Método de presión máxima de burbujas

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

Cuando un líquido forma una interfaz con una fase gaseosa , una molécula en la frontera presenta propiedades físicas muy diferentes debido al desequilibrio de las fuerzas de atracción ejercidas por las moléculas vecinas. En el estado de equilibrio del líquido, las moléculas internas se encuentran sometidas a fuerzas equilibradas con las moléculas adyacentes, que se distribuyen uniformemente.

Sin embargo, la menor cantidad de moléculas en la fase gaseosa por encima de la interfaz, en comparación con la fase líquida condensada , hace que la suma total de las fuerzas aplicadas a la molécula de la superficie se concentre directamente en el interior del líquido, y por lo tanto, las moléculas de la superficie tienden a minimizar su propia área superficial.

Esta 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 denomina energía libre superficial o energía potencial , y dicha energía que actúa sobre una unidad de área reducida se define como tensión superficial .

Este es un marco para interpretar fenómenos relevantes que ocurren en la superficie o interfaz de los materiales y se han desarrollado varios 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, mientras que 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 sencillos y se utilizan comúnmente para determinar la tensión superficial estática , en caso de que se añadan impurezas al líquido, se debe aplicar la medición de la tensión superficial basada en el equilibrio dinámico, ya que se requiere más tiempo para obtener una superficie completamente formada y esto significa que es difícil alcanzar 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 posee un segmento hidrófilo , generalmente llamado "grupo de cabeza", y un segmento hidrófobo , generalmente llamado "grupo de cola", en la misma molécula. Debido a su estructura molecular característica , los surfactantes migran a la superficie líquida que limita con la fase gaseosa hasta que una fuerza externa dispersa las moléculas acumuladas de la interfaz o la superficie se satura y, por lo tanto, no puede acomodar moléculas adicionales. Durante este proceso, la tensión superficial disminuye en función del tiempo y finalmente se aproxima a la tensión superficial de equilibrio (σ _equilibrio ). ^{[ 3 ]} Este proceso se ilustra en la figura 1. (Imagen reproducida de la referencia) ^{[ 2 ]}

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

El tensiómetro de presión de burbujas produce burbujas de gas (por ejemplo, aire) a un ritmo constante y las sopla a través de un capilar que está sumergido en el líquido de la 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 una 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 en el radio de las mismas, y cada paso se describe a continuación. (Imagen reproducida de la referencia) ^{[ 2 ] [ 3 ]}

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

En el punto de máxima presión de la burbuja, esta adquiere una forma hemisférica completa cuyo radio es idéntico al radio del capilar, denotado por Rcap. La tensión superficial puede determinarse mediante la ecuación de Young-Laplace en su forma reducida para burbujas esféricas dentro del líquido. ^{[ 3 ]}

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

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

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

Los tensiómetros desarrollados y comercializados actualmente monitorizan 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, todo ello calculado simultáneamente. La adquisición de datos se realiza mediante control por ordenador .

El método de presión de burbujas se utiliza comúnmente para medir la tensión superficial dinámica de sistemas que contienen surfactantes u otras impurezas, ya que no requiere la medición del ángulo de contacto y tiene una alta precisión, incluso cuando la medición se realiza rápidamente. ^{[ 1 ] [ 3 ]} El método de presión de burbujas se puede aplicar para medir la tensión superficial dinámica, particularmente para sistemas que contienen surfactantes. ^{[ 3 ]} Además, este método es una técnica apropiada para aplicar a fluidos biológicos como el suero 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 en baños de limpieza o recubrimiento industriales porque la tensión superficial dinámica en un rango particular de velocidades de formación de burbujas muestra una fuerte correlación con la concentración. ^{[ 2 ]}