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Módulo II


Tensión superficial
Las superficies líquidas

    ¿Se deforman?
TENSIÓN SUPERFICIAL
Experiencias en las que se
manifiesta la tensión superficial
(A)                       (B)
Anillo de alambre con un bucle flexible de hilo,
introducido en una disolución de jabón: (A) antes y (B)
después de perforar la película superficial del interior
del bucle
EN EL ESQUEMA DE LA
FIGURA AL ALAMBRE
MOVIL DE PESO W1 SE LE
CUELGA UN CUERPO DE
PESO W2.
SIN EMBARGO SE
COMPRUEBA QUE EL
ALAMBRE NO SE    CAE



¿CÓMO LO EXPLICA?
•   El alambre
    deslizante horizontal
    está en equilibrio
    bajo la acción de la
    fuerza superficial Fγ
    dirigida hacia arriba y
    de la tracción hacia
    abajo, w1+w2.

      Fγ = γ x 2 L
                              L
Fγ          = γ x perímetro
           F                          MÁX.




La extracción de un anillo de longitud L, de una
interfase, requiere que se efectúe una fuerza F opuesta
a la fuerza de tensión superficial Fγ. Este método se
utiliza corrientemente para medir la tensión superficial.
• ¿Cuáles son las características de la
  Fuerza de Tensión Superficial?
• Tangente a la superficie de la interfase
• Se opone a la fuerza deformante tendiendo
siempre a disminuir el área de la interfase
• Se aplica en todo el perímetro de la
superficie deformada
• Depende fundamentalmente, de la
naturaleza de las superficies en contacto
Efecto de la tensión superficial


• La tensión superficial tiene como principal efecto
   el disminuir en lo posible la energía acumulada
  en las interfases.

 Por ejemplo, un líquido en ausencia de
 gravedad adopta la forma esférica, que es la
 que tiene menor relación área / volumen.
Definición del coeficiente de
      Tensión Superficial

      El coeficiente de tensión
superficial (γ) es el trabajo (W)
necesario para aumentar en una
unidad el área de una superficie
líquida.
• El trabajo dW necesario para aumentar el área de
  una superficie líquida en la cantidad dA, es
  proporcional a ese incremento

                         dW α dA

• y la constante de proporcionalidad o trabajo por
  unidad de área, es el

      COEFICIENTE de TENSIÓN SUPERFICIAL


     dW = γ dA                       γ   = dW/dA

Unidades: ergio/cm2 o dina/cm
El valor de γ depende de:

• la magnitud de las fuerzas intermoleculares
  en el seno del líquido.
  De esta forma, cuanto mayores sean las
  fuerzas de cohesión en el líquido mayor será
  su tensión superficial.

• la naturaleza de los medios en contacto
∀ γ disminuye con la temperatura; el
  aumento de la agitación térmica redunda
  en una mayor energía de las moléculas
  que en mayor proporción tienen la
  posibilidad de contrarrestar las fuerzas
  intermoleculares de cohesión.


∀ γ disminuye con la la presión;
  especialmente cuando una de las
  interfases es gaseosa.
Valores experimentales del coeficiente de
           tensión superficial
 Líquido en contacto con aire   Temperatura (ºC) oeficientede tensión Superficial (dinas/cm
                                               C

            Agua                       0                           75,6
            Agua                       20                          72,8
            Agua                       60                          66,2
            Agua                      100                          58,9
        Aceite de oliva                20                          32,0
        Alcohol etílico                20                          22,3
          Benceno                      20                          28,9
     Disolución de jabón               20                          25,0
          Glicerina                    20                          63,1
           Mercurio                    20                          465,0
   Tetracloruro de carbono             20                          26,8
            Helio                     -269                          0,1
            Neón                      -247                          5,2
           Oxígeno                    -193                         15,7
CONTACTO ENTRE FASES
A           Situación A:
              Fase sólida: Vidrio
              Fase gaseosa: Aire
              Fase líquida: Agua
 Agua

              Situación B:

  B           Fase sólida: Vidrio
              Fase gaseosa: Aire
Mercurio      Fase líquida: Mercurio


