Moja o no moja

FEN.SUP. TA 4. MURILLO D.M.I     FEBRERO-JULIO 2021     Facultad de Ingeniería Química    11 de marzo de 2021

¿Cuándo moja y cuando no?

Resumen

Para saber si un líquido es capaz de mojar un sustrato sólido, estando el sistema a ciertas condiciones determinadas, basta colocar una gota del material sobre la superficie y analizar el valor de su ángulo de contacto θ. [pic 1]

Figura 1. Angulo de contacto en un sistema sólido-líquido-vapor.

Si el ángulo es nulo, la gota se extiende perfectamente y decimos que el mojado es total; si el ángulo se encuentra entre 0° y 180°, el mojado es tan sólo parcial y en la condición límite de 180° se alcanza un régimen de secado total o perfecto.

[pic 2]

Figura 2. Regímenes de mojado a) total, b) parcial y c) secado en un sistema sólido-líquido-vapor

Thomas Young (1805), estableció que, en ausencia de gravedad, el ángulo de contacto está completamente determinado por las tensiones superficiales que corresponden a las tres interfaces que se encuentran en la línea de contacto entre la gota y el sustrato.

[pic 3]

[pic 4]

Ecuación de Young

Donde:  es la tensión superficial asociada al par de fases .[pic 5][pic 6]

De estas ecuaciones es claro que la naturaleza del “mojado” puede modificarse en la medida que seamos capaces de alterar una o varias de las tensiones superficiales involucradas. Cambiar la composición química del sistema para modificar sus propiedades de mojado es una práctica común en muchos procesos tecnológicos y aun en la vida cotidiana.

J. W. Cahn en 1977, predijo la existencia de una transición de mojado parcial (0°<0<180°) a mojado total (θ = 0°) antes de alcanzar la temperatura critica del fluido puro o de la mezcla.

[pic 7]

Figura 3. La transición de mojado se da a una temperatura (Tm) inferior a la temperatura critica (Tc) para una mezcla binaria cuyas fases en coexistencia están en contacto con una pared.

Hoy se sabe que la naturaleza de transición de mojado es fuertemente dependiente de la intensidad y alcance de las fuerzas intermoleculares que actúan entre las partículas constituyentes del sistema. La teoría predice la posible existencia de transiciones de mojado continuas y discontinuas según las características particulares del modelo empleado.

[pic 8]

Figura 4. Regímenes de mojado en la interfase fluida de un sistema en coexistencia de tres fases; a) y b) Mojado parcial, c) Mojado total.

Para mezclas binarias A-B que presentan coexistencias de tres fases a diferentes temperaturas, los modelos teóricos desarrollados señalan la posibilidad de observar una transición de mojado a una temperatura Tm menor que la crítica; en ella el líquido más volátil se inmiscuye completamente entre las otras dos fases.

Se han empleado dos técnicas para observar el fenómeno y seguir transiciones de mojado modificando las condiciones de trabajo de los siguientes sistemas bajo estudio. El primer método consiste en fotografiar las gotas y las interfaces en que se forman, midiendo después los ángulos de contacto sobre las fotografías tomadas en las placas de vidrio o algún material indeformable.

El otro método es una técnica óptica conocida como elipsometría; consiste en la determinación del régimen de mojado mediante la diferente refracción de luz que produce un sistema que presenta mojado total, comparada con la que produce uno en que sólo se tiene mojado parcial, también permite determinar los espesores de las capas de las fases líquidas.

Para detectar la presencia de una transición de mojado es posible seguir dos caminos; o se modifica la temperatura de los sistemas, o bien, se cambia su composición agregando a la mezcla pequeñas cantidades de un nuevo componente. La primera transición de mojado que se observó fue la del sistema ciclohexano-metanol-agua; el experimento, llevado a cabo en 1980, consistió en agregar agua en diferentes cantidades a una mezcla de ciclohexano y metanol, y tomar fotografías de la interfase con el aire.

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