Fenomenos Interfaciales
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FENOMENOS
INTERFACIALES
QFB. EDUARDO HERNANDEZ TORRES
INTERFASE
Cuando existen dos
fases juntas, el limite que
hay entre ellas es
interfaseFASE TENSION
INTERFACIALTIPOS Y
EJEMPLOS DE INTERFASE
GAS-GAS - NO EXISTE
GAS-LIQUIDO ƳLV LAGO
GAS-SOLIDO ƳSV TABLA
LIQUIDO-LIQUIDO
ƳLL EMULSION
LIQUIDO-SOLIDO ƳLS SUSPENSION
SOLIDO-SOLIDO ƳSS POLVOSUPERFICIE: ƳLV ƳSV
APLICACIONES
APLICACION
ABSORCION DE SOLIDOS
PENETRACION DE LAS MOLECUALAS POR MEMBRANAS BIOLOGICAS
FORMACION Y ESTABILIDAD DE EMULSIONES Y LA DISPERSION DE PARTICULAS INSOLUBLES EN
UNA SUSPENSION
INTERFASES LIQUIDAS
SUPERFICIE: ƳLV
ƳSV
COHESION GAS-SOLIDO: FUERZA ADHESIVAS DE ATRACCION QUE
INVOLUCRA LA INTERFASE AUNQUE EN ESTE CASO LA FUERZA DE ADHESION ES
PEQUEÑA
TENSION EN LA SUPERFICIE ES LA FUERZA POR UNIDAD DE LONGITUD SI ES APLICADA PARALELAMENTE A UNA
SUPERFICIE
TENSION INTERFACIAL
FUERZA POR UNIDAD DE LONGITUD QUE EXISTE ENTRE LA
INTERFASE ENTRE DOS ESTADOS
DINAS/CM
FUERZA DE ATRACCION ENTRE DOS SISTEMAS ƳLL ,ƳLS, ƳSS
ROMPIMIENTO DE LA TENSION SUPERFICIAL
Ƴ=Fb/2LƳ. Tension superficialFb. Fuerza requerida para romper el filmL. longitud
LA GRAVEDAD TAMBIEN
JUEGA
ENERGIA LIBRE DE SUPERFICIE O W
W=Ƴ ΔA EN ERGIOS
Mover una molécula
desde una de las capas
internas hacia la superficie necesita una
energía que se realiza contra la fuerza de la
tensión superficial
Cuanto mayor superficie de un líquido,
mayor número de moléculas
con este exceso de
energía potencial
Si la superficie del líquido
aumenta, la energía del
líquido aumenta
Como esta energía es
proporcional al tamaño de la superficie, se
denomina energía libre
superficial
eJEMPLO
Se tiene una longitud L de 5 cm y la masa requerida para romper el film es de 0.5 g. ¿Cuál es la tensión superficial y el trabajo requerido?
Ƴ= 0.5 g x 981 cm/s2/ 2 x 5cm = 49 dinas/cm
W= 49 dinas/cm x 10 cm2 = 490 ergios
Diferencias de presión a través de lasinterfases curvas
Para una burbuja de radio r, la energía libre superficial es
4πr2 γ
La burbuja tiende a encogerse de forma que su radio
disminuye dr adoptando la forma esférica de mínima relación
superficie/volumen, disminuyendo su r hasta el equilibrio. La
energía libre superficial es 4πγ(r-dr)2
Oponiéndose a este cambio hay un término energético igual pero con signo cambiado que depende de ladiferencia de presión, ΔP, a través de la pared de la burbuja
QUE ME DICES DE LA PRESION?
La presión es fuerza por unidad de área, luego el cambiode trabajo para disminuir el radio dr: W = ΔP·4πr2·(-dr)
Ecuación de Young-LaplaceΔP= 2γ/rQue es la ecuación básica de los fenómenossuperficiales. ΔP es positivo porque la presión dentro dela gota es siempre mayor que en el exterior y tanto mayorcuanto menor es r
Medida de la tensión superficial
• Método del ascenso capilar• La fuerza de adhesión entre las moléculas del líquido y la pared
capilar es mayor que la fuerza de cohesión en el líquido, se dice que el líquido “moja” la pared capilar
• ascendencia vertical a= Ƴ cos ϴ• circunferencia 2π r Ƴ cos ϴ• ϴ angulo de contacto
Existirá una diferencia entre la densidad del liquido p y su vapor
po y la gravedad
πr2 h (p-po)g + w
W se incorpora para contabilizar el peso
del liquido a la altura del meñisco
Calibración midiendo la altura
máxima que llega el agua al capilar
po, ϴ y w son desechadas Ƴ = ½ rhpg
2 πrƳ = πr2hpg se despeja Ƴ
y se divide
Ejemplo
Una muestra de cloroformo tiene una altura de 3.67 cm a 20° C en un tubo capilar que tiene un radio de 0.01 cm. Cual es la tensión superficial del cloroformo a esta temperatura?
