Bases Físicas del Medio Ambiente

:::::::::TENSION SUPERFICIAL::::::::

TENSION SUPERFICIAL

Antes de definir la tensión superficial, es necesario mencionar el termino energía libre de superficie, la cual se define como la cantidad de trabajo necesario, a temperatura y presión constante, para crear toda una superficie; esta energía no puede ser evaluada mas que haciendo variar el área de la superficie, es decir en un determinado cuerpo, se provoca una deformación que reacciona en sentido contrario a las fuerzas de cohesión, ya que se desplazan y reparten las moléculas o los átomos en el interior de la superficie. Naturalmente que esta "deformación" no sucede en el caso de los sólidos, donde los átomos ocupan posiciones no intercambiables, por lo que en estos no es posible definir una variación de energía libre por unidad de área.

En el caso de los líquidos, el trabajo realizado se reparte de una forma homogénea; las moléculas se desplazan más fácilmente, la energía es proporcional al aumento de la superficie, entonces es posible definir una energía libre de superficie por unidad de área relacionarla con la noción de tensión superficial.

Una molécula en el interior de un líquido está sometida a la acción de fuerzas atractivas de cohesión (fuerzas débiles de Van der Waals) en todas las direcciones, siendo la resultante de todas ellas una fuerza nula. Pero si la molécula está situada en la superficie del líquido, está sometida a la acción de fuerzas de cohesión que no están balanceadas cuya resultante es una fuerza perpendicular a la superficie dirigida hacia el interior del líquido. Por lo que las moléculas de la superficie tienen más energía que las moléculas interiores y tienden a irse al seno del líquido; por tal razón, la superficie tiende a contraerse o reducirse formando una tensión en la superficie y ocupar el área más pequeña posible.

Figura 1. Fuerzas de atracción entre moléculas, en la superficie y en el interior del líquido. Una molécula dentro del líquido es rodeada en todas las direcciones por otras moléculas que la atraen igualmente en todas las direcciones teniendo una fuerza neta igual a cero, mientras que una molécula en la superficie experimenta una fuerza atractiva neta que apunta hacia el interior del líquido, debido a que no se encuentra ninguna molécula del líquido sobre la superficie.

De aquí que sea necesario consumir cierto trabajo para mover las moléculas hacia la superficie venciendo la resistencia de la tensión superficial. Se define la tensión superficial como el trabajo que debe realizarse para llevar moléculas en número suficiente desde el interior del líquido hasta la superficie para crear una nueva unidad de superficie. Debido a estas fuerzas la superficie tiende a contraerse y a ocupar el área más pequeña posible, por ejemplo una gota de líquido en caída libre asume el área de superficie más pequeña, correspondiente a la forma esférica, el estado de mínima energía para una gota líquida es el de mínima superficie.

La tensión superficial y la energía libre de superficie son numéricamente iguales siempre que la viscosidad del líquido no sea muy grande.

La figura 2 muestra la representación de la definición del trabajo necesario para aumentar la superficie de un líquido: En un marco rectangular se suspende una película liquida. Para mantener el área (A) es preciso ejercer una fuerza (F) sobre el lado móvil del marco. Esta fuerza es paralela a la superficie y perpendicular al borde de la superficie en contacto con la barrera móvil. Si se aumenta F en dF, aumenta A.

  

Figura 2. Representación de la tensión superficial.

Si suponemos que se mueve el alambre móvil una distancia d, con el consiguiente aumento de A en 2ld (l se refiere al lado de la superficie, hay 2 superficies una en cada lado de la película), el trabajo realizado es Fd y es proporcional al aumento de A. La constante de proporcionalidad es, k, es igual a la tensión superficial, γ,

                                               Fd=γ2ld  

Si  d=1 y  l=1

De donde:

Dado lo anterior, se define así la tensión superficial como la fuerza en dinas que actúa en dirección perpendicular sobre toda la línea de 1 cm de longitud en la superficie (dinas·cm^-1)

• EFECTO DE LA TEMPERATURA SOBRE LA TENSION SUPERFICIAL.

La tensión superficial depende de la naturaleza del líquido, del medio que le rodea y de la temperatura. La influencia del medio exterior se comprende ya que las moléculas del medio ejercen acciones atractivas sobre las moléculas situadas en la superficie del líquido, contrarrestando las acciones de las moléculas del líquido.