           ¿Cuáles son las
           diferencias entre estas
           dos situaciones?
           ¿Cómo se explican?
(a)                   (b)                    (c)
La superficie de un líquido, en la proximidad de una pared sólida,
se curva diferente según sean las relaciones entre la tensión
superficial sólido-vapor γSV , sólido-líquido γSL y líquido-vapor γLV
¿Cuándo un líquido

 “MOJA” o “NO MOJA”

la superficie de un sólido?
ÁNGULO DE CONTACTO
    Es el ángulo “que
 contiene al líquido”. Se
forma entre la superficie
del sólido y la tangente
a la interfase líquido-gas
 en el punto de contacto
   entre las tres fases
(pasando por el líquido)
ÁNGULOS DE CONTACTO

        Líquido                 Pared            Ángulo de Contacto

                         Vidrio de sosa y cal             5°
                           Vidrio de plomo              6°45´
α-bromonaftaleno (C10H7Br)       Pirex                 20°30´
                           Cuarzo fundido                21°
                          Vidrio de sosa y cal          29°
Ioduro de metileno (CH2I2) Vidrio de plomo              30°
                                  Pirex                 29°
                            Cuarzo fundido              33°
          Agua                 Parafina                 107°
        Mercurio          Vidrio de sosa y cal          140°
¿Qué es una BURBUJA?

   ¿Qué es una POMPA?

  ¿cómo debe ser la presión
interna respecto de la presión
  externa para que existan?
• Sabemos que la Fuerza de Tensión superficial
  trata de disminuir la superficie de la interfase:
  tiende a colapsar la pompa o burbuja
• La Fuerza que se opone a la anterior e impide el
  colapso es la originada por la diferencia de
  presiones entre el interior y el exterior.
• Será necesario realizar trabajo para lograr un
  incremento del tamaño de la pompa

∆P = F / A        ∆P = F. l / A . l   ∆P = dW / dV

y dado que        γ = dW / dA

             ∆P / γ = dA /dV
• Si    V = 4/3 π r3    y        A = 4 π r2

•      dV = 4 π r2 dr   y        dA = 8π r dr
    ∆P = dA = 8π r dr        =     2
    γ    dV 4 π r2 dr             r

       ∆P =    2γ           LEY DE LAPLACE
                r             para gotas o
                                burbujas
Ley de Laplace
∆P =   4γ
∆P =        para pompas de
        r
            solución jabonosa



∆P =   γ    Ley de Laplace
∆P =   r    para superficies
            cilíndricas
¿Qué sucede cuando se abre la válvula?




A simple vista se observa que la pompa más grande crece y la más pequeña se
achica aún más.


 La presión en la pompa más grande es inicialmente menor, por lo tanto el aire
 fluye de la pequeña a la grande. El equilibrio se alcanza cuando las presiones
 internas se igualan. Entonces las curvaturas de las dos pompas deben ser
 iguales. Sólo se observará un casquete de la esfera de la derecha.
Las pompas siempre tratan de minimizar la
    superficie para un volumen dado
Apliquemos Laplace en estas dos situaciones:




¿Los sistemas están en equilibrio o evolucionarán de
algún modo?
Ascenso y descenso capilar
2.γ
                               ∆P =
                                       R
                                     2.γ
                              P1=P2+
                                      R

            1                 P2+ρ.h=P3

                θ               P3=P4
            2
                                P3≅P4
                        ⇒P5≅P1 ≅P4=P3
                    5
            3                 2.γ
            3       4   P2+       =P2+ ρ.h
                               R
                               2.γ
                                   =ρ.h
                                R
R = radio del menisco
2γ
                                       = ρ h
                            R     R
R = radio del menisco   r
r = radio del capilar

                                2 γ cos θ
  cos θ = r / R                             =h
                                 ρ r


                                 Ley de Jurin
Tenemos un objeto y una               Apoyamos el objeto sobre un
     interfase líquido gas                        líquido


                                             Fγ   β          β   Fγ
   Gas             Objeto
                   sujetado



     Líquido                                             P

  Vemos que el sistema se encuentra en equilibrio. Por lo tanto:

               ΣFγ(y) = P           Σ Fγ cosβ = P
                     γ      perímetro cosβ = P

  Para un objeto dado P/ perim = k, por lo tanto el producto γ cos β
  debe ser constante e igual a k si el equilibrio es vertical.

