Interfase

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II.1

LA INTERFASE

Cualquier fase de un sistema termodinámico es estrictamente homogénea con propiedades intensivas constantes en toda ella. Sin embargo, cuando se tienen en cuenta efectos de superficie, es obvio que una fase no es estrictamente homogénea. Considérese, por ejemplo, un sistema compuesto por las fases α y β [figura 2.1 (a)]. Las moléculas situadas en la región de contacto delas fases α y β , o cerca de ella, tienen un entorno molecular diferente del de las moléculas situadas en el interior de α y β . Así, si la fase α es ciclohexano líquido y la β es agua líquida, las moléculas de la región de contacto entre α y β interaccionan con moléculas de ambos tipos, C6H12 y H2O, mientras que las moléculas del interior de α interaccionan sólo con moléculas de C6H12, y lasmoléculas del interior de β interaccionan sólo con moléculas de H2O (ya que los dos líquidos son prácticamente inmiscibles). . La región tridimensional de contacto entre las fases α y β , en la que las moléculas interaccionan con moléculas de ambas fases, se llama capa interfacial, capa superficial o interfase. Esta región tiene un espesor de unas cuantas moléculas. (El término interfase se refiere a lasuperficie geométrica aparentemente bidimensional que separa las dos fases.) La figura 2.1 b es un dibujo esquemático de una sección transversal de un sistema de dos fases con una interfase plana. Todas las moléculas situadas entre los planos VW y AB tienen el mismo entorno y forman parte de la fase α; todas las moléculas situadas entre los planos CD y RS tienen el mismo entorno y forman parte dela fase β . La capa interfacial está formada por las moléculas que se encuentran entre el plano AB y el plano CD. El espesor de esta capa, que se ha exagerado mucho, es, de hecho, de unos 10 a 100 Å, y depende del tamaño de las moléculas y de la naturaleza de las fuerzas intermoleculares. (El espesor de la capa interfacial puede estimarse por medio de cálculos de mecánica estadística y medianteel examen de la polarización de la luz reflejada de las interfases.) Si la altura del sistema de la figura 2.1 b es 5 cm y el espesor de la -8 7 región de la interfase es 50 Å= 50 x 10 cm, únicamente una molécula de cada 10 está en la interfase. Por tanto, la influencia de los efectos de superficie en las propiedades de un sistema es generalmente pequeña y puede despreciarse. En esta unidadconsideramos sistemas en, los que los efectos de superficie son significativos (por ejemplo sistemas coloidales, donde el cociente superficie-volumen es elevado, y sistemas gas-sólido, en los que cantidades sustanciales de gas pueden adsorberse en la superficie del sólido.) La capa interfacial es una región de transición entre las fases α y β y no es homogénea; por el contrario, sus propiedades varíandesde aquellas que son características de la fase α hasta aquellas que lo son de la fase β . Por ejemplo, si β es una disolución líquida y α es el vapor en equilibrio con la disolución, cálculos aproximados de mecánica estadística y razonamientos físicos indican que la concentración ci del componente i variará en general con z [la coordenada vertical de la figura 2.1 (b)], de uno de los dos modosque se muestran en la figura 2.2. Las líneas de trazos marcan los limites de la capa interfacial y corresponden a los planos AB y CD de la figura 2.1 (b). Para interfases sólido-sólido, sólido-líquido y sólido-gas, la transición entre las fases es, en general, más brusca que para la interfase líquido-vapor de la figura 2.2.

Figura 2.1 (a) Un sistema de dos fases. (b) La capa interfacial entre dosfases.

Figura 2.2 Cambio en la concentración de un componente al ir de la fase líquida a la fase vapor.

Debido al cambio en las interacciones intermoleculares, las moléculas de la interfase tienen una energía molecular media diferente de la de aquellas que se encuentran en cualquiera de las fases. Un cambio en el área de la interfase entre α y β cambiará, por tanto, la energía interna U...
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