UNIDAD 3: FENOMENOS DE SUPERFICIE

Equipo: EDGAR ALAN CORTES MORALES

SOLANO GARCIA YAMMEL

BARRERA CINTHYA LILIANA

PIZA FABIAN SHANIK

3.1 FENOMENOS INTERFACIALES. EN UNA FASE, TENSION Y CINETICA EN LA SUPERCIE, Y RELACION ENTRE TENSION SUPERFICIAL Y TENSION INTERFACIAL.

Además de las variables extensivas e intensivas, los sistemas materiales tienen ciertas características que dependen de la naturaleza y extensión de su superficie, como la tensión superficial el coeficiente de adsorción, etc. Aquellas que se pueden cuantificar se designan como propiedades, o coordenadas, superficiales y son objeto de estudio de la llamada Fisicoquímica de las superficies. De hecho, salvo que la fase se encuentre en el vacío, cualquier fase de un sistema está en contacto real con otra. En la frontera que las separa, ocurren ciertos fenómenos debidos a la naturaleza desigual de ambas, fenómenos que no se verifican de manera similar en el interior de cada una. Si la superficie de contacto entre las distintas fases es despreciable frente a la masa del sistema, la magnitud de las propiedades superficiales es tan pequeña respecto a la magnitud de las propiedades extensivas de las fases que puede despreciarse.

No ocurre lo mismo cuando las superficies de las fases en contacto son grandes en relación a la masa del sistema – como sería el caso de los sólidos pulverizados o de nieblas –. En este caso, las propiedades superficiales, especialmente las extensivas, se vuelven importantes y hasta pueden condicionar el comportamiento global del sistema.

Con el transcurso del tiempo el sistema evolucionará hacia un equilibrio dinámico entre la fase líquida y la fase vapor. Durante ese lapso, habrá moléculas en el vapor que se condensarán pasan-do a la fase líquida y moléculas del líquido que se evaporarán pasando a la fase vapor. Las velocidades con que ocurran ambos procesos irán variando gradualmente hasta que en un determinado instante el número de moléculas que pasan por unidad de tiempo a través de la superficie es el mismo en ambas direcciones. Si las condiciones exteriores se mantienen constantes, se alcanzará un estado en el que, macroscópicamente, no se observan cambios. La frontera entre las dos fases, en el ejemplo que estamos viendo, la llamamos la superficie del agua. En otras palabras, el líquido y el vapor se encuentran separados por una superficie.

Podemos generalizar este concepto diciendo que una superficie es una frontera entre dos fases. A esta superficie se la llama interfaz. O sea, una interfaz es una superficie que separa dos fases. Tanto la superficie como la interfaz son conceptos bidimensionales y aparentes. Aparentes

por que, al nivel microscópico, entre las dos fases en contacto no existe separación nítida y brusca.

Existe si, una región donde ocurre una transición continua de las propiedades de una fase a las propiedades de la otra. Esto es, entre las dos fases existe una región tridimensional intermedia. A esta región tridimensional la llamamos interfase.

Definición de la tensión superficial(o tensión de superficie)

En primer lugar, es importante saber que la tensión superficial es también llamada tensión de superficie o energía de interfaz o bien todavía energía de superficie.Es una fuerza que existe al nivel de toda interfaz entre dos medios diferentes (entre un sólido o un líquido y un gas). La tensión entre medios idénticos: dos sólidos, dos líquidos, o también entre un líquido y un sólido es generalmente llamado: la tensión interfacial. La tensión superficial permite a la gota de agua de no extenderse sobre una hoja, o a ciertos insectos marchar sobre el agua, o bien todavía la tensión superficial permite esta forma abombada del agua en un vaso colmado con la noción de capilaridad.

Tensión superficial: las fuerzas intermoleculares

Las fuerzas intermoleculares: Las moléculas de un fluido (líquido o gas) ejercen, entre ellas, fuerzas de atracción o de repulsión (como para la fuerza electrostática). Hay que suponer que un cuerpo líquido puro es constado por un solo tipo de moléculas. Es muy evidente que estas moléculas ejerzan entre ellas una fuerza de atracción porque de otro modo no formarían un solo y único líquido (una sola fase).

Tensión superficial: ejemplo del agua

Las tensiones de superficie no son siempre fáciles a comprender. Para ser simple, tomaremos el ejemplo del agua siempre tomada en referencia porque simple de empleo con una energía molecular muy elevada (la más elevada después del mercurio).

Las moléculas de agua son atraídas entre ellas por la energía molecular y las moléculas periféricas lo están pues solamente en dirección del

interior, lo que en algunos casos forman una gota de agua (la esfera que es la forma de superficie más pequeña posible).

Si se coloca esta gota redonda en un soporte a escasa energía de superficie, las fuerzas de atracciones internas de la gota serán preponderantes y la gota tendrá un mínimo de contacto con el material (ej. película plástica). Si al contrario, el material (ej. vidrio) desarrolla una energía molecular de superficie que se acerca de la del agua, esta energía tenderá a contrapesar las fuerzas dentro de la gota y ésta tenderá a aumentar su superficie interfacial con el material, llanura de la gota, absorbencia.

Si en vez de utilizar agua, se utiliza un líquido mucho más escaso en energía (ej. hidrocarburo, alcohol...) sobre una película plástica, aunque de escasa energía, pero suficiente, esta película causará por atracción interfacial el escalonamiento de la gota de alcohol (el material conseguirá ser preponderante sobre las fuerzas internas en la gota de alcohol, esta gota se extenderá aún mejor sobre el vidrio húmedo al agua, por lo tanto de energía aún más elevada que el plástico)...

Tensión superficial: interfaz líquido y gas

El gas ejerce una presión sobre el líquido porque sus moléculas (del gas) ejercen una atracción o una repulsión sobre las moléculas en la superficie del líquido. Pero es muy pequeño porque el gas tiene una densidad muy débil con relación al líquido. Podemos, pues, decir que la presión del gas, la atracción por el interior del líquido, y el peso directamente influyen en la forma de la superficie del líquido. La pompa de jabón es al principio un pellejo líquido sometido a la presión del gas a los dos lados del pellejo y este líquido debe tener fuerzas de atracción suffisament fuertes para no estallar.

Tensión superficial: interfaz líquido y líquido

En una interfaz líquido / líquido, hablamos de líquidos miscibles o de líquidos no miscibles. Si dos líquidos son miscibles se mezclan para formar sólo una fase, si son no miscibles formarán dos fases muy distintas como el aceite y el agua por ejemplo.Las moléculas de líquidos no miscibles sufren de dos fuerzas: una atracción al interior " de ellas mismas " y una repulsión con relación a las moléculas del otro liquidoLa forma de la interfaz líquido / líquido es engendrada, pues, por las fuerzas de atracción intra-líquida, la fuerza de repulsión interlíquida y, desde luego, la gravedad.

Tensión superficial: interfaz líquido y solido

Es el mismo principio. Tres ejemplos: la gota de agua puesta sobre un sólido, el agua en un vaso y el agua suspendida de una barrera. En caso de repulsión entre el líquido y el sólido: la gota sobre el sólido va a consolidarse y no a extenderse, el agua en el vaso va a encorvarse y el agua sobre la barrera va a caer. En caso de atracción:La gota sobre el sólido va a extenderse, el agua en el vaso va a subir a lo largo de las paredes y el agua suspendida de la barrera no caerá.

Unidad de medida de la tensión superficial

La unidad de medida de la tensión superficial es el newton por metro (N.m-1) que es equivalente a los julios por metro cuadrado (J.m -2) que es la unidad de energía de superficie (o dina / por cm). La tensión superficial es la fuerza que hay que aplicar sobre un líquido para provocar la extensión de su superficie. Podemos definir la energía de interfaz como una demasía de energía química cuando las moléculas de superficie se encuentran dentro del líquido.

Tensión superficial: capilaridad

La capilaridad engendra el efecto abombado del agua en un vaso. Para explicar este fenómeno simplemente, podemos decir que el vaso ejerce una atracción sobre las moléculas de agua, y es para esto que éstas moléculas suben y forman un menisco. De un punto de vista técnico, hay que saber que la energía de interfaz vaso / aire es más fuerte que la energía de interfaz vaso / agua y, pues, la superficie aire / agua aumenta (y el agua se pandea) a depende de la superficie vaso / aire que, ella, disminuye.La capilaridad se nota todavía más en un tubo de ensayo, el agua es abombada (sacada) hacia abajo porque el agua sube a lo largo de las paredes.

3.2 ADSORCIÓN. FUNDAMENTOS. TIPOS DE INTERACCIÓN DE ADSORCIÓN, ISOTERMAS DE ADSORCIÓN E HISTÉRESIS.

MODELOS TÍPICOS Y SUS APLICACIONES.

La adsorción es un proceso mediante el cual se extrae materia de una fase y se concentra sobre la superficie de otra fase (generalmente sólida). Por ello se considera como un fenómeno subsuperficial. La sustancia que se concentra en la superficie o se adsorbe se llama

"adsorbato" y la fase adsorbente se llama "adsorbente". Por contra, la absorción es un proceso en el cual las moléculas o átomos de una fase interpenetran casi uniformemente en los de otra fase constituyéndose una "solución" con esta segunda.

Diferentes procesos de sorción (Appelo and Postma, 1993)

Representación esquemática de los procesos de adsorción.

El proceso de cambio iónico supone un intercambio de una sustancia o ión por otra sobre la superficie del sólido. El término adsorción incluye la adsorción y la absorción conjuntamente, siendo una expresión general para un proceso en el cual un componente se mueve desde una fase para acumularse en otra, principalmente en los casos en que la segunda fase es sólida.La principal distinción entre sorción (adsorción y absorción) y cambio iónico es que las ecuaciones que describen la sorción consideran solamente una especie química, de manera que la distribución del soluto entre la disolución y el sólido responde a una relación simple, lineal o no. Las ecuaciones para el cambio iónico tienen en cuenta todos los iones que compiten por los lugares de intercambio.En general, la adsorción desde una disolución a un sólido ocurre como consecuencia del carácter liofóbico (no afinidad) del soluto respecto al

disolvente particular, o debido a una afinidad elevada del soluto por el sólido o por una acción combinada de estas dos fuerzas.El grado de solubilidad de una sustancia disuelta es el factor más importante paradeterminar la intensidad de la primera de las fuerzas impulsoras. Cuanta mayor atracción tiene una sustancia por el disolvente menos posibilidad tiene de trasladarse a la interfase para ser adsorbida.La sorción y el cambio iónico son procesos de gran interés en hidrogeoquímica ya que regulan de manera notable el transporte de contaminantes químicos en acuíferos y suelos.

Tipos de adsorciónCabe distinguir tres tipos de adsorción según que la atracción entre el soluto y el adsorbente sea de tipo eléctrico, de Van der Waals o de naturaleza química.La adsorción del primer tipo cae de lleno dentro del intercambio iónico y a menudo se le llama adsorción por intercambio, que es un proceso mediante el cual los iones de una sustancia se concentran en una superficie como resultado de la atracción electrostática en los lugares cargados de la superficie. Para dos absorbatos iónicos posibles, a igualdad de otros factores, la carga del ión es el factor determinante en la adsorción de intercambio. Para iones de igual carga, el tamaño molecular (radio de solvatación) determina el orden de preferencia para la adsorción. Este tipo de adsorción se comenta con detalle más adelante.

La adsorción que tiene lugar debido a las fuerzas de Van del Waals se llama generalmente adsorción física. En estos casos, la molécula adsorbida no está fija en un lugar específico de la superficie, sino más bien está libre de trasladarse dentro de la interfase. Esta adsorción, en general, predomina a temperaturas bajas. La adsorción de la mayoría de las sustancias orgánicas en el agua con carbón activado se considera de naturaleza física.Si el adsorbato sufre una interacción química con el adsorbente, el fenómeno se llama adsorción química, adsorción activa o quimisorción. Las energías de adsorción son elevadas, del orden de las de un enlace químico, debido a que el adsorbato forma unos enlaces fuertes localizados en los centros activos del adsorbente. Esta adsorción suele estar favorecida a una temperatura elevada.

