TENSION SUPERFICIAL E INTERFACIAL: Definición, cómo se mide y algunas aplicaciones.

Notemos que en la superficie del agua se forma un menisco que podrá ser cóncavo (agua) o convexo (mercurio) dependiendo del líquido en cuestión.

Es de hacer notar que se denomina tensión superficial a la tensión superficial cuando el líquido está en contacto con el aire y tensión interfacial si se trata de dos líquidos inmiscibles.

La tensión interfacial se puede considerar como la tendencia de un líquido a reducir la superficie interfacial de tal manera que se minimice la energía superficial. En el caso de las gotas, la esfera es la forma a la que tienden.
Si dos fases no miscibles (o parcialmente miscibles) α y β se colocan juntas, aparecen tres regiones (figura 2).

Figura 2
La composición de la nueva fase que denominaremos γ y que corresponde a la región interfacial vendrá descrita en términos del número de moles moles n_i^γ del componente i contenidos en la región entre A y B, donde n_i^γ es el número total de moles del componente i en la región entre A y B menos el número de moles de este componente i, que estarían dentro de esta región si las fases α y β se hubiesen extendido a una superficie de separación S sin cambiar las propiedades que tenían en el seno del líquido:

n_i^γ =n_i – (n_i^α + n_i^β)

Por lo tanto, si el área de la superficie es A, se puede definir la concentración en exceso superficial (que es una medida de la acumulación de una especie en la interfase debido a la adsorción) como:

Γ_i=n_i^γ/A (1)
Γ_i puede ser positiva o negativa y sus unidades son mol/cm2.

La energía interna total de un sistema viene dada por:

U=TS-PV+Σμ_in_i (2)

Donde T= Temperatura
S= Entropía
P= Presión
V= Volumen
μ_i= Potencial químico
n_i = Número total de moles
La energía interna de la fase interfacial será:

U ^γ =TS ^γ – PV ^γ + σA +Σμ _i n _i ^γ (3)

Los términos PV ^γ y σA tienen signos opuestos, ya que la presión tiende a expandir mientras la tensión interfacial tiende a contraer. La temperatura T, La presión P y el potencial químico μ _i no requieren índice ya que tienen valores iguales para las tres fases α,β, y γ ya que el sistema está en equilibrio.

Diferenciando (3) tenemos que:

dU ^γ =TdS^γ + S^γdT – PdV ^γ – V^γ dP + + σdA +Adσ +Σμ_i dn_i^γ/ +Σn_i^γ/dμ_i (4)

De la primera y segunda Leyes de la Termodinámica

dU= TdS-PdV +Σμ_idn_i

para nuestro caso:

dU^ϒ = TdSϒ-PdV^ϒ + σdA + Σμ_idn_i^ϒ (6)

restando la ecuación (6) de la (4)

S^γdT– V^γdP + + σdA +Adσ +Σn_i^γdμ_i =0

Por lo tanto, a temperatura y presión constante, se obtiene la ecuación de la tensión interfacial de Gibbs

(7)

dσ=ΣΓ_idμ_i (8)

La ecuación de Gibbs se puede simplificar para el caso de un surfactante distribuido entre dos fases suponiendo que una fase (orgánica) y la otra fase (acuosa) estén separadas por una superficie plana.

Método del peso de la gota

La tensión interfacial se mide por diversos métodos: Método de la elevación capilar, Método de la placa de Wilhelmy, Método de la gota pendiente, Método del anillo entre otros.

En este trabajo se escogió el método del peso de la gota ya que es un método bastante preciso y que no requiere grandes inversiones.

Las medidas se realizan inyectando lentamente a través de un capilar, gotas de un solvente orgánico (en este caso diclorometano) en el seno de otro líquido (en este caso surfactante y agua). La gota crecerá lentamente y se mantendrá adherida al capilar hasta que se rompa el equilibrio entre la tensión interfacial y el peso de la gota. La gota crece hasta que el peso la hace desprenderse del capilar.

Un esquema de un equipo básico se muestra en la figura 3. El mismo consta primordialmente de una bomba cromatográfica y una balanza de precisión.