En general, la tensión superficial disminuye al aumentar la temperatura, ya que las fuerzas de cohesión disminuyen al aumentar la agitación térmica. A medida que la temperatura se acerca a la temperatura crítica, disminuye la fuerza ejercida sobre las moléculas de la superficie y al llegar a la temperatura critica, la tensión superficial se desvanece. 

• EFECTO DE LA PRESION SOBRE LA TENSION SUPERFICIAL.

Una presión de vapor alta sobre la superficie de un liquido reduce el valor de la tensión superficial, puesto que, al haber mas moléculas (gaseosas) sobre la superficie, las atracciones de estas moléculas sobre las de la superficie del liquido neutralizaran en cierta medida la atracción desde el interior, y ello disminuye la tensión superficial, es decir que la tensión superficial de varios líquidos ordinarios aumenta regularmente con el aumento de la presión de gas sobre ellos aunque normalmente es muy poco.

   

• EFECTO DE LA CONCENTRACION SOBRE LA TENSION SUPERFICIAL

La tendencia de la superficie a disminuir espontáneamente, es decir, que los átomos o moléculas de la superficie sean atraídos al seno del líquido, puede ser alterada al agregar un segundo componente.

En el caso de soluciones diluidas, existe una relación entre la tensión superficial, g, la concentración global, c, y la concentración de exceso en la superficie G:

En la literatura se encuentras muchas deducciones matemáticas de rigurosidad y complejidad variable para describir esta relación, la ecuación siguiente esta basada en el método dado por Gibbs en el que utilizo el potencial termodinámico: 

Donde:

Γ,  Concentración superficial del soluto por unidad de superficie en la interfase

c,   Concentración del soluto

R,  Constante

T,  Temperatura

La anterior ecuación es llamada isoterma de adsorción de Gibbs, y es una de las ecuaciones fundamentales para describir todos los procesos de adsorción.

El significado de esta ecuación es que si la tensión superficial de la solución disminuye con el aumento de la concentración del soluto, entonces (dγ/dc) es negativa y Γ es positivo; hay un exceso de soluto en la interfase. Esta es la situación común que se presenta con los materiales de superficie activa; si se acumulan en la interfase, disminuyen la tensión superficial.

  

 La concentración de exceso en la superficie puede interpretarse como la masa de soluto adsorbida por unidad de superficie. La tendencia de los componentes tenso activos a concentrarse en una interfase favorece la expansión de la interfase; en el equilibrio, ello debe contrarrestar las fuerzas normales de tensión superficial.

El comportamiento observado para los solutos en disoluciones diluidas puede clasificarse en tres tipos que se muestran en el siguiente grafico:

  

Gráfico 1. Tipos de comportamiento de la tensión superficial al aumentar la concentración.

        

Los solutos del tipo 1 dan lugar a un pequeño aumento de la tensión superficial (g) al aumentar la concentración; ejemplo de este tipo son la mayoría de las sales inorgánicas y sacarosa. El aumento de g  para las disoluciones salinas puede explicarse indicando que las atracciones entre iones con cargas opuestas se ven más favorecidas en la fase global de la disolución que en la capa superficial. Ello origina una disminución de iones en la capa superficial y la adsorción negativa hace que g aumente.

Los solutos del tipo 2 dan lugar a una disminución sustancial y continuada de g al aumentar la concentración; son ejemplo de este tipo la mayoría de los compuestos orgánicos que son algo solubles en agua. Los compuestos orgánicos que son algo solubles en agua presentan normalmente una parte polar (por ejemplo, un grupo OH o COOH) y una parte hidrocarbonada no polar. Estas moléculas tienden a acumularse en la capa superficial, donde se orientan con la parte polar hacia la disolución, interaccionando con las moléculas polares de agua de esta y con sus partes no polares hacia afuera de la disolución. La adsorción resultante hace que g disminuya.

 

Para los solutos del tipo 3, g presenta una rápida caída, seguida por una repentina estabilización a medida que aumenta la concentración. Ejemplo de este tipo son las sales de ácidos orgánicos de cadena de mediana magnitud (jabones, RCOO^-Na⁺), sales de sulfatos de alquilo (ROSO₂O^- Na⁺), sales de aminas cuaternarias {(CH)₃ RN⁺ Cl^-}, sales de sulfato de alquilo (RSO₂O^- Na⁺), y compuestos de  polioxietileno {R (OCH₂ CH₂)_n OH, donde n esta comprendido entre 5 y 15}. Los solutos de tipo 3 se adsorben fuertemente en la interfase. (La estabilización de g ocurre a la concentración crítica de las micelas).