La densidad del cloroformo es de 1.476 g/cm3
Ƴ= ½ x 0.01 cm x 3.67 cm x 1.476 g/cm3 x 981 cm/s2Ƴ = 26.6 g dinas/cm
Coeficiente de extensiónTrabajo de
adhesión:
energía requerida para
romper la
atracció
n entr
e moléculas
distintas
Trabajo de cohesión:
energía requerida para
separar las moléculas del
líquido
que se
extiende de forma que pueda
fluir ahora
sobre la subcapa
El coeficiente de extensión, S, es = Wa-Wc.
En un sistema agua - aceiteSi es positivo, el aceite se extiende sobre una superficie acuosa
S=Wa-Wc=(γL+ γS- γLS)-2 γL= γS- γL –γLS
Reordenando:S= γS- γL – γLS oS= γS-( γL + γLS )
S POSITIVO
•Cuando la tensión superficial de la subcapa es mayor que la suma de la tensión superficial del líquido extendido y la tensión interfacial entre la subcapa y el líquido extendido. Si es mayor esa suma, se dice que forma glóbulos o una lente flotante y No se extiende sobre la superficie. Si Ys es mas grande que Yl y Yls
S NEGATIVO
•Si es negativo la superficie se satura, y por tanto el coeficiente se reduce y propicia una coalescencia por exceso de material.
Coeficientes de extensión del algunas sustancias en agua a 20°C
SUBSTANCIA S (DINAS/CM)
Alcohol etílico 50.4
Acido propinoico 45.8
Éter 45.5
Acido acetico 45.2
Acetona 42.4
Acido undecilenico 32
Acido oleico 24.6
Cloroformo 13
Benceno 8.9
Hexano 3.4
Octano 0.22
Di bromo etileno -3.19
Petrolato liquido -13.4
HUMECTACIÓN
+La adsorción en una superficie sólida está implicado en los fenómenos de humectaciónDISPERSION DE FARMACOS Y DETERGENTES
+Cuando un líquido entra en contacto con el sólido, las fuerzas de atracción entre el líquido y el sólido empiezan a ser significativas
+La acción más importante del agentehumectante es la disminución del ángulo decontacto
ÁNGULO DE CONTACTO
Ys = Ysl + Yl cos ϴ
S = Ys – Yl - Yls
S= Yl (cos ϴ - 1)
Wα = Wsl = Yl (1+ cos ϴ)
Forma alternativa de la ecuacionj de young
AHORA SE PODRIA MEDIR Ys o Ysl
eJERCICIO
• La humectación de las tabletas influye en la disolución y la desintegración y subsecuentemente la liberación del principio activo.
• Un recubridor es un material que contribuye cohesionándose con la tableta.
• Tabletas de acetaminofen en agua se calcularon los siguientes datos con los siguientes recubridores PVP, gelatina y tapioca 5% p/p
RECUBRIDOR Ƴ (Nm -1) Cos ϴ T (min)
PVP 71.23 0.7455 17
GELATINA 71.23 0.7230 23.5
TAPIOCA 71.23 0.7570 2
S= Yl (cos ϴ - 1)
Wα = Wsl = Yl (1+ cos ϴ)
CALCULE COEFICIENTE DE EXTENSION Y EL TRABAJO DE
ADHESION
COMPUESTO S
PVP -18.13
GELATINA -19-.13
TAPIOCA -17.33
COMPUESTO TRABAJO DE ADHESION Nm-1
PVP 124.33GELATINA 122.73TAPIOCA 125.33
RESULTADOS
PO
TEN
CIA
L
Z
zColoides: control y
conocimientos
Sistemas biologicos y funcionales
Purificación (aglomeraci
ón)
Suspensiones interacciones
(repulsion, sedimentación y estabilidad)
DOBLE CAPA
MODELO
VISUALIZACION DE LA ATMOSFERA IONICA EN LA PROXIMIDAD DEL COLOIDE CARGADO Y EXPLICAR COMO ACTUAN LAS FUERZAS DE REPULSION
EFECTOS
CONTRA ION (ION POSITIVO)
LA ATRACCION DEL COLOIDE NEGATIVO HACE QUE LOS IONES POSITIVOS FORMEN UNA CAPA RIGIDA ADYACENTE (CAPA DE STERN)
EXISTE UN EQUILIBRIO LO QUE RESULTA EN UNA CAPA DIFUSA Y SU CONCENTRACION DISMINUYE CON LA DISTANCIA (CO IONES Y CONTRA IONES)
POTENCIAL Z
EL COLOIDE NEGATIVO Y SU ATMOSFERA
CARGADA POSITIVAMENTE PRODUCEN UN
POTENCIAL ELECTRICO RELATIVO A LA
SOLUCION
INDICADOR DE LA FUERZA REPULSIVA Y
ES FACILMENTE MEDIBLE
LA CARGA DE SUPERFICIE Y SU POTENCIAL NO
PUEDE MEDIRSE
POTENCIAL DONDE SE UNE LA CAPA DIFUSA Y LA DE
STERN
CONTROLAMIENTO DE SUSPENSIONES
BALANCE DE REPULSION Y ATRACCION
TEORIA DLVO
COLOIDES EN SUSPENSIONES
EQUILIBRIO ENTRE FUERZAS OPUESTAS
REPULSION INVOLUCRA
DOBLE CAPA Y FUERZAS DE
VAN DER WALLS
CURVA LLAMADA ENERGIA NETA DE INTERACCIÓN
EL VALOR NETO SE REPRESENTA ENTONCES SI ES REPULSIVO O ABAJO SI
ES ATRACTIVO
¿PARA QUE ME VA A SERVIR SABER
ESTO?