La modificación de γ o de β conducirá a un cambio del equilibrio original y,
consecuentemente, a la generación de nuevos equilibrios caracterizados por
otras relaciones P/ perim.
Compare la situación: 1 con 2 y 1 con 3
Qué cambió y qué no al pasar de 1 a 2 ó
               3 ???
Barómetro de Fortín




       h0 = ht – 0.123 t + c
Corrección por
 capilaridad
           ht


                                Flecha

           h´t

                 f = ht – h`t




                   Tabla de
                   Kholraush
¿Qué son los tensioactivos?:

Son sustancias que al disolverse en un
determinado líquido, inciden sobre la
tensión      superficial del     mismo
modificando el coeficiente de tensión
superficial del sistema.
Hay tensioactivos que

Aumentan el γ


Disminuyen el γ
Aplicaciones de los tensioactivos:
Dentro de ellos, los que disminuyen el
coeficiente de tensión superficial (también
denominados surfactantes)   se utilizan en
innumerables aplicaciones:

    •productos de limpieza
    •Industrias:Farmacéuticas , agro-
    alimenticias, cosméticas, metalúrgicas,
    textiles, petroleras, de pinturas y
    polímeros, etc.
Agentes tensioactivos surfactantes
tienden a formar estructuras estables
Las cabezas polares se
orientan hacia el medio
hidrofílico y las regiones no
polares se ponen en               Región
contacto entre si. De este      hidrofóbica
modo proveen un pequeño
volumen hidrofóbico en un
medio acuoso. Entre ellos
los de cadena hidrofóbica       Micela
no muy larga forman
micelas.
Los de cadena hidrofóbica más larga como
 fosfolípidos o ácidos grasos tienden a
 formar liposomas que según el método de
 obtención pueden ser:
                   Bicapas lipídicas que
Unilamelares       proveen un volumen
                   hidrofílico encerrado en
                   capas lipofílicas



                   Multilamelares
Aplicaciones farmacéuticas
El proceso de micelación juega un rol importante en la
elaboración de preparaciones farmacéuticas, ya que el
medio que proporcionan, facilita la disolución de otros
compuestos
En cosmética y farmacia se
incorporan principios
activos a liposomas los que
debido a su estructura
lipofílica favorecen la
absorción
Micelas biológicas
Durante la digestión se
produce la micelación de los
lípidos dietarios para
favorecer su absorción                 Ácidos            Sales
                                       grasos          biliares
                                         triglicéridos

                      Otras estructuras micelares
                      son las lipoproteínas séricas
                      fisiológicas (LDL, HDL, etc)
    fosfolípido    apoproteína
   colesterol s   triglicéridoss
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   en los pulmones
RESPIRACIÓN
Tension superficial

