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Practica 7: Consideraciones fisicoquímicas de las interfases líquido-aire y líquido-
líquido
1. OBJETIVOS
Aplicar el método de ascenso capilar para la determinación de la tensión superficial de líquidos utilizando el modelo de Young-Laplace. Evaluar el efecto de la naturaleza química de solutos sobre la tensión superficial del agua. Evaluar el efecto de la concentración de solutos sobre la tensión superficial del agua. Evaluar el efecto de la longitud de la cadena alquílica de solutos sobre la tensión superficial del agua. Determinar la función de exceso de Gibbs ( Γ^2 ) para moléculas anfifílicas en la interfase líquido-aire.
2. INTRODUCCIÓN Cuando se realiza un proceso de mezcla de dos componentes de diferente naturaleza química, se promueve la interacción molecular de dichos componentes, que dependiendo de la proporción y de su naturaleza, se podrán formar sistemas de mezclas homogéneas o heterogéneas. En este último caso, la formación de un sistema de dos fases se da como consecuencia de interacciones moleculares de alta energía potencial o bien por interacciones moleculares de repulsión hidro- fóbicas para el caso de mezclas de sistemas altamente apolares y medios acuosos. Esta separación de fases en dicha mezcla heterogénea, forma una zona específica que presenta propiedades fisicoquímicas diferentes a las que exponen los componentes de la mezcla en sus estados puros. Esta zona específica se denomina interfase y debe ser considerada cuando se tienen sistemas en los cuales la relación superficie volumen es grande, tales como en la formación de sistemas de monocapas, nano y micro emulsiones o nano y micro suspensiones. A continuación se muestra un esquema general de la formación de una interfase por la mezcla de dos componentes con diferencias marcadas en su polaridad. Figura 1. Formación de una interfase debido a la mezcla de dos componentes de diferente naturaleza química. Autores: Q.F Constain Salamanca Mejía. Ph.D. Q.F. Carolina Mora Guerrero. MSc. Q.F. Clara Correa Soto Q.F.
Dependiendo del estado de agregación de los componentes de dicha mezcla heterogénea, es posible tener sistemas donde se forman interfases líquido-aire, sólido-aire, líquido-líquido y sólido-líquido; donde cada una exhibe propiedades muy específicas y pueden ser aprovechadas para diversas aplicaciones farmacéuticas y cosméticas. Para el caso específico de las interfases Líquido-aire y líquido-líquido, se pueden observar propiedades de adsorción de sustratos en las zonas superficiales o interfaciales, así como fenómenos de recogimiento o extensibilidad de líquidos en líquidos, los cuales corresponden a los objetivos de estudio en esta sesión de laboratorio. 2.1 Medición de la tensión superficial de líquidos por ascenso capilar La ecuación de Young-Laplace es la base del método del ascenso capilar para medir la tensión superficial () de las interfases Líquido-vapor o Líquido-Líquido. Para ello se inserta un tubo capilar en un líquido, y la medida de la altura que alcanza el líquido en el capilar permite determinar . En las interfases aire-Líquido contenidas en un capilar se observa la formación un menisco semiesférico, el cual depende del balance entre las fuerzas de cohesión y adhesión del líquido (Figura.2) Figura 2: Esquema representativo del ascenso capilar (a) y del descenso capilar (b) Para el caso en que las fuerzas de adhesión sean mayores a las de cohesión el líquido puede mojar las paredes del capilar y si la presión bajo el menisco es menor que la presión sobre él, el líquido puede ascender hasta que la presión ejercida por el líquido iguale la diferencia de presión, tal como: P gh (1) Donde es la densidad del líquido, expresado como (kg/m^3 ), g corresponde a la gravedad = 9,8 ms- (^2) , y h es la altura de la columna. Cuando la ecuación 3.10 es combinada con la ecuación de Young- Laplace, el resultado es: Autores: Q.F Constain Salamanca Mejía. Ph.D. Q.F. Carolina Mora Guerrero. MSc. Q.F. Clara Correa Soto Q.F.
RT
dγγ
dγ ln C (8)
Esta ecuación también es conocida como la Isoterma de Gibbs , en honor a su descubridor, J. Willard Gibbs. En el SI de unidades, Γ 2 tiene unidades de mol-2^ debido a que γ tiene unidades de J m-2 , R tiene unidades de J K-1^ mol-1 , T está en Kelvin y C tiene unidades de mol m-3. Es importante también notar que dγ ln C = dγC/C , por tanto es adimensional. Cuando dγ/d ln C es negativo, Γ 2 es positivo y el soluto es superficialmente activo.
