Reporte fisicoquimica de superficies Tensión superficial y ángulo de contacto PDF

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Evaluación de ángulos de contacto para varias interfaces líquido-sólido por fenómenos de capilaridad y tensión superficial con solventes de uso común en laboratorios....

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Evaluación de ángulos de contacto para varias interfaces líquido-sólido por fenómenos de capilaridad y tensión superficial con solventes de uso común en laboratorios. Aldo de Jesús Martínez Olguín, Roberto Antonio Ferrer Acevedo, Nemesio Orozco de Jesús, Francisco Hernández Sevilla Universidad del Papaloapan

Resumen. En este trabajo se evalúa mediante fotografía los ángulos de contactos generados en distintas superficies con solventes de uso común en el laboratorio. De igual manera los fenómenos de capilaridad que se dan en estos solventes son analizados y se determinan propiedades fisicoquímicas de adhesión y mojabilidad de forma cualitativa. Palabras clave: Capilaridad, tensión superficial, ángulos de contacto 1. Introducción 1.1 Tensión superficial. La tensión superficial es la fuerza que actúa tangencialmente por unidad de longitud en el borde de una superficie libre de un líquido en equilibrio y que tiende a contraer dicha superficie. Las fuerzas cohesivas entre las moléculas de un líquido son las responsables del fenómeno conocido como tensión superficial. Las mediciones de ángulos de contacto es un método fiable para caracterizar la interacción entre un líquido y una superficie. Cuando la gota de agua no penetra en el sustrato, la interacción puede ser caracterizada por un ángulo de contacto si la superficie es suave y homogénea. Cuando el líquido penetra o se expande en el sustrato la interacción puede ser caracterizada por el ángulo de contacto. El ángulo de contacto es una función de la tensión superficial del líquido y de la energía libre superficial del sustrato. Puede evaluarse mediante una gota de un líquido puro dispuesta sobre un sólido. El ángulo formado entre la interfaz sólido/líquido y la interfaz líquido/vapor, cuyo vértice está donde las tres interfaces se encuentran, constituye el ángulo de contacto como se muestra en la figura 1

Ilustración 1. Esquema representando el ángulo formado entre la interfaz sólido/líquido y la interfaz líquido/vapor y el vértice en el que las tres interfaces se encuentran constituye el ángulo de contacto

1.2 Capilaridad La capilaridad es una propiedad de los fluidos que depende de su tensión superficial, a la cual a su vez, depende de la cohesión del fluido, y que le confiere la capacidad de subir o bajar por un tubo capilar. Cuando un líquido está en un recipiente, sobre las moléculas próximas a las paredes actúan, además de las fuerzas de cohesión, debidas a otras moléculas del líquido, las fuerzas llamadas de adhesión debidas a la interacción de las moléculas del líquido con las moléculas del recipiente. Dependiendo de la magnitud de estas fuerzas, la superficie del líquido se curva más o menos en la proximidad de las paredes del recipiente. Si predominan las fuerzas de adhesión (figura a: comportamiento típico del agua), la superficie libre del líquido es cóncava; en caso contrario (figura b: caso del mercurio) será convexa.

Ilustración 2. Fuerzas intermoleculares dentro de un recipiente con solvente.

El ángulo de contacto theta, es una medida cuantitativa de la interacción líquidosólido. Se define como el ángulo formado por la superficie sólida (pared) y la tangente a la superficie líquida en el punto de contacto, r. Cuando las fuerzas cohesivas predominan theta mayor a 90°, se dice que el líquido "no moja" la superficie y se forman meniscos convexos (figura b). Cuando predominan las fuerzas adhesivas theta menor a 90°, se dice entonces que el líquido "moja" la superficie sólida y se forman meniscos cóncavos (figura a).

Ilustración 3 Figura a y figura b de los meniscos para distintos líquidos.

2. Evaluación de ángulos de contacto de solventes en distintos sustratos por tensión superficial El método empleado para determinar el ángulo de contacto se basa en el método de la gota yacente que surge a partir del método de mojabilidad. El ángulo de contacto puede medirse con fotografía acoplada a un software que realiza mediciones estáticas y dinámicas de los ángulos de contacto. En nuestro caso, se empleó la medición estática debido a que los sustratos utilizados son superficies planas, rígidas, químicamente homogéneas y además el líquido no penetra en los sustratos. Se deposita una gota de agua y se mide el ángulo de contacto haciendo una captura digital de la imagen y utilizando programas informáticos específicos. La determinación de los ángulos de contacto correspondientes a los diferentes sustratos y solventes utilizados en este trabajo, se realizó mediante el empleo del

sistema mostrado en la figura 4, donde se toma la fotografía con uso de una cámara digital de buena resolución.

Ilustración 4 Sistema utilizado para la toma de fotografía de las gotas con distintos solventes y distintos sustratos.

