Fisicoquimica

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Tema 6: Estudio termodinámico de las interfases

1. Región interfacial o interfase 2. Tensión superficial 3. Interfases curvas Ecuación de Young-Laplace Presión de vapor en superficies curvas: ecuación de Kelvin Capilaridad 4. Termodinámica de superficies en sistemas multicomponente: Isoterma de adsorción de Gibbs. 5. Monocapas 6. Bibliografía

[Escribir texto] Química Física Avanzada.Cuarto curso Departamento de Química Física Curso 2009-2010

2 1. La interfase

En termodinámica se define como fase una región del espacio con propiedades intensivas (como P, T, ci) constantes. Si tenemos dos fases en contacto, deben diferenciarse en algunas de estas propiedades y por lo tanto debe existir una zona de transición donde las propiedades cambien desde su valor en una fase hastael valor que adquieren en otra.

Se denomina interfase a la región tridimensional de contacto entre dos fases α y β, en la que sus propiedades varían desde las correspondientes a la fase α hasta las de la fase β. Por ejemplo, si tenemos agua en contacto con su vapor, en equilibrio térmico (igual temperatura) y mecánico (igual presión) la propiedad concentración cambiará desde un valor alto en lafase líquida hasta un valor muy bajo en el vapor (tal y como se representa en la figura anterior). La interfase es por tanto de una región no homogénea, cuyas propiedades intensivas (en este caso la concentración) cambián con la posición. ¿Qué ocurre desde el punto de vista molecular? Todas las moléculas comprendidas por debajo del plano h1 tienen un mismo entorno y forman parte exclusivamente dela fase α. Del mismo modo, las moléculas situadas por encima del plano h2 tienen un mismo entorno y forman la fase β. Sin embargo, las moléculas situadas en la región h1-h2 tienen un entorno molecular 2 Química Física Avanzada. Cuarto curso Departamento de Química Física Curso 2009-2010

3 distinto al de las moléculas que están en el interior de cada fase. En el caso de que las fases encontacto sean un líquido y su vapor, la densidad que rodea a las moléculas de la interfase no sería ni tan alta como en el interior de la fase líquida ni tan baja como en la fase gaseosa. En la mayoría de sistemas la fracción de moléculas en la región interfacial es muy pequeña y la influencia sobre las propiedades del sistema es despreciable. Normalmente el espesor de la región interfacial se limita aunos pocos diámetros moleculares (normalmente de 3 a 4 capas de moléculas) e implica por tanto a una proporción pequeña de moléculas del sistema .Existen, sin embargo, sistemas con una fracción significativa de moléculas en la superficie. Consideremos como ejemplo un litro de agua líquida, H2O (l), distribuida en dos formas: a) ocupando un único volumen (por ejemplo un cubo de 0,1 m de lado) elárea del cubo será, A= 6 l2 = 0,06 m2 y el volumen, V= l3= 10-3 m3 La relación área/volumen para este sistema será: A/V= 60 m-1 Si suponemos “superficial” a la materia situada hasta 10 Å hacia el interior de la superficie, la relación de materia “superficial” respecto a la total será:

Es decir, tan sólo el 6×10-6 % de materia será superficial y se puede despreciar sus efectos sobre las propiedadesdel sistema. b) formando una dispersión de gotas de 100 Å de radio

volumen de la gota, Vgota=4/3πr3=4,19× 10-24 m3 área de la gota, Agota= 4πr2=1,26× 10-15 m2 A/V=3,01× 108 m-1 (5× 106 veces mayor que antes) Fracción de materia superficial:

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4 El 27.1% de la materia será superficial y no podrándespreciarse sus efectos sobre las propiedades del sistema en este caso. Los efectos de la interfase serán notables en sistemas con mucha superficie: coloides, sólidos porosos (como las zeolitas) o dispersiones como la del ejemplo anterior. También serán decisivas en aquellos procesos que tienen lugar únicamente sobre superficies (corrosión, reacciones sobre electrodos, membranas celulares…). Muchas...