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Tension superficial

  • 2. Las superficies líquidas ¿Se deforman?
  • 3.
  • 5. Experiencias en las que se manifiesta la tensión superficial
  • 6. (A) (B) Anillo de alambre con un bucle flexible de hilo, introducido en una disolución de jabón: (A) antes y (B) después de perforar la película superficial del interior del bucle
  • 7. EN EL ESQUEMA DE LA FIGURA AL ALAMBRE MOVIL DE PESO W1 SE LE CUELGA UN CUERPO DE PESO W2. SIN EMBARGO SE COMPRUEBA QUE EL ALAMBRE NO SE CAE ¿CÓMO LO EXPLICA?
  • 8. El alambre deslizante horizontal está en equilibrio bajo la acción de la fuerza superficial Fγ dirigida hacia arriba y de la tracción hacia abajo, w1+w2. Fγ = γ x 2 L L
  • 9. = γ x perímetro F MÁX. La extracción de un anillo de longitud L, de una interfase, requiere que se efectúe una fuerza F opuesta a la fuerza de tensión superficial Fγ. Este método se utiliza corrientemente para medir la tensión superficial.
  • 10. • ¿Cuáles son las características de la Fuerza de Tensión Superficial?
  • 11. • Tangente a la superficie de la interfase • Se opone a la fuerza deformante tendiendo siempre a disminuir el área de la interfase • Se aplica en todo el perímetro de la superficie deformada • Depende fundamentalmente, de la naturaleza de las superficies en contacto
  • 12. Efecto de la tensión superficial • La tensión superficial tiene como principal efecto el disminuir en lo posible la energía acumulada en las interfases. Por ejemplo, un líquido en ausencia de gravedad adopta la forma esférica, que es la que tiene menor relación área / volumen.
  • 13. Definición del coeficiente de Tensión Superficial El coeficiente de tensión superficial (γ) es el trabajo (W) necesario para aumentar en una unidad el área de una superficie líquida.
  • 14. • El trabajo dW necesario para aumentar el área de una superficie líquida en la cantidad dA, es proporcional a ese incremento dW α dA • y la constante de proporcionalidad o trabajo por unidad de área, es el COEFICIENTE de TENSIÓN SUPERFICIAL dW = γ dA γ = dW/dA Unidades: ergio/cm2 o dina/cm
  • 15. El valor de γ depende de: • la magnitud de las fuerzas intermoleculares en el seno del líquido. De esta forma, cuanto mayores sean las fuerzas de cohesión en el líquido mayor será su tensión superficial. • la naturaleza de los medios en contacto
  • 16. ∀ γ disminuye con la temperatura; el aumento de la agitación térmica redunda en una mayor energía de las moléculas que en mayor proporción tienen la posibilidad de contrarrestar las fuerzas intermoleculares de cohesión. ∀ γ disminuye con la la presión; especialmente cuando una de las interfases es gaseosa.
  • 17. Valores experimentales del coeficiente de tensión superficial Líquido en contacto con aire Temperatura (ºC) oeficientede tensión Superficial (dinas/cm C Agua 0 75,6 Agua 20 72,8 Agua 60 66,2 Agua 100 58,9 Aceite de oliva 20 32,0 Alcohol etílico 20 22,3 Benceno 20 28,9 Disolución de jabón 20 25,0 Glicerina 20 63,1 Mercurio 20 465,0 Tetracloruro de carbono 20 26,8 Helio -269 0,1 Neón -247 5,2 Oxígeno -193 15,7
  • 19. A Situación A: Fase sólida: Vidrio Fase gaseosa: Aire Fase líquida: Agua Agua Situación B: B Fase sólida: Vidrio Fase gaseosa: Aire Mercurio Fase líquida: Mercurio ¿Cuáles son las diferencias entre estas dos situaciones? ¿Cómo se explican?
  • 20. (a) (b) (c) La superficie de un líquido, en la proximidad de una pared sólida, se curva diferente según sean las relaciones entre la tensión superficial sólido-vapor γSV , sólido-líquido γSL y líquido-vapor γLV
  • 21. ¿Cuándo un líquido “MOJA” o “NO MOJA” la superficie de un sólido?
  • 22. ÁNGULO DE CONTACTO Es el ángulo “que contiene al líquido”. Se forma entre la superficie del sólido y la tangente a la interfase líquido-gas en el punto de contacto entre las tres fases (pasando por el líquido)
  • 23. ÁNGULOS DE CONTACTO Líquido Pared Ángulo de Contacto Vidrio de sosa y cal 5° Vidrio de plomo 6°45´ α-bromonaftaleno (C10H7Br) Pirex 20°30´ Cuarzo fundido 21° Vidrio de sosa y cal 29° Ioduro de metileno (CH2I2) Vidrio de plomo 30° Pirex 29° Cuarzo fundido 33° Agua Parafina 107° Mercurio Vidrio de sosa y cal 140°
  • 24. ¿Qué es una BURBUJA? ¿Qué es una POMPA? ¿cómo debe ser la presión interna respecto de la presión externa para que existan?
