Método de presión máxima de burbuja

En física , el método de presión máxima de burbuja , o abreviado como método de presión de burbuja , es una técnica para medir la tensión superficial de un líquido , con surfactantes .

Cuando el líquido forma una interfase con una fase gaseosa , una molécula en la frontera tiene propiedades físicas bastante diferentes debido al desequilibrio de las fuerzas de atracción de las moléculas vecinas. En el estado de equilibrio del líquido, las moléculas interiores están bajo fuerzas equilibradas con las moléculas adyacentes uniformemente distribuidas.

Sin embargo, un número relativamente menor de moléculas en la fase gaseosa por encima de la interfaz que en la fase líquida condensada hace que la suma total de fuerzas aplicadas a las moléculas de la superficie se dirija directamente al interior del líquido y, por lo tanto, las moléculas de la superficie tienden a minimizar su propia área superficial.

Tal desigualdad de fuerzas moleculares induce un movimiento continuo de moléculas desde el interior hacia la superficie, lo que significa que las moléculas de la superficie tienen energía extra , que se llama energía libre superficial o energía potencial , ^{[ ¿cuál? ]} y dicha energía que actúa sobre una unidad de área reducida se define como tensión superficial .

Se trata de un marco para interpretar fenómenos relevantes que se producen en la superficie o interfaz de los materiales y se han desarrollado numerosos métodos para medir la tensión superficial . ^[1]

Entre las diversas formas de determinar la tensión superficial, el método del anillo de Du Noüy y el método de deslizamiento de Wilhelmy se basan en la separación de un objeto sólido de la superficie del líquido, y el método de la gota colgante y el método de la gota sésil o burbuja dependen de la deformación de la forma esférica de una gota de líquido. ^[1]

Aunque estos métodos son relativamente simples y comúnmente utilizados para determinar la tensión superficial estática , en caso de que se agreguen impurezas al líquido, se debe aplicar la medición de la tensión superficial basada en el equilibrio dinámico, ya que lleva más tiempo obtener una superficie completamente formada y esto significa que es difícil lograr el equilibrio estático como lo hace un líquido puro. ^[2]

La impureza más típica para inducir la medición de la tensión superficial dinámica es una molécula de surfactante que tiene un segmento hidrofílico , generalmente llamado “grupo de cabeza” y un segmento hidrofóbico , generalmente llamado “grupo de cola” en una misma molécula. Debido a la estructura molecular característica , los surfactantes migran a la superficie del líquido que bordea la fase gaseosa hasta que una fuerza externa dispersa las moléculas acumuladas de la interfaz o la superficie está completamente ocupada y, por lo tanto, no puede acomodar moléculas adicionales. Durante este proceso, la tensión superficial disminuye en función del tiempo y finalmente se acerca a la tensión superficial de equilibrio ( _equilibrio σ ). ^[3] Tal proceso se ilustra en la figura 1. (La imagen se reprodujo de la referencia) ^[2]

Uno de los métodos útiles para determinar la tensión superficial dinámica es la medición mediante el "método de presión máxima de burbuja" o, simplemente, el método de presión de burbuja. ^{[1] [2]}

El tensiómetro de presión de burbuja produce burbujas de gas (por ejemplo, aire) a una velocidad constante y las sopla a través de un capilar que está sumergido en el líquido de muestra y cuyo radio ya se conoce.

La presión ( P ) dentro de la burbuja de gas continúa aumentando y el valor máximo se obtiene cuando la burbuja tiene la forma completamente hemisférica cuyo radio corresponde exactamente al radio del capilar. ^[3]

La figura 2 muestra cada paso de la formación de burbujas y el cambio correspondiente del radio de las mismas, y cada paso se describe a continuación. (La imagen se reprodujo a partir de una referencia) ^{[2] [3]}

Inicialmente aparece una burbuja en el extremo del capilar. A medida que aumenta el tamaño, el radio de curvatura de la burbuja disminuye.

En el punto de máxima presión de la burbuja, esta tiene una forma hemisférica completa cuyo radio es idéntico al radio del capilar denotado por Rcap. La tensión superficial se puede determinar utilizando la ecuación de Young-Laplace en forma reducida para la forma esférica de la burbuja dentro del líquido. ^[3]

${\displaystyle \sigma ={\frac {\Delta P_{\rm {máx}}\times R_{\rm {cap}}}{2}}}$

(σ: tensión superficial, Δ P _max : caída de presión máxima, R _cap : radio del capilar)

Posteriormente, después de la presión máxima, la presión de la burbuja disminuye y el radio de la burbuja aumenta hasta que la burbuja se desprende del extremo de un capilar y comienza un nuevo ciclo. Esto no es relevante para determinar la tensión superficial. ^[3]

Los tensiómetros desarrollados y comercializados actualmente monitorean la presión necesaria para formar una burbuja, la diferencia de presión entre el interior y el exterior de la burbuja, el radio de la burbuja y la tensión superficial de la muestra se calculan en una sola vez y la adquisición de datos se realiza mediante control de PC .

El método de presión de burbuja se utiliza comúnmente para medir la tensión superficial dinámica para el sistema que contiene surfactantes u otras impurezas porque no requiere la medición del ángulo de contacto y tiene una alta precisión a pesar de que la medición se realiza rápidamente. ^{[1] [3]} El "método de presión de burbuja" se puede aplicar para medir la tensión superficial dinámica, particularmente para los sistemas que contienen surfactantes. ^[3] Además, este método es una técnica apropiada para aplicar a fluidos biológicos como el suero ^{[ ¿cuál? ]} porque no requiere una gran cantidad de muestra líquida para las mediciones. ^[4] Finalmente, el método se utiliza para una determinación indirecta del contenido de surfactante de baños de limpieza o revestimiento industriales porque la tensión superficial dinámica en un rango particular de tasas de formación de burbujas muestra una fuerte correlación con la concentración. ^[2]