3. INFORMACIÓN DE CONSULTA PREVIA AL DESARROLLO DEL LABORATORIO Describa que es tensión superficial, tensión interfacial e indique cual es la diferencia entre estas dos tensiones. Describa como los electrolitos fuertes, las moléculas orgánicas pequeñas y los surfactantes afectan la tensión superficial del agua. Calcule la masa de cloruro de sodio, etanol y dodecil sulfato de sodio necesarias para preparar la solución de mayor concentración de cada uno (ver tabla 2). Luego calcule el volumen de las alícuotas necesarias para preparar las demás soluciones. 4. MATERIALES Y REACTIVOS Tabla 1. Listado de materiales necesarios para el desarrollo de la práctica por pareja ITEM Cantidad Beaker 100 mL 1 Beaker 250 mL 1 Beaker 400 mL 1 Regla 1 Pipeta graduada 10 mL 1 Propipeta 1 Pipeta graduada 1 mL 1 Agitador de vidrio 1 Lupa 1 Beaker 25 mL 2 Espátula de plástico 1 Capilares de vidrio de 10 cm de longitud con 0.5 mm de diámetro
Picnómetro de 5mL 1 Tabla 2. Listado de reactivos necesarios para el desarrollo de la práctica por pareja. Autores: Q.F Constain Salamanca Mejía. Ph.D. Q.F. Carolina Mora Guerrero. MSc. Q.F. Clara Correa Soto Q.F.
ITEM Cantidad Solución acuosa de etanol 1.0 M, 0.8 M, 0.6 M, 0.4 M y 0.2 M 25 mL de cada solución Solución acuosa de NaCl 3M, 2M, 1M, 0,5M y 0.1 M 25 mL de cada solución Soluciones dodecil sulfato de sodio 1 x 10-7^ M, 1 x 10-6^ M, 1 x 10-5^ M, 1 x 10-4^ M y 1 x 10-3^ M 25 mL de cada solución
5. PROCEDIMIENTO Medidas por ascenso capilar: Nota: Son indispensables capilares limpios para obtener buenos resultados. Los tubos capilares deberán haber sido tratados con ácido nítrico por algunos minutos y lavado muy bien con agua destilada. Los capilares deberán ser almacenados en un frasco con agua destilada mientras no estén en uso. Tome un vaso de precipitado de 25 mL y adicione 20 mL de agua pura sobre este. Luego marque una raya en el vaso de precipitado justo 5 mm debajo de la zona de interfase formada por el aire y el agua. Posteriormente introduzca el capilar hasta la zona marcada tal y como se muestra a continuación: Espere a que el sistema se estabilice y no ascienda más (aproximadamente 5-10 segundos). Una vez estabilizado el líquido al interior del capilar, tape la parte superior este con un dedo y mida la altura del ascenso capilar desde la base. Repita este procedimiento tres veces y registre los datos en la tabla de registro 1. Calcule el promedio de la altura (esta no debe variar más de dos mm por medida). Tomando el valor de referencia de la tensión superficial del agua a 25°C de 71,97 x 10-3^ N/ m, el valor de la densidad del agua suministrada por el monitor del laboratorio y el valor del promedio de la altura del ascenso capilar, calcule el valor del radio del capilar utilizando la ecuación de Young-Laplace Autores: Q.F Constain Salamanca Mejía. Ph.D. Q.F. Carolina Mora Guerrero. MSc. Q.F. Clara Correa Soto Q.F.
Solución de etanol
agua -- 71. Solución de dodecil sulfato de sodio 1 x 10-7^ M 1 x 10-6^ M 1 x 10-5^ M 1 x 10-4^ M 1 x 10-3^ M Agua -- 71. Solución de NaCl
Autores: Q.F Constain Salamanca Mejía. Ph.D. Q.F. Carolina Mora Guerrero. MSc. Q.F. Clara Correa Soto Q.F.
Graficar la tensión superficial obtenida versus C y determine (d/dC)dC)T para cada sistema evaluado y analice el comportamiento observado. Utilice el método de las secantes para encontrar las pendientes al punto. Para todos los sistemas evaluados a excepción de las soluciones de NaCl, calcule la concentración de exceso superficial 2 para concentración evaluada y registre los datos en la tabla. Para ello tenga presente la siguiente base de cálculo: Γ 2 =−
C
RT (^
∂ γ
∂ C ) T
( x ) mol m^3
- 314 N × m mol ×∘^ K ×( x )∘^ K ×( x )
N
m mol m^3
6. BIBLIOGRAFÍA Handbook of Pharmaceuticals Excipients, American Pharmaceutical Association and the Pharmaceutical Society of Great Britain, USA, Pharmaceutical Press (2006). Catálogo Index Merck. The merck index of chemicals and drugs an encyclopedia for the chemist, pharmacist, physician, and allied professions. A.R. Gennaro, editor, “Remington's Pharmaceutical Sciences”, 19th ed., Mc. Publishing Co., Pennsylvania, (1995). USP Pharmacopeia. Catálogos PLM y Rosenstein, Emilo. Diccionario de especialidades farmacéuticas - PLM. - 24. Ed. Martindale. Guía completa de consulta fármaco terapéutica. Primera edición. Vedemecum on line: http://www.iqb.es/cbasicas/farma/farma04/indicea.htm La tensión superficial suele representarse mediante la letra griega (gamma), o mediante (sigma). Sus unidades son de N·m−1, J·m−2, kg·s−2^ o dyn·cm−1^ (véase análisis dimensional). Autores: Q.F Constain Salamanca Mejía. Ph.D. Q.F. Carolina Mora Guerrero. MSc. Q.F. Clara Correa Soto Q.F.
