Coloide - Colloid

Imagen SEM de un coloide.

Un coloide es una mezcla en la que una sustancia de partículas insolubles dispersas microscópicamente se suspende en otra sustancia. Sin embargo, algunas definiciones especifican que las partículas deben dispersarse en un líquido , y otras amplían la definición para incluir sustancias como aerosoles y geles . El término suspensión coloidal se refiere inequívocamente a la mezcla total (aunque un sentido más estrecho de la palabra suspensión se distingue de los coloides por un tamaño de partícula más grande). Un coloide tiene una fase dispersa (las partículas suspendidas) y una fase continua (el medio de suspensión). Las partículas de la fase dispersa tienen un diámetro de aproximadamente 1 nanómetro a 1 micrómetro .

Algunos coloides son translúcidos debido al efecto Tyndall , que es la dispersión de la luz por las partículas en el coloide. Otros coloides pueden ser opacos o tener un ligero color.

Las suspensiones coloidales son objeto de ciencia de interfaces y coloides . Este campo de estudio fue introducido en 1845 por el químico italiano Francesco Selmi y más investigado desde 1861 por el científico escocés Thomas Graham .

Definición IUPAC

Coloide : sinónimo corto de sistema coloidal .

Coloidal : Estado de subdivisión tal que las moléculas o partículas polimoleculares dispersas en un medio tienen al menos una dimensión entre aproximadamente 1 nm y 1 μm, o que en un sistema se encuentran discontinuidades a distancias de ese orden.

La leche es un coloide emulsionado de glóbulos de grasa butírica líquidos dispersos en una solución a base de agua .

Clasificación

Los coloides se pueden clasificar de la siguiente manera:

Medio / fase Fase dispersa
Gas Líquido Sólido

Medio de dispersión
Gas No se conocen tales coloides.
Se sabe que el helio y el xenón son inmiscibles en determinadas condiciones.

Ejemplos de aerosoles líquidos : niebla , nubes , condensación , neblina , vapor , lacas para el cabello

Ejemplos de aerosoles sólidos : humo , nubes de hielo , partículas atmosféricas
Líquido
Ejemplo de espuma : crema batida , crema de afeitar
Emulsión o cristal líquido
Ejemplos: leche , mayonesa , crema de manos , látex , membranas biológicas , condensado biomolecular líquido
Sol o suspensión
Ejemplos: tinta pigmentada , sedimentos , precipitados , condensado biomolecular sólido
Sólido
Ejemplos de espuma sólida : aerogel , espuma de poliestireno , piedra pómez

Ejemplos de gel : agar , gelatina , gelatina , condensado biomolecular en forma de gel

Ejemplo de sol sólido : vaso de arándano

Las mezclas homogéneas con una fase dispersa en este rango de tamaño pueden ser llamados aerosoles coloidales , emulsiones coloidales , espumas coloidales , dispersiones coloidales , o hidrosoles .

Coloide comparado con solución

Un coloide tiene una fase dispersa y una fase continua, mientras que en una solución , el soluto y el solvente constituyen solo una fase. Un soluto en una solución son moléculas o iones individuales , mientras que las partículas coloidales son más grandes. Por ejemplo, en una solución de sal en agua, el cloruro de sodio (NaCl) de cristal se disuelve, y el Na + y Cl - iones están rodeados por moléculas de agua. Sin embargo, en un coloide como la leche, las partículas coloidales son glóbulos de grasa, en lugar de moléculas de grasa individuales.

Interacción entre partículas

Las siguientes fuerzas juegan un papel importante en la interacción de partículas coloides:

  • Repulsión de volumen excluido : se refiere a la imposibilidad de superposición entre partículas duras.
  • Interacción electrostática : las partículas coloidales a menudo llevan una carga eléctrica y, por lo tanto, se atraen o se repelen entre sí. La carga tanto de la fase continua como de la dispersa, así como la movilidad de las fases son factores que inciden en esta interacción.
  • Fuerzas de van der Waals : esto se debe a la interacción entre dos dipolos que son permanentes o inducidos. Incluso si las partículas no tienen un dipolo permanente, las fluctuaciones de la densidad de electrones dan lugar a un dipolo temporal en una partícula. Este dipolo temporal induce un dipolo en las partículas cercanas. El dipolo temporal y los dipolos inducidos se atraen entre sí. Esto se conoce como fuerza de van der Waals y siempre está presente (a menos que los índices de refracción de las fases continua y dispersa coincidan), es de corto alcance y es atractivo.
  • Las fuerzas estéricas entre superficies cubiertas de polímero o en soluciones que contienen polímero no adsorbente pueden modular las fuerzas entre partículas, produciendo una fuerza repulsiva estérica adicional (que es predominantemente de origen entrópico) o una fuerza de agotamiento atractiva entre ellas.

Velocidad de sedimentación

Movimiento browniano de partículas coloidales de polímero de 350 nm de diámetro.