La mayor parte de los fenómenos de adsorción son combinaciones de las tres formas de adsorción y, de hecho, no es fácil distinguir entre adsorción física y química.Una isoterma de adsorción (también llamada isoterma de sorción) describe el equilibrio de la adsorción de un material en una superficie (de modo más general sobre una superficie límite) a temperatura constante. Representa la cantidad de material unido a la superficie (el sorbato) como una función del material presente en la fase gas o en la disolución. Las isotermas de adsorción se usan con frecuencia como modelos experimentales, que no hacen afirmaciones sobre los mecanismos subyacentes y las variables medidas. Se obtienen a partir de datos de medida por medio de análisis de regresión.

La histéresis es la tendencia de un material a conservar una de sus propiedades, en ausencia del estímulo que la ha generado. Podemos encontrar diferentes manifestaciones de este fenómeno. Por extensión se aplica a fenómenos que no dependen sólo de las circunstancias actuales, sino también de cómo se ha llegado a esas circunstancias.

Modelos de isotermas de adsorción

Isotermas de adsorción del C2H4 en NaX. Ecuación (1) frente a datos experimentales.

CURVA DE HISTÉRESIS

q=KC

q=qmKC1+KC

q=K C1n

q= aC

1+bCβ

Lineal

Langmuir

Freundlich

Prausnitz - Radke

APLICACIONES

Una de las aplicaciones más conocidas de la adsorción en el mundo industrial, es la extracción de humedad del aire comprimido. Se consigue haciendo pasar el aire comprimido a través de un lecho de alúmina activa u otros materiales con efecto de adsorción a la molécula de agua.

La saturación del lecho se consigue sometiendo a presión el gas o aire, así la molécula de agua es adsorbida por la molécula del lecho, hasta su saturación. La regeneración del lecho, se consigue soltando al exterior este aire comprimido y haciendo pasar una corriente de aire presecado a través del lecho.Lo habitual es encontrar secadores de adsorción en forma de dos columnas y mientras una adsorbe, la otra es regenerada por el mismo aire seco de la columna anterior. Este sistema se conoce como "pressure swing" o PSA.

Otras aplicaciones en las que se emplea éste proceso de adsorción como separación son: purificación de agua, tratamiento de aguas residuales, quitar olores, sabores o colores no deseados por ejemplo en aceites, jarabes de azúcar, en la deshumidificación de gasolinas, o en el secado de aire.

La otra aplicación más extendida es la obtención de nitrógeno, haciendo pasar un caudal de aire comprimido por el lecho adsorbente, compuesto por carbón molecular, especialmente manufacturado para ese propósito.

Usa el mismo sistema ya mencionado de "pressure swing", de los secadores de adsorción. Una cámara llena de carbón es sometida a presión con aire comprimido, la molécula de Oxigeno, es retenida por el nanoporo del carbón, mientras que la molécula de Nitrógeno, de más tamaño, no consigue entrar en el nanoporo del adsorbente. Se conseguí así, disponer de gran cantidad de nitrógeno después del lecho adsorbente y el oxígeno, queda retenido. En la segunda parte del ciclo, con la despresurización, el oxígeno se libera del nanoporo y se evacua a la atmósfera.

Los generadores de nitrógeno, usan este sistema y sus aplicaciones se han generalizado en la industria, en usos como la inertización de depósitos, de envases de productos alimenticios o farmacéuticos y en

laboratorios, donde se usa el nitrógeno como gas portador o inertización de cámaras.

BIBLIOGRAFIAhttp://html.rincondelvago.com/adsorcion.html

http://www.uhu.es/gem/docencia/fisica-ccaa/descargas/trans_teoria/transp_tema_VII.pdf

http://www.principia-malaga.com/p/images/pdf/tension_superficial.pdf

http://www.slideshare.net/marittzaflores/fenomenos-de-superficie-12152925