Mojabilidad

Las superficies de baja energía interaccionan con los líquidos principalmente a través de las fuerzas de dispersión (fuerzas de van der Waals). Zisman observó que:[6][7]

• El coseno del ángulo de contacto (${\displaystyle \cos {\theta }}$) aumenta linealmente a medida que la tensión superficial del líquido (${\displaystyle \gamma _{LV}}$) disminuye. Determinó estos valores para varios líquidos orgánicos.

La mojabilidad es mayor cuanto menor sea ${\displaystyle \theta }$, y por tanto cuanto menor sea ${\displaystyle \gamma _{LV}}$. Se define la tensión superficial crítica (${\displaystyle \gamma _{C}}$) como la tensión superficial necesaria para que la mojabilidad sea perfecta (${\displaystyle \cos {\theta }=1}$). Este término es un parámetro importante porque depende solamente de las características del sólido.

Conociendo la tensión superficial crítica de un sólido, es posible predecir la mojabilidad que tendrá una superficie:[2]

• La mojabilidad de una superficie está determinada por los grupos químicos de la parte externa del sólido.
• Las diferencias en la mojabilidad entre superficies que poseen estructuras similares se deben al distinto empaquetamiento de los átomos. Por ejemplo, el empaquetamiento de una superficie que posea cadenas ramificadas será peor que una que posea cadenas lineales.

La mojabilidad de una superficie puede ser modelada mediante el efecto piroeléctrico.[8]

Coexistencia de tres fases fluidas en contacto mutuo. Las letras griegas ${\displaystyle \alpha }$, ${\displaystyle \beta }$ y ${\displaystyle \theta }$, representan cada una de las fases y de sus ángulos de contacto.

Triángulo de Neumann en el que se muestra la relación entre las energías superficiales y los ángulos de contacto de las tres fases fluidas que coexisten en equilibrio estático.

En equilibrio termodinámico, la fuerza neta por unidad de longitud que actúa a lo largo del límite en el que las tres fases están en contacto debe ser nula. Las componentes de la fuerza neta en la dirección de cada una de las interfases vienen dadas por:

${\displaystyle \gamma _{\alpha \theta }+\gamma _{\theta \beta }\cos {\theta }+\gamma _{\alpha \beta }\cos {\alpha }\ =0}$

${\displaystyle \gamma _{\alpha \theta }\cos {\theta }+\gamma _{\theta \beta }+\gamma _{\alpha \beta }\cos {\beta }\ =0}$

${\displaystyle \gamma _{\alpha \theta }\cos {\alpha }+\gamma _{\theta \beta }\cos {\beta }+\gamma _{\alpha \beta }\ =0}$

donde ${\displaystyle \alpha }$, ${\displaystyle \beta }$ y ${\displaystyle \theta }$ son los ángulos de contacto y ${\displaystyle \gamma _{ij}}$ es la energía superficial entre las dos fases indicadas. Estas relaciones también pueden expresarse mediante el denominado triángulo de Neumann. Al ser un triángulo se cumple la restricción geométrica ${\displaystyle \alpha +\beta +\theta =2\pi }$, y al aplicar la ley del seno y la ley del coseno se deducen las relaciones que describen la dependencia entre los ángulos de contacto y las energías superficiales.[9]

En el triángulo de Neumann los lados representan las energías superficiales, y por tanto se deben cumplir las desigualdades triangulares ${\displaystyle \gamma _{ij}<\gamma _{jk}+\gamma _{ik}}$: esto quiere decir que cualquiera de las tensiones superficiales no puede exceder la suma de las otras dos. Si se ponen en contacto tres fluidos con energías superficiales tales que no cumplen las desigualdades anteriores, no existirá ninguna configuración de equilibrio.

Ángulo de contacto de una gota de líquido en una superficie sólida rígida.

Si la fase ${\displaystyle \beta }$ se reemplaza por una superficie sólida rígida, entonces se cumple ${\displaystyle \beta =\pi }$, y la segunda ecuación de la fuerza neta se simplifica a la ecuación de Young.[10]

${\displaystyle \gamma _{SV}\ =\gamma _{SL}+\gamma _{LV}\cos {\theta }}$[11]

Esta ecuación relaciona las tensiones superficiales entre las tres fases: sólido, líquido y vapor. A partir de las tres energías superficiales, predice el ángulo de contacto de una gota de líquido en una superficie sólida. La ecuación también se puede aplicar si la fase vapor es otro líquido, con la condición de que sea inmiscible con la gota del primer líquido.

En la definición de y_SL y y_SV, ninguna de las cuales podemos medir de forma conveniente y fiable, existe la dificultad de que cualquier tensión de tracción existente en la superficie de un sólido rara vez será un sistema en equilibrio. Las superficies de los sólidos rara vez están libres de tensiones.

Otro enfoque evita especificar el campo de la fuerza intermolecular entre sólido y líquido y en su lugar recurre a la termodinámica. Dupré fue el que introdujo el trabajo reversible de adhesión de líquido y sólido, W_A, y su relación con γ_SV y γ_SL.

W_A= γ_SV + γ_LV  - γ_SL

Siendo W_A la energía de adhesión por unidad de área de superficies sólido-líquido en el medio V (vapor).

Esta ecuación es simplemente la expresión termodinámica del hecho de que el trabajo reversible de separar las fases líquida y sólida debe ser igual al cambio en la energía libre del sistema.

Combinando la ecuación de Young y la de Dupre:

W_A = γ_LV (cos θ +1)

El ángulo de humectancia puede ser usado además para determinar la energía superficial, siempre que otra energía superficial sea conocida. La ecuación puede ser reescrita de la forma Young-Dupre:

Si θ = 0° entonces cos θ=1: W_A = 2γ_LV =Wc líquido (sólido mojado completamente)

Si θ = 90° entonces cos θ=0: W_A = γ_LV = W_A < Wc (sólido mojado parcialmente)

Si θ = 180° entonces cos θ=-1: W_A = 0 liquid (sólido idealmente hidrofóbico)

Siendo W_c =2γ_LV, el trabajo necesario para separar en dos partes una columna de área unitaria de un mismo líquido.

• Zuluaga, Elizabeth (2001). Humectabilidad. Universidad Nacional de Colombia.
• Pierre-Gilles de Gennes, Françoise Brochard-Wyart, David Quéré (2004). Capillarity and wetting phenomena: drops, bubbles, pearls, waves (en inglés). Springer. ISBN 9780387005928.
• V. M. Starov, Manuel García Velarde, Clayton John Radke (2007). Wetting and spreading dynamics (en inglés). CRC Press. ISBN 9781574445404.
• Berg, John C. (1993). Wettability (en inglés). CRC Press. ISBN 9780824790462.