El campo gravitacional de la Tierra actúa sobre partículas coloidales. Por lo tanto, si las partículas coloidales son más densas que el medio de suspensión, se sedimentarán (caerán al fondo), o si son menos densas, se pondrán crema (flotarán hacia la parte superior). Las partículas más grandes también tienen una mayor tendencia a sedimentar porque tienen un movimiento browniano más pequeño para contrarrestar este movimiento.

La velocidad de sedimentación o cremación se calcula equiparando la fuerza de arrastre de Stokes con la fuerza gravitacional :

dónde

es el peso de Arquímedes de las partículas coloidales,

es la viscosidad del medio de suspensión,

es el radio de la partícula coloidal,

y es la velocidad de sedimentación o cremación.

La masa de la partícula coloidal se encuentra usando:

dónde

es el volumen de la partícula coloidal, calculado utilizando el volumen de una esfera ,

y es la diferencia de densidad de masa entre la partícula coloidal y el medio de suspensión.

Al reordenar, la velocidad de sedimentación o cremación es:

Existe un límite de tamaño superior para el diámetro de las partículas coloidales porque las partículas mayores de 1 μm tienden a sedimentar y, por lo tanto, la sustancia ya no se consideraría una suspensión coloidal.

Se dice que las partículas coloidales están en equilibrio de sedimentación si la velocidad de sedimentación es igual a la velocidad de movimiento del movimiento browniano.

Preparación

Hay dos formas principales de preparar coloides:

  • Dispersión de partículas grandes o gotitas a las dimensiones coloidales mediante molienda, pulverización o aplicación de cizallamiento (por ejemplo, agitación, mezcla o mezcla de alto cizallamiento ).
  • Condensación de pequeñas moléculas disueltas en partículas coloidales más grandes por precipitación , condensación o reacciones redox . Estos procesos se utilizan en la preparación de sílice coloidal u oro .


Estabilización

La estabilidad de un sistema coloidal se define por las partículas que permanecen suspendidas en solución y depende de las fuerzas de interacción entre las partículas. Estos incluyen interacciones electrostáticas y fuerzas de van der Waals, porque ambas contribuyen a la energía libre general del sistema.

Un coloide es estable si la energía de interacción debida a las fuerzas de atracción entre las partículas coloidales es menor que kT , donde k es la constante de Boltzmann y T es la temperatura absoluta . Si este es el caso, las partículas coloidales se repelerán o solo se atraerán débilmente entre sí, y la sustancia permanecerá en suspensión.

Si la energía de interacción es mayor que kT, prevalecerán las fuerzas de atracción y las partículas coloidales comenzarán a agruparse. Este proceso se denomina generalmente agregación , pero también se denomina floculación , coagulación o precipitación . Si bien estos términos a menudo se usan indistintamente, para algunas definiciones tienen significados ligeramente diferentes. Por ejemplo, la coagulación se puede utilizar para describir una agregación permanente irreversible en la que las fuerzas que mantienen unidas a las partículas son más fuertes que cualquier fuerza externa provocada por la agitación o la mezcla. La floculación se puede utilizar para describir la agregación reversible que implica fuerzas de atracción más débiles, y el agregado generalmente se denomina flóculo . El término precipitación se reserva normalmente para describir un cambio de fase de una dispersión coloidal a un sólido (precipitado) cuando se somete a una perturbación. La agregación provoca sedimentación o formación de crema, por lo que el coloide es inestable: si se produce cualquiera de estos procesos, el coloide ya no será una suspensión.

Ejemplos de dispersión coloidal estable e inestable.

La estabilización electrostática y la estabilización estérica son los dos principales mecanismos de estabilización contra la agregación.

  • La estabilización electrostática se basa en la repulsión mutua de cargas eléctricas similares. La carga de las partículas coloidales se estructura en una doble capa eléctrica , donde las partículas se cargan en la superficie, pero luego atraen contraiones (iones de carga opuesta) que rodean la partícula. La repulsión electrostática entre partículas coloidales suspendidas se cuantifica más fácilmente en términos del potencial zeta . El efecto combinado de la atracción de van der Waals y la repulsión electrostática sobre la agregación se describe cuantitativamente en la teoría DLVO . Un método común para estabilizar un coloide (convertirlo en un precipitado) es la peptización , un proceso en el que se agita con un electrolito.
  • La estabilización estérica consiste en absorber una capa de un polímero o tensioactivo sobre las partículas para evitar que se acerquen al rango de fuerzas atractivas. El polímero consta de cadenas que están unidas a la superficie de la partícula y la parte de la cadena que se extiende hacia afuera es soluble en el medio de suspensión. Esta técnica se utiliza para estabilizar partículas coloidales en todo tipo de disolventes, incluidos los disolventes orgánicos.

También es posible una combinación de los dos mecanismos (estabilización electrostérica).

Estabilización de redes estéricas y de gel.

Un método llamado estabilización de la red de gel representa la forma principal de producir coloides estables tanto a la agregación como a la sedimentación. El método consiste en añadir a la suspensión coloidal un polímero capaz de formar una red de gel. El asentamiento de las partículas se ve obstaculizado por la rigidez de la matriz polimérica donde las partículas quedan atrapadas, y las cadenas poliméricas largas pueden proporcionar una estabilización estérica o electrostérica a las partículas dispersas. Ejemplos de tales sustancias son xantano y goma guar .