Cada dato de ángulo de contacto determinado es el resultado del promedio de 3 medidas de ángulos de contacto estáticos medidos tanto en la zona derecha como izquierda de la gota formada sobre la superficie en estudio. Estas imágenes fueron analizadas con un software específico, angulus ver 3.1.5. El tipo de imagen y los datos que se obtienen se muestran en la Figura 5

Ilustración 5. Imagen analizada con software angulus ver 3.1.5

Los ángulos de contacto fueron determinados a temperatura ambiente, colocando una gota de solvente sobre la superficie del sustrato correspondiente. Siendo las variables tanto los solventes agua, etanol, acetato de etilo y hexano, así como los sustratos, plástico, vidrio, metal y celulosa (en específico, la hoja de la planta Ixora coccinea) y los resultados obtenidos son los de la tablas 1, 2, 3, 4 y 5. Tabla 1. Evaluación de tensión superficial de una gota de agua destilada en distintos sustratos. Material de la superficie plástico vidrio metal cerámica hoja de ixora coccinea (celulosa)

Ángulo de contacto (θ) 50.7 ° 19.9 ° 57.7 ° 29.4 ° 57.9 °

Tabla 2. Evaluación de tensión superficial de una gota de etanol en distintos sustratos. Material de la superficie plástico vidrio metal cerámica hoja de ixora coccinea (celulosa)

Ángulo de contacto (θ) 21.4 ° 9.0 ° 26.4 ° 19.5 ° 33.4 °

Tabla 3. Evaluación de tensión superficial de una gota de acetato de etilo en distintos sustratos. Material de la superficie plástico vidrio

Ángulo de contacto (θ) 19.4 ° 15.2 °

metal cerámica hoja de ixora coccinea (celulosa)

11.3 ° 16.6 ° 23.5 °

Tabla 3. Evaluación de tensión superficial de una gota de hexano en distintos sustratos. Material de la superficie plástico

Ángulo de contacto (θ) 33.0 °

vidrio metal cerámica hoja de ixora coccinea (celulosa)

11.4 ° 21.6 ° 23.4 ° 0°

2.1 Discusión de resultados. En base a los resultados en las tablas, podemos determinar que los sustratos generan un alto ángulo de contacto con el agua respecto a los demás solventes evaluados, esto quiere decir que la adhesividad liquido-solido es menor y se puede decir en otras palabras que el agua no moja tanto a los sustratos, desde el punto de vista del sustrato la energía libre superficial de esté es baja. Cabe mencionar que con el acetato de etilo, las propiedades fueron lo contrario que con el agua, debido a que los ángulos medidos fueron menores, haciendo que para el acetato de etilo las superficies se comporten de manera hidrofilica. Como anotación importante se observó un angulo nulo para interfase hexano-celulosa, lo que quiere decir que estas dos fases son completamente hidrofilicas, haciendo que la celulosa genera una energía libre superficial muy alta en contacto con hexano.

3. Evaluación de ángulos de contacto de solventes por capilaridad. El método empleado en este apartado se basa en el fenómeno de capilaridad, que es cuando un líquido sube por un tubo capilar, debido a que las fuerzas intermoleculares o cohesión intermolecular es menor que la adhesión del líquido con el material del tubo, entonces es un líquido que moja. El líquido entonces seguirá subiendo hasta que la tensión superficial es equilibrada por el peso del líquido que llena el capilar. Esto se logró colocando un capilar de 1.4 mm de diámetro en un vaso de precipitado que contenía 5 ml de cada solvente (figura 6), siendo estos los mismos usados que en el apartado 2. De igual forma se tomó la fotografía con uso de una cámara digital de buena resolución.

Ilustración 6. Sistema usado para la evaluación por capilaridad.

Cada dato de ángulo de contacto determinado es el resultado del promedio de 3 medidas de ángulos de contacto estáticos medidos tanto en la zona derecha como izquierda de la gota formada sobre la superficie en estudio. Estas imágenes fueron analizadas con un software específico, angulus ver 3.1.5. El tipo de imagen y los datos que se obtienen se muestran en la Figura 7

Ilustración 7. Imagen de capilaridad analizada por software angulus ver 3.1.5.

Los datos igual se toman a temperatura ambiente y se reporta la altura que sube el solvente sobre el capilar y el ángulo de contacto en la tabla 5. Tabla 5. Evaluación ángulos de contacto y altura de solventes en un capilar de diámetro 1.4 mm Solvente agua destilada etanol acetato de etilo hexano

Ángulo de contacto (θ) 27.4 ° 26.9 ° 25.1 ° 21.4 °

Altura (h, en cm) 1.6 1.3 1.1 0.7

3.1 Discusión de resultados. Como se observan en la tabla 5, la altura alcanzada por el agua destilada en el capilar es mayor, y esto se debe a que el agua es el líquido que mayor mojabilidad presenta, y también porque su tensión superficial es mucho mayor comparada con los otros solventes de este experimento. Esto justifica que haya mayor volumen en el capilar y a su vez genere un ángulo de contacto mayor que los demás líquidos. Debido a que el peso introducido en el capilar por el líquido equilibra esa alta tensión superficial del agua. Esto puede deducirse fácilmente ya que el hexano

tiene menor tensión superficial y menor altura en el capilar, concluyendo que ambos parámetros están íntimamente relacionados en el fenómeno de capilaridad. 4. Conclusiones. En general, el ángulo de contacto es una magnitud difícil de determinar con precisión experimentalmente, por lo tanto los resultados obtenidos en esta práctica pueden variar respecto a lo calculado teóricamente. Con este ensayo podemos mencionar los componentes de tensión superficial de las superficies que se necesitan para realizar medidas de ángulos de contacto utilizando líquidos con propiedades de tensión superficial conocidas para generar materiales con las características deseadas ya que se pudieron caracterizar varias propiedades fisicoquímicas como adhesividad, mojabilidad y energía de tensión superficial de manera cualitativa. Con esto podemos seleccionar al agua para este tipo de ensayos ya que es el líquido más adecuado debido a que puede usarse para superficies con metales, plásticos y/o hasta polímeros como se observó en la interacción con celulosa.

5.- Bibliografía - Gilbert W Castellan, Iberoamericana, 1987.

“Fisicoquimica”,2da

edición,

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