  • 25. • Sabemos que la Fuerza de Tensión superficial trata de disminuir la superficie de la interfase: tiende a colapsar la pompa o burbuja • La Fuerza que se opone a la anterior e impide el colapso es la originada por la diferencia de presiones entre el interior y el exterior. • Será necesario realizar trabajo para lograr un incremento del tamaño de la pompa ∆P = F / A ∆P = F. l / A . l ∆P = dW / dV y dado que γ = dW / dA ∆P / γ = dA /dV
  • 26. • Si V = 4/3 π r3 y A = 4 π r2 • dV = 4 π r2 dr y dA = 8π r dr ∆P = dA = 8π r dr = 2 γ dV 4 π r2 dr r ∆P = 2γ LEY DE LAPLACE r para gotas o burbujas
  • 27. Ley de Laplace ∆P = 4γ ∆P = para pompas de r solución jabonosa ∆P = γ Ley de Laplace ∆P = r para superficies cilíndricas
  • 28. ¿Qué sucede cuando se abre la válvula? A simple vista se observa que la pompa más grande crece y la más pequeña se achica aún más. La presión en la pompa más grande es inicialmente menor, por lo tanto el aire fluye de la pequeña a la grande. El equilibrio se alcanza cuando las presiones internas se igualan. Entonces las curvaturas de las dos pompas deben ser iguales. Sólo se observará un casquete de la esfera de la derecha.
  • 29. Las pompas siempre tratan de minimizar la superficie para un volumen dado
  • 30. Apliquemos Laplace en estas dos situaciones: ¿Los sistemas están en equilibrio o evolucionarán de algún modo?
  • 32. 2.γ ∆P = R 2.γ P1=P2+ R 1 P2+ρ.h=P3 θ P3=P4 2 P3≅P4 ⇒P5≅P1 ≅P4=P3 5 3 2.γ 3 4 P2+ =P2+ ρ.h R 2.γ =ρ.h R R = radio del menisco
  • 33. = ρ h R R R = radio del menisco r r = radio del capilar 2 γ cos θ cos θ = r / R =h ρ r Ley de Jurin
  • 34. Tenemos un objeto y una Apoyamos el objeto sobre un interfase líquido gas líquido Fγ β β Fγ Gas Objeto sujetado Líquido P Vemos que el sistema se encuentra en equilibrio. Por lo tanto: ΣFγ(y) = P Σ Fγ cosβ = P γ perímetro cosβ = P Para un objeto dado P/ perim = k, por lo tanto el producto γ cos β debe ser constante e igual a k si el equilibrio es vertical. La modificación de γ o de β conducirá a un cambio del equilibrio original y, consecuentemente, a la generación de nuevos equilibrios caracterizados por otras relaciones P/ perim.
  • 35. Compare la situación: 1 con 2 y 1 con 3 Qué cambió y qué no al pasar de 1 a 2 ó 3 ???
  • 36. Barómetro de Fortín h0 = ht – 0.123 t + c
  • 37. Corrección por capilaridad ht Flecha h´t f = ht – h`t Tabla de Kholraush
  • 38. ¿Qué son los tensioactivos?: Son sustancias que al disolverse en un determinado líquido, inciden sobre la tensión superficial del mismo modificando el coeficiente de tensión superficial del sistema.
  • 39. Hay tensioactivos que Aumentan el γ Disminuyen el γ
  • 40. Aplicaciones de los tensioactivos: Dentro de ellos, los que disminuyen el coeficiente de tensión superficial (también denominados surfactantes) se utilizan en innumerables aplicaciones: •productos de limpieza •Industrias:Farmacéuticas , agro- alimenticias, cosméticas, metalúrgicas, textiles, petroleras, de pinturas y polímeros, etc.
  • 41. Agentes tensioactivos surfactantes tienden a formar estructuras estables Las cabezas polares se orientan hacia el medio hidrofílico y las regiones no polares se ponen en Región contacto entre si. De este hidrofóbica modo proveen un pequeño volumen hidrofóbico en un medio acuoso. Entre ellos los de cadena hidrofóbica Micela no muy larga forman micelas.
  • 42. Los de cadena hidrofóbica más larga como fosfolípidos o ácidos grasos tienden a formar liposomas que según el método de obtención pueden ser: Bicapas lipídicas que Unilamelares proveen un volumen hidrofílico encerrado en capas lipofílicas Multilamelares
  • 43. Aplicaciones farmacéuticas El proceso de micelación juega un rol importante en la elaboración de preparaciones farmacéuticas, ya que el medio que proporcionan, facilita la disolución de otros compuestos En cosmética y farmacia se incorporan principios activos a liposomas los que debido a su estructura lipofílica favorecen la absorción
  • 44. Micelas biológicas Durante la digestión se produce la micelación de los lípidos dietarios para favorecer su absorción Ácidos Sales grasos biliares triglicéridos Otras estructuras micelares son las lipoproteínas séricas fisiológicas (LDL, HDL, etc) fosfolípido apoproteína colesterol s triglicéridoss
  • 45. Surfactante biológico en los pulmones