Desestabilización

La desestabilización se puede lograr por diferentes métodos:

  • Eliminación de la barrera electrostática que evita la agregación de partículas. Esto se puede lograr mediante la adición de sal a una suspensión para reducir la longitud del tamiz Debye (el ancho de la doble capa eléctrica) de las partículas. También se logra cambiando el pH de una suspensión para neutralizar eficazmente la carga superficial de las partículas en suspensión. Esto elimina las fuerzas repulsivas que mantienen separadas las partículas coloidales y permite la agregación debido a las fuerzas de van der Waals. Los cambios menores en el pH pueden manifestarse en una alteración significativa del potencial zeta . Cuando la magnitud del potencial zeta se encuentra por debajo de un cierto umbral, típicamente alrededor de ± 5 mV, tiende a ocurrir una coagulación o agregación rápida.
  • Adición de un floculante polimérico cargado. Los floculantes poliméricos pueden unir partículas coloidales individuales mediante atractivas interacciones electrostáticas. Por ejemplo, las partículas de arcilla o sílice coloidal cargadas negativamente pueden flocularse mediante la adición de un polímero cargado positivamente.
  • Adición de polímeros no adsorbidos llamados depletantes que causan agregación debido a efectos entrópicos.

Las suspensiones coloidales inestables de fracción de bajo volumen forman suspensiones líquidas agrupadas, en las que las agrupaciones individuales de partículas sedimentan si son más densas que el medio de suspensión, o creman si son menos densas. Sin embargo, las suspensiones coloidales de fracción de mayor volumen forman geles coloidales con propiedades viscoelásticas. Los geles coloidales viscoelásticos, como la bentonita y la pasta de dientes , fluyen como líquidos bajo cizalla, pero mantienen su forma cuando se quita la cizalla. Es por esta razón que la pasta de dientes se puede exprimir de un tubo de pasta de dientes, pero permanece en el cepillo de dientes después de su aplicación.

Monitoreo de estabilidad

Principio de medición de la dispersión de luz múltiple junto con escaneo vertical

La técnica más utilizada para controlar el estado de dispersión de un producto y para identificar y cuantificar los fenómenos de desestabilización es la dispersión de luz múltiple junto con la exploración vertical. Este método, conocido como turbidimetría , se basa en medir la fracción de luz que, luego de ser enviada a través de la muestra, es retrodispersada por las partículas coloidales. La intensidad de la retrodispersión es directamente proporcional al tamaño medio de partícula y la fracción de volumen de la fase dispersa. Por lo tanto, se detectan y controlan los cambios locales en la concentración causados ​​por la sedimentación o la formación de crema, y ​​la acumulación de partículas causada por la agregación. Estos fenómenos están asociados con coloides inestables.

La dispersión dinámica de la luz se puede utilizar para detectar el tamaño de una partícula coloidal midiendo la rapidez con la que se difunden. Este método implica dirigir la luz láser hacia un coloide. La luz dispersa formará un patrón de interferencia, y la fluctuación en la intensidad de la luz en este patrón es causada por el movimiento browniano de las partículas. Si el tamaño aparente de las partículas aumenta debido a que se agrupan a través de la agregación, se producirá un movimiento browniano más lento. Esta técnica puede confirmar que se ha producido la agregación si se determina que el tamaño de partícula aparente está más allá del rango de tamaño típico de las partículas coloidales.

Acelerar los métodos para predecir la vida útil

El proceso cinético de desestabilización puede ser bastante largo (hasta varios meses o incluso años para algunos productos) y a menudo es necesario que el formulador utilice métodos de aceleración adicionales para alcanzar un tiempo de desarrollo razonable para el diseño de un nuevo producto. Los métodos térmicos son los más utilizados y consisten en aumentar la temperatura para acelerar la desestabilización (por debajo de las temperaturas críticas de inversión de fase o degradación química). La temperatura afecta no solo a la viscosidad, sino también a la tensión interfacial en el caso de tensioactivos no iónicos o, más generalmente, a las fuerzas de interacción dentro del sistema. El almacenamiento de una dispersión a altas temperaturas permite simular las condiciones de la vida real de un producto (por ejemplo, un tubo de crema de protección solar en un automóvil en verano), pero también acelerar los procesos de desestabilización hasta 200 veces. A veces se utilizan aceleraciones mecánicas que incluyen vibración, centrifugación y agitación. Someten el producto a diferentes fuerzas que empujan las partículas / gotitas unas contra otras, ayudando así en el drenaje de la película. Sin embargo, algunas emulsiones nunca se fusionarían en gravedad normal, mientras que lo hacen en gravedad artificial. Además, se ha destacado la segregación de diferentes poblaciones de partículas cuando se utiliza centrifugación y vibración.

Como sistema modelo para átomos

En física , los coloides son un sistema modelo interesante para los átomos . Las partículas coloidales a escala micrométrica son lo suficientemente grandes como para ser observadas mediