Tema 6: Estudio termodinámico de las interfases
Tema 6: Estudio termodinámico de las interfases Tema 6: Estudio termodinámico de las interfases
El 27.1% de la materia será superficial y no podrán despreciarse sus efectos sobre las propiedades del sistema en este caso. Los efectos de la interfase serán notables en sistemas con mucha superficie: coloides, sólidos porosos (como las zeolitas) o dispersiones como la del ejemplo anterior. También serán decisivas en aquellos procesos que tienen lugar únicamente sobre superficies (corrosión, reacciones sobre electrodos, membranas celulares…). Muchas aplicaciones químicas en la industria se basan en fenómenos superficiales (adherencia, lubricación, detergencia…). Los fenómenos de superficie implican al menos una fase condensada (sólido o líquido) ya que entre 2 gases las interacciones son tan débiles que las moléculas apenas notan cambio al pasar del interior de una fase a una posición superficial. En este tema estudiamos los fenómenos de superficie con fases líquidas (liq-gas o liq-liq) abordando las superficies sólidas en el siguiente tema. 2. Tensión superficial Desde un punto de vista macroscópico puede observarse la tendencia espontánea de todo sistema a minimizar su área superficial. Por ejemplo: i) Un líquido (en ausencia de otras fuerzas) tiende a adoptar forma esférica porque es la forma 3-D que asegura una menor relación área/volumen. ii) Dos gotas iguales de líquido se unen para formar una mayor reduciendo la superficie, sin variar la masa ni, por tanto, el volumen total. Por ejemplo, sean dos gotas de radio r1, volumen, V1, área, A1, y masa, m1, como se índica en la figura. Estas gotas tienden a unirse formando una de mayor radio, r2, cuyos valores de masa y volumen serán el doble de cada una de las gotas anteriores, sin embargo el área será sólo 1,59 veces la primera, de acuerdo con un cálculo elemental. r 1 r 1 r 2 4 Química Física Avanzada. Cuarto curso Departamento de Química Física Curso 2009-2010 4
Para cada Esfera Inicial Esfera Final V1=4/3πr1 3 V2=2×V1=2× 4/3πr1 3 =4/3πr2 3 , por lo tanto m1=4/3πr1 3 ρ m2=2×m1=2× (4/3πr1 3 ρ) A1=4πr1 2 A2=4πr2 2 = En este ejemplo, la fusión de las dos gotas reduce la superficie en un 20,5%. Desde un punto de vista molecular hemos de considerar las fuerzas intermoleculares que mantienen unidas las moléculas de líquido y que disminuyen su energía interna. Si consideramos un líquido en equilibrio con su vapor, las moléculas del interior del líquido experimentan unas fuerzas atractivas que se anulan en promedio. Las fuerzas son iguales (en promedio) en todas las direcciones. Por el contrario, las moléculas de la superficie experimentan una fuerza atractiva neta hacia el interior del líquido, ya que podemos despreciar las interacciones con las moléculas del vapor. En términos energéticos, las moléculas de la superficie tienen una energía interna promedio superior a las moléculas del interior del líquido ya que experimentan menos interacciones atractivas. El sistema tenderá a minimizar su superficie para minimizar así su energía. Supongamos una superficie interfacial de área A entre dos fases α y β. El número N de moléculas en la región interfacial será proporcional al área. Si aumentamos dicha área en una cantidad dA, aumentará el número de moléculas “superficiales” en dN. Dado que las moléculas son más estables en el interior de la fase, será necesario realizar un trabajo dw proporcional a dN y por tanto a dA para llevarlas a la superficie y así incrementar el área interfacial: 5 Química Física Avanzada. Cuarto curso Departamento de Química Física Curso 2009-2010 5
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El 27.1% <strong>de</strong> la materia será superficial y no podrán <strong>de</strong>spreciarse sus efectos sobre <strong>las</strong><br />
propieda<strong>de</strong>s <strong>de</strong>l sistema en este caso.<br />
Los efectos <strong>de</strong> la interfase serán notables en sistemas con mucha superficie: coloi<strong>de</strong>s, sólidos<br />
porosos (como <strong>las</strong> zeolitas) o dispersiones como la <strong>de</strong>l ejemplo anterior. También serán<br />
<strong>de</strong>cisivas en aquellos procesos que tienen lugar únicamente sobre superficies (corrosión,<br />
reacciones sobre electrodos, membranas celulares…). Muchas aplicaciones químicas en la<br />
industria se basan en fenómenos superficiales (adherencia, lubricación, <strong>de</strong>tergencia…). Los<br />
fenómenos <strong>de</strong> superficie implican al menos una fase con<strong>de</strong>nsada (sólido o líquido) ya que<br />
entre 2 gases <strong>las</strong> interacciones son tan débiles que <strong>las</strong> molécu<strong>las</strong> apenas notan cambio al pasar<br />
<strong>de</strong>l interior <strong>de</strong> una fase a una posición superficial. En este tema estudiamos los fenómenos <strong>de</strong><br />
superficie con fases líquidas (liq-gas o liq-liq) abordando <strong>las</strong> superficies sólidas en el<br />
siguiente tema.<br />
2. Tensión superficial<br />
Des<strong>de</strong> un punto <strong>de</strong> vista macroscópico pue<strong>de</strong> observarse la ten<strong>de</strong>ncia espontánea <strong>de</strong> todo<br />
sistema a minimizar su área superficial. Por ejemplo:<br />
i) Un líquido (en ausencia <strong>de</strong> otras fuerzas) tien<strong>de</strong> a adoptar forma esférica porque es la<br />
forma 3-D que asegura una menor relación área/volumen.<br />
ii) Dos gotas iguales <strong>de</strong> líquido se unen para formar una mayor reduciendo la superficie,<br />
sin variar la masa ni, por tanto, el volumen total. Por ejemplo, sean dos gotas <strong>de</strong> radio<br />
r1, volumen, V1, área, A1, y masa, m1, como se índica en la figura. Estas gotas tien<strong>de</strong>n a<br />
unirse formando una <strong>de</strong> mayor radio, r2, cuyos valores <strong>de</strong> masa y volumen serán el<br />
doble <strong>de</strong> cada una <strong>de</strong> <strong>las</strong> gotas anteriores, sin embargo el área será sólo 1,59 veces la<br />
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