• PODEMOS ALTERAR EL SISTEMA PARA AUMENTAR O DISMINUIR LA BARRERA ENERGETICA A TRAVES DE CAMBIOS IONICOS, pH, O COMPUESTOS QUE AFECTEN LAS CARGAS
• EL POTENCIAL INDICARA EL EFECTO DE ATRACCION
FLOCULACION Y
DEFLOCULACION
SUSPENSION
LAS PARTICULAS DISPERSAS DEBEN SER DE TAMAÑO TAL QUE NO SEDIMENTE RAPIDAMENTE
SI SE PRODUCE SEDIMENTACION,
NO DEBE FORMAR UNA CAPA DURA
ESTA DE REDISPERSARSE
CON MINIMO ESFUERZO
LOS FACTORES QUE INTERVIENEN EN EL PROCESO SON:
1. FLOCULACION Y DEFLOCULACIÓN2. POTENCIAL Z ( A MAS DE 25 Mv LAS PARTICULAS SE
DISPERSAN Y SE DICE QUE HAY UNA DEFLOCULACIÓN)
LA ADICION DE UN ION ADSORBIDO PREFERENTEMENTE CON SIGNO OPUESTO AL DE LA PARTICULA,
PRODUCIRA UN DESCENSO PROGRESIVO DE POTENCIAL Z
A CIERTA CONCENTRACION DE IONES AÑADIDOS LAS FUERZAS DE REPULSION DECRECEN Y LAS
PARTICULAS SE UNEN FORMANDO FLOCULOS (FLOCULACIÓN O
TAMBIEN LLAMADO COAGULACION)
DEFLOCULACION
LAS PARTICULAS EXISTEN EN SUSPENSION COMO ENTIDADES SEPARADAS
UN SEDIMENTO SE FORMA LENTAMENTE
LA SUSPENSION TIENE UN ASPECTO AGRADABLE ,DADO QUE EL MATERIAL
SUSPENDIDO PERMANECE ASI POR UN TIEMPO RELATIVAMENTE LARGO. EL
SOBRENADANTE TAMBIEN PERMANECE TURBIO, AUN CUANDO HAY UN SEDIMENTO
VISIBLE
EL SEDIMENTO SE HACE FINALMENTE MUY COMPACTO, DEBIDO AL PESO DE LAS CAPAS SUPERIORES DE MATERIAL SEDIMENTADO. LAS FUERZAS DE REPULSION ENTRE PARTICULAS SON SUPERADAS Y SE FORMA UNA PASTA DURA QUE ES DIFICIL O IMPOSIBLE RESUSPENDER LA VELOCIDAD DE
SEDIMENTACION ES BAJA, DADO QUE CADA PARTICULA
SEDIMENTA POR SEPARADO Y EL TAMAÑO DE PARTICULA ES
MINIMO
FLOCULACION
LAS PARTICULAS FORMAN
AGREGADOS LAXOS
LA VELOCIDAD DE SEDIMENTACION ES ALTA , PORQUE LAS PARTICULAS SEDIMENTAN EN FOLICULOS, QUE SON GRUPOS DE PARTICULAS UN SEDIMENTO SE
FORMA RAPIDAMENTE
EL SEDIMENTO ES POCO COMPACTO , Y TIENE UNA ESTRUCTURA ENREJADA.
LAS PARTICULAS NO SE UNEN FIRMEMENTE Y NO
SE FORMA UNA PASTA DURA Y DENSA. EL
SEDIMENTO ES FACIL DE REDISPERSAR.
