para medir la tensión superficial. En las técnicas ópticas, la forma de una gota o menisco se analiza generalmente usando una computadora. La forma asume un equilibrio mecánico entre las fuerzas que actúan sobre el líquido, es decir, la tensión superficial y las fuerzas gravitacionales. Para obtener resultados precisos, la configuración óptica debe estar bien calibrada y, además, el contorno de la gota debe determinarse exactamente.
En tensiometría de presión de burbujas, se utiliza el hecho de que la presión dentro de una burbuja es mayor que fuera de la gota debido a la tensión superficial. La tensión superficial se puede calcular a partir de la diferencia de presión si se conocen el radio y las formas de las gotas. Con algunas suposiciones simples, se puede construir instrumentación robusta y fácil de usar que sea muy adecuada para la medición aproximada de la tensión superficial simplemente sumergiendo un tubo en la solución. La estalagometría es una variación de la técnica de presión de burbujas. En lugar de medir la diferencia de presión, el hecho de que el caudal de un líquido a través de un capilar está determinado por las fuerzas gravitacionales opuestas por la fuerza viscosa y la contrapresión de la gota en la punta del capilar.
La técnica más antigua para medir la tensión superficial es medir la fuerza ejercida por un líquido sobre una sonda. Las técnicas de tensiometría de fuerza son bastante exactas siempre que se conozca el ángulo de contacto en la sonda. Eligiendo un material bien mojado y asumiendo que el ángulo de contacto es cero. Para soluciones acuosas, esto implica el uso de un material hidrófilo. El material más común es el platino.Los experimentos llevados a cabo bajo atmósfera controlada e inerte han demostrado que el agua de hecho humedece completamente el platino. Sin embargo, muchos compuestos que se encuentran en el aire ambiente se adsorben fuertemente en el platino, el efecto es observable a los pocos minutos de la llama. Por lo tanto, la sonda debe sumergirse en el líquido medido inmediatamente después de la limpieza.
Dyneprobe de Kibron se basa en un óxido hidrofílico. Cuando se limpia a la llama con una llama caliente, la capa de óxido se activa en un estado muy hidrófilo. Es más estable frente a los contaminantes del aire que el platino, pero se pasiva con el tiempo. Por lo tanto, no se pueden evitar los procedimientos adecuados de limpieza con llama. Hay dos sub-técnicas de tensiometría de fuerza, a saber, los métodos de Wilhelmy y DuNouy. En el método de Wilhelmy, la sonda se mantiene quieta en la interfaz, preferentemente con el nivel del extremo inferior con la interfaz (a gran distancia). En este punto, no es necesario realizar correcciones de flotabilidad. Para realizar la medición se pueden utilizar tanto las denominadas placas Wilhelmy como las sondas en forma de varilla.
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| Método DuNouy | Método Wilhelmy |
En el método DuNouy (fuerza de tracción máxima), la tensión superficial se registra cuando la sonda se retirado del líquido. La sonda suele ser un anillo DuNouy o una varilla vertical. El movimiento de la sonda proporciona ventajosamente un ángulo de contacto de retroceso, que tiende a ser menor que el ángulo de contacto de reposo. El inconveniente de la técnica es la necesidad de tener en cuenta el término de flotabilidad negativa correspondiente al punto de fuerza máxima donde la sonda está completamente por encima de la superficie. Para las sondas de varilla delgada, el término de flotabilidad es relativamente pequeño y fácil de corregir, mientras que para los anillos el término de flotabilidad es significativo y su cálculo es complicado por la forma de la sección transversal del anillo.
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