C.3. FENÓMENOS DE SUPERFICIE.

Muchos procesos bilógicos están relacionados con fenómenos que ocurren en las superficies de diferentes fases en contacto, especialmente cuando éstas se hallan divididas en pequeñas partículas. Las superficies que separan dos fases reciben el nombre de interfase y los fenómenos relacionados con ellas se llaman en general fenómenos de superficie.

C.3.a. INTERFASE.

La interfase se define como la superficie de contacto entre dos fases o el límite entre las dos fases, comúnmente puede considerarse como una intercara o interfase.

C.3.b. SUPERFICIE ACTIVA.

La actividad superficial es la fuerte adsorción de sustancias hidrofílicas e hidrofóbicas a las superficies o interfases en forma de una capa monomolecular orientada (o monocapa). Las sustancias con actividad superficial (o surfactantes) son moléculas con partes polares y no polares (anfifílicas). La actividad superficial es un fenómeno dinámico, puesto que el estado final de una superficie o interfase representa un equilibrio entre las tendencias a la adsorción y la tendencia hacia la disolución completa debido a la agitación térmica de las moléculas.

C.3.c. ENERGÍA SUPERFICIAL.

La energía de superficie se define como el trabajo necesario para aumentar en 1cm² la superficie libre del líquido.

Para incrementar el área de una superficie, se requiere un trabajo a fin de recuperar las fuerzas de atracción, de manera que las moléculas del interior puedan desplazarse hacia la región superficial. El trabajo de expansión de la superficie se expresa en ergios por cm², que numéricamente coincide con la tensión superficial, Ɣ, en dinas por cm (1 ergio = 1 dina/cm). Por otro lado el trabajo en ergios por cm² es igual al cambio de energía libre de expansión. La energía de superficie total, Es,  necesaria para dilatar la superficie 1 cm² es la suma del trabajo y el calor necesarios y se expresa habitualmente como:

 Es = Ɣ – T dƔ/dT ,  donde Ɣ es la tensión superficial y T, la temperatura absoluta en °K. El término  T(dƔ/dT) representa la cantidad de energía calorífica que se ha de suministrar para mantener la superficie dilatada a una temperatura constante.

C.3.d. TENSIÓN SUPERFICIAL Y TENSIÓN INTERFACIAL.

El límite entre un líquido y un gas suele ser designado como “superficie”, mientras que en otras combinaciones de fases, la unión se llama “interfase”. Las moléculas de la interfase o de la superficie se comportan de distinto modo que las de la masa (interior de la fase). Puesto que una molécula en el interior (masa) de una fase líquida es atraída con la misma fuerza en todas direcciones hacia las otras moléculas más cercanas, las fuerzas de atracción están equilibradas. Sin embargo, las moléculas de la superficie o interfase no están totalmente rodeadas por otras del mismo tipo y estado físico y, en estas condiciones la fuerza de atracción reticular para cada molécula se dirige hacia el interior de la fase en que se encuentra. La atracción interna tiende a reducir el número de moléculas de la superficie o interfase y, en consecuencia, se reduce al mínimo la superficie o área entre las fases. Las fuerzas que originan reducción de la superficie o del área entre las fases se denominan, respectivamente, tensión superficial y tensión de interfase. Estas tensiones, Ɣ, se expresan en dinas por cm, a temperatura, densidad y concentraciones constantes.

Las atracciones intramoleculares, responsables de las tensiones superficiales y de interfase del líquido, incluyen a los enlaces, puentes de hidrógeno y a las fuerzas de dispersión de London.

La “tensión superficial” σ es el trabajo o energía necesarios para aumentar una superficie 1cm². Por lo tanto σ = Energía superficial/área superficial, donde la energía superficial se expresa en dinas por cm y la superficie recién formada en cm². Esta tensión superficial expresada en dinas/cm indica simplemente la tensión con la cual una fajilla superficial  de 1cm de ancho de un líquido tiende a contraerse.

C.3.e. MÉTODOS PARA DETERMINACIÓN DE LA TENSIÓN SUPERFICIAL.

        La tensión superficial se puede efectuar por diversos métodos como son:

Horquilla de Dupré: es un rectángulo de alambre, con un lado móvil en el que se forma una película con la sustancia cuya tensión superficial se quiere medir. Esta se calcula partiendo de la fuerza F que es necesaria para impedir el desplazamiento del lado móvil, de longitud l.

             Estalagmómetro: cuando se forma una gota en el extremo de un tubo capilar se ponen en juego  a fuerzas opuestas: el peso de la gota que tiende a hacerla caer y la tensión superficial que la mantiene unida al tubo. La gota cae cuando su peso iguala a la tensión superficial.

Mediante el estalagmómetro se cuenta el número de gotas ɳ en que se resuelve un volumen V del líquido problema de densidad ρ. El peso P de cada gota tendrá el valor medio siguiente: P = Vρg/ɳ. La fuerza que une la gota con el capilar es igual al producto de la tensión superficial por la circunferencia del extremo del tubo de radio r. Esta fuerza debe equilibrar justamente el peso de la gota, y, por lo tanto se cumple que: 2πrσ = Vρg/ɳ. Esta expresión nos permitirá calcular la tensión superficial, conocidos como los restantes datos de la fórmula.

 

Ascenso de un líquido por tubos capilares: .- Cuando un líquido asciende por un tubo capilar y moja las paredes del tubo, forma un menisco cóncavo en la superficie líquido-aire en virtud de una diferencia de presión entre el líquido contenido en el recipiente y la presión del líquido en el interior del capilar. Esta diferencia de presión provoca un ascenso del líquido en el interior del capilar que se detiene en el momento en que las presiones son iguales, es decir la presión hidrostática de la columna de líquido en el capilar y la presión fuera del mismo. 

Por tanto, mientras más suba el líquido por el capilar, la diferencia de presiones es mayor y por lo tanto mayor es el valor de la tensión superficial del líquido. Estos están representados en la ecuación de Young-Laplace

donde se observa que la tensión superficial depende directamente de la diferencia de presiones mientras que el radio del capilar la afecta inversamente.

Otros fenómenos que influyen en el ascenso o descenso del líquido por un capilar es el valor relativo de las fuerzas de cohesión entre las moléculas de un mismo líquido y las fuerzas de adhesión entre el líquido y las paredes del tubo. Estas fuerzas determinan el ángulo de contacto que forma el líquido con las paredes del tubo. Sí este ángulo es pequeño se dice que el líquido moja la superficie y se forma entonces un menisco cóncavo.

El método de un capilar utiliza la siguiente ecuación

donde h = altura de la columna líquida dentro del capilar, g = aceleración debida a la gravedad ; r es el radio del capilar ; p densidad del líquido en cuestión.

Para ángulos de contacto que tienden a cero y líquidos que mojan totalmente las paredes de los capilares, el ángulo = 0 entonces la fórmula a seguir es :

Presión máxima de burbuja: Es le método más correcto de medida de tensión superficial, ya que opera en una superficie que se renueva constantemente.

Una pequeña burbuja que se forma en la extremidad de un pequeño tubo inmerso en el líquido, al que se le aplica una presión, lo que hace que el radio de la burbuja aumente. Cuando la burbuja llega a ser un hemisferio de radio igual al radio del tubo, todo aumento ulterior de la presión provoca la desaparición de la burbuja ya que se dilata y luego se desprende.

La presión aplicada, es igual a la diferencia de presión entre los dos lados de la superficie curva, a la cual se agrega la presión hidrostática, función de la profundidad h del orificio del tubo:

Presión máxima = ρgh + (2σ/r)