LA SUSPENSION ES UN POCO DESAGRADABLE
CINETICA DE FLOCULACION
LA VELOCIDAD A LA CUAL SE PRODUCE LA FLOCULACION ES IMPORTANTE PARA LA ESTABILIDAD DE DISPERSIONES SUSPENDIDASY ESTA DADO POR LA ECUACION DE SMOLVCHOWSKI
δn / δ t = -4πDRN2
δn / δ t VELOCIDAD DE DESAPARICION DE LAS PARTICULAS D COEFICIENTE DE DIFUSIONN NUEMRO DE PARTICULAS/MLR DISTANCIA ENTRE LOS CENTROS DE 2 PARTICULAS EN CONTACTO
EN ESTAS CONDICIONES LA VELOCIDAD ES PROPORCIONAL A LA [PARTICULAS]2 Y VA A DEPENDER
DE LA BARRERA ENERGETICA
SEDIMENTACION Y SU CONTROL
ES IMPORTANTE CONOCER LOS FACTORES FISICOS QUE AFECTAN A LA VELOCIDAD DE SEDIMENTACION COMO SON:
1. TAMAÑO DE PARTICULAS2. DENSIDAD3. VISCOSIDAD4. FLOCULACION SI EXISTE
LEY DE STOKES
V= 2R2 (P1 – P2)g / 9ή
En estado defloculado
V. VELOCIDADR RADIOP DENSIDADES (g/cm3) fase dispersa y medio de dispersionG GRAVEDADR VISCOSIDAD (POISES)
EFECTO DE LA FLOCULACION
• LAS PARTICULAS MAS GRANDES SEDIMENTAN RAPIDO•LAS PARTICULAS PEQUEÑAS PERMANECEN SUPENDIDAS MAS TIEMPO• CUANDO EL SISTEMA ES FLOCULADO SE NOTAN DOS EFECTOS
A) FLOCULOS CAEN JUNTOS Y SE OBSERVA UN LIMITE (SEDIMENTO SOBRENADANTE)
B) LAS PARTICULAS FINAS HAN SIDO ATRAPADAS EN LOS FLOCULOS
LA VELOCIDAD DE SEDIMENTACION EN ESTOS SISTEMAS ESTA DETERMINADA POR EL TAMAÑO DE
FLOCULOS Y LA POROSIDAD DE LA MASA AGREGADA
EXPRESIONES CUANTITATIVAS DE LA SEDIMENTACION Y LA
FLOCULACION
NECESIDAD DE MEDIR Y COMPARAR
VOLUMEN DE SEDIMENTACION F= Vm / Vo
F. VOLUMEN DE SEDIMENTACIONVm RELACION ENTRE EL VOLUMEN DE EQUILIBRIO DEL SEDIMENTOVo VOLUMEN TOTAL DE LA SUSPENSION
F = 0-1
F=1 NO HAY SEDIMENTO APARENTE AUN CUANDO ESTA FLOCULADO EL SISTEMA. SUSPENSION IDEAL
GRADO DE FLOCULACION
β= F/ Fϖ
F= VOLUMEN DE SEDIMENTACION}Fϖ VOLUMEN DE SEDIMENTACION EN ESTADO DEFLOCULADO
EXPRESA EL AUMENTO DE VOLUMEN DEL SEDIMENTO COMO RESULTADO DE LA
FLOCULACION
EJEMPLOβ= 5 EL SISTEMA FLOCULADO ES 5 VECES MAYOR QUE EL DEFLOCULADOβ= 6.5
FORMULACION
DEPENDER SI HAY FLOCULACION O DEFLOCULACION
1. VEHICULO PARA MANTENER LAS PARTICULAS DEFLOCULADAS
2. FLOCULACION CONTROLADA3. COMBINACION DE LOS DOS
PARTICULAS
AGREGADO DEL AGENTE HUMECTANTE Y DEL MEDIO DE DISPERSION
DISPERSION UNIFROME DE PARTICULAS DEFLOCULADAS
INCORPORACION DE VEHICULO
ESTRUCTURADO
AGREGADO DEL AGENTE FLOCULANTE
AGREGADO DEL AGENTE
FLOCULANTE
SUSPENSION DEFLOCULADA EN UN
VEHICULO ESTRUCTURAD COMO
PRODUCTO FINAL
SUSPENSION FLOCULADA COMO PRODUCTO FINAL
INCORPORACION DE VEHICULO
ESTRUCTURADO
SUSPENSION FLOCULADA EN UN
VEHICULO ESTRUCTURAD COMO
PRODUCTO FINAL
GRACIAS!