Metodos De Medicion De La Tension Superficial

INDICE

1. METODOS BASADOS SOBRE LA MEDICION DE UNA FUERZA

1.1. Metodo de la Placa (Whihelmy)

1.2. Método del Anillo (Nouy)

1.3. Otros Métodos

2. METODOS BASADOS SOBRE LA MEDIDA DE UNA PRESION

2.1. Ascenso Capilar

2.2. Presión de Burbuja

3. METODOS BASADOS SOBRE UNA DEFORMACION

3.1. Elementos de Teoría general

3.2. Gota pendiente

3.3. Gota colocada

3.4. Gota giratoria

3.5. Extensiones del método de la gota giratoria

3.6 Método del volumen de gota

1. METODOS BASADOS SOBRE LA MEDICION DE UNA FUERZA

Se sabe que la tensión es una fuerza por unidad de longitud de línea de contacto trifásico.

Tales métodos se aplican por tanto al caso en que hay 3 fases: un fluido (gas o líquido), un líquido, y un sólido. La tensión superficial o interfacial entre los dos fluidos se mide como una fuerza aplicada sobre una cierta longitud de la línea de contacto trifásico.

La figura 1 indica la situación típica; si las demás fuerzas se anulan por ejemplo por la reacción del soporte sólido como en el caso de la figura, entonces la única fuerza neta será la proyección de la fuerza de tensión en la dirección de medición.

Existen varios dispositivos basados sobre este mismo principio, de los cuales los más usados son la placa de Whilhelmy y el anillo de Nouy.

1.1. METODO DE LA PLACA (Whilhelmy 1863)

Se utiliza una placa de geometría rectangular perfectamente conocida suspendida verticalmente a una balanza de precisión (Ver Fig. 2). El lado inferior de la placa se pone en contacto (horizontalmente) con la superficie del líquido para que se moje (2). Luego se ejerce una fuerza vertical sobre la placa para levantarla. La placa se levanta poco a poco, y de cada lado se forma una interfase curva (3); se levanta la placa hasta que se produzca el arranque (4).

En la posición justo antes del arranque (Fig. 2 caso 3) se puede calcular el equilibrio de fuerzas entre las fuerzas de tensión que se aplican de parte y otra de la placa (por eso el factor 2) y la fuerza de levantamiento F (Fig. 3).

Usualmente la placa es de platino levemente rugoso, de tal forma que el ángulo de contacto sea lo más pequeño posible, y se pueda suponer igual a cero. La placa mide típicamente 29,9 mm de largo (L) y 0,1 mm de espesor (e), en cuyo caso el perímetro completo es de 60 mm. La balanza es en general una balanza de torsión que el usuario manipula con una palanca. En ciertos modelos (automáticos) es un motor que asegura el levantamiento, y un sistema registrador monitorea la fuerza.

En el momento del arranque, ninguna parte del volumen de la placa está dentro del líquido, y por tanto no se necesita realizar corrección alguna por empuje de Arquímedes (lo que requiere en otros de los métodos).

Por otra parte este método no produce una superficie nueva al momento de producirse la medición. En la práctica se puede colocar el líquido dentro del recipiente varias horas antes y dejar equilibrarse la superficie. Por lo tanto este método es particularmente bien adaptado a los sistemas que contienen sustancias surfactantes cuyo tiempo de adsorción puede ser largo. Nótese que permite sin embargo medir la tensión dinámica; basta con verter el líquido en el recipiente justo antes de tomar la medida.

Este aparato permite también evaluar el ángulo de contacto entre un líquido y un material sólido. Basta medir primero la tensión superficial con una placa de platino (θ = 0), y luego medirla con una placa hecha del material a evaluar. La relación entre las dos fuerzas medidas es cos θ.

En teoría la precisión de la medida está solo limitada por el conocimiento de la geometría de la placa (L y e) y la precisión de la balanza. En la práctica, no se puede tener una precisión mejor que ± 0,2 dina/cm, al menos de trabajar en atmósfera inerte con precauciones extremas. Por lo tanto las balanzas utilizadas son en general balanzas económicas que dan el centígramo, ya que no se justifica una mejor precisión.

Este aparato es muy versátil, en particular para medir tensiones superficiales de soluciones acuosas, en el rango 70 dina/cm (agua pura) - 30 dina/cm (soluciones de detergentes); permite obtener fácilmente una reproductibilidad del orden de 2%, lo que es suficiente para determinar la concentración micelar crítica de una solución de surfactante.

El método de la placa de Wilhelmy se puede usar también para las interfaces líquido-líquido, en cuyo caso hay que proceder de la forma siguiente. Primero se vierte en el recipiente el líquido menos denso y se hunde integralmente la placa en este líquido. Se mide entonces la fuerza necesaria para equilibrar el sistema F1 (esta fuerza toma en cuenta el empuje de Arquímedes sobre la placa hundida en la fase menos densa). Luego se limpia y se seca la placa. Se vierte entonces el líquido más denso en un segundo recipiente y se baja la placa hasta establecer el contacto. Luego se saca la placa hasta una posición levemente más baja que el arranque. Luego se vierte cuidadosamente el líquido menos denso hasta recubrir la totalidad de la placa. Finalmente se procede a levantar la placa hasta producirse el arranque, lo cual ocurre con una fuerza F2. La fuerza neta requerida F2-F1 permite calcular la tensión como en el caso anterior

Obviamente que el método implica que la placa de platino esté más mojada por el líquido más denso que por el líquido menos denso. Si la fase más densa es de tipo acuoso, y la fase menos densa es de tipo aceite, el ángulo de contacto es por lo general 0 y se puede asumir cos θ=1.

Como en el caso de una superficie gas-líquido se puede usar el método para determinar el ángulo de contacto mediante dos mediciones.

1.2. METODO DEL ANILLO (Nouy 1919)

En el método de Nouy, se reemplaza la placa rectangular suspendida verticalmente por un anillo teórico suspendido horizontalmente, en forma perfectamente paralela con la superficie o interfase. El anillo tiene un radio R, y está hecho con un alambre de radio r, resultando en un perímetro total de L = 4πR. Nótese que este perímetro es una aproximación, ya que no toma en cuenta la posición exacta de la línea de contacto trifásico respecto al anillo. En todo caso es válido si r << R.

Para medir la tensión superficial, se procede como en el caso del método de la placa. Primero se moja (completamente) el anillo y luego se procede a levantarlo hasta el arranque

Sin embargo en este caso, la situación es levemente diferente, por dos razones:

(1) cualquier sea el ángulo de contacto, la dirección de aplicación de la fuerza de tensión varia a medida que se extrae el anillo del líquido. Existe una posición de la línea de contacto (posición 2 en la figura 6) en la cual la fuerza de tensión resulta vertical. En esta posición la proyección vertical de la fuerza de tensión es máxima. El método experimental toma en cuenta esta característica, ya que se mide la fuerza máxima.

Además se debe considerar que excepto en el caso en que r << R, entonces el menisco interno y el menisco externo no tienen la misma forma (Fig. 7). En consecuencia existen realmente dos posiciones en que la fuerza pasa por un máximo. Para evitar este problema se trata siempre de que se cumpla r << R.

(2) una parte del líquido está colgando del anillo y por tanto produce un efecto hidrostático, el cual corresponde a la zona sombreada en la Fig. 8.

Como para el caso de la placa de Whilhelmy, se puede también medir tensiones interfaciales. Primero se calibra el aparato con el anillo hundido en el líquido menos denso. Luego se limpia el anillo y se coloca en el líquido más denso (completamente hundido); a continuación se vierta encima el líquido menos denso. Finalmente se extrae el anillo a la interfase entre los dos líquidos, tomando nota de la fuerza máxima.

Al medir la tensión superficial o interfacial de solución(es) que contienen surfactantes se presenta un problema adicional, a saber el tiempo de equilibración. En efecto en este método, se modifica la superficie al arrancar el anillo, en particular en la zona donde se ejerce la fuerza de tensión, cosa que no ocurre en el método de la placa.

En consecuencia es recomendable proceder como sigue, lo que es fácil si se dispone de una lectura digital de la fuerza (aparatos semi automáticos).

 primero levantar el anillo hasta sobrepasar la fuerza máxima, pero sin producir el arranque del anillo.

 luego volver a bajar el anillo un poco y esperar algunos segundos.

 volver a levantar el anillo hasta sobrepasar la fuerza máxima sin arrancar el anillo,

 así sucesivamente.

Se obtendrá una serie de fuerzas o valores de la tensión (según el dato leído) como se muestra en la Fig. 9. Después de cierto tiempo se logra un valor estable que se puede considerar como al equilibrio.

El tiempo requerido puede ser mayor que lo que se pueda pensar. La experiencia muestra que en presencia de surfactantes poliméricos se puede requerir varias horas para alcanzar dicho equilibrio

El anillo está fabricado en una aleación de platino con iridio. Las dimensiones típicas son: radio del toro R = 9,545 mm, radio del alambre r = 0,185 mm, longitud de la línea de contacto L = 120 mm. Desde el punto de vista práctico, más grande R y más pequeño r, mejor la precisión; sin embargo más grade R, más difícil asegurar la posición perfectamente horizontal, y mayor

...