Figura 3
El método del peso se basa en la ecuación de la tensión interfacial en función del peso de la gota, como se muestra en la figura 4.

Figura 4
De ahí por el diagrama de fuerzas se deduce que m_ag +σL=m_gg, de donde se deduce que
(9)
A la ecuación (9) se le aplica un factor de corrección debido a que la gota no se desprende totalmente del extremo del capilar, así tenemos que:
(10)

Donde f = factor de corrección de Harkis y Brown

m_a=masa del agua
m_g= masa de la gota
r= radio interno del orificio del capilar
La tensión interfacial es medida unidades de energía por unidad de área (o en unidades de Fuerza por unidad de longitud).
El factor f es una constante y es llamado factor de corrección de Harkins y Brown (1), quienes encontraron experimentalmente que f es independiente de la naturaleza del líquido y del material y depende solamente del radio interno del capilar y del volumen de la gota, es decir f depende de la razón r/V^1/3.

Aplicaciones:

La utilización de plásticos en nuestra época es cada vez mayor y cada vez se profundiza en el estudio de ellos. El Polivinilcloruro (PVC) es uno de los plásticos más usados: en botellas, tuberías, cables, juguetes, etc. Y obviamente sus diferentes aplicaciones requieren que sus propiedades (tamaño promedio de partículas, densidad aparente, porosidad) sean las deseadas en las que la tensión interfacial juega un papel muy importante.

Existen diversas variables que influyen en el tamaño de las gotas y la distribución de tamaños de partículas: geometría del sistema tanque/agitador, proporción de las fases inmiscibles usadas en la suspensión, velocidad de agitación, tensión interfacial líquido/líquido y la utilización de surfactantes. El tamaño de las gotas de una suspensión está dado por el balance entre el esfuerzo cortante dado por la agitación y la tensión interfacial entre las dos fases, siendo esta última la propiedad fisicoquímica que tiene mayor importancia en la determinación del tamaño de las gotas y por ende de determina la granulometría del PVC. Uno de los procesos mediante los cuales se produce PVC es mediante la polimerización en suspensión que consiste en poner en contacto dos fases inmiscibles en un recipiente agitado mecánicamente (figura 5).

Figura 5
Aun cuando la intensión era evaluar la polimerización del PVC y como se afecta con los surfactantes que se indican posteriormente, dado que e l monómero Cloruro de Vinilo (MCV) es un gas cancerígeno a temperatura y presión ambiente, se sustituyó por un solvente orgánico clorado: diclorometano CH₂CL₂ que tiene propiedades similares al MCV.

Los surfactantes utilizados fueron: Eteres de Celulosa Methocel (F50,K100,A15),Alcoholes Polivinilicos APV (de ⁰H 72.5, ⁰H 80, ⁰H 88 y Copolímero de Acido Acrílico y 2 Etilhexilacrilato Ethapol 1000.

En (2) se concluyó:
los surfactantes de eteres de celulosa reducen la tensión interfacial mucho más que el acido acrílico.
La tensión interfacial presentó un comportamiento no lineal.

En (3) se concluyó:
La mezcla de alcoholes polivinilicos reducen más rápidamente la tensión interfacial que los alcoholes individualmente.
Estos resultados pudieron sugerir recomendaciones a los procesos de polimerización en suspensión del PVC para ser aplicados en la antigua INDESCA.
Figuras 1 y 2 son de elaboración propia, las figuras 3, 4 y 5 son tomadas de las referencias 2 y 3 en las que participé.

Referencias:

1) Yasuhiko H. Correction factor drop formation. AICHE J. Vol.36, No. 8 (1990)
2) Cabarca N. Trabajo Especial de Grado. FEC.LUZ. 2002.
3) Parra z. Trabajo Especial de Grado. FEC.LUZ. 2002.
4) Sears F. y Salinger G. Termodinámica, teoría cinética y termodinámica estadística. Editorial Reverte, s.a. 1978.
5) Billmayer F. Ciencia de los Polímeros. Editorial Reverte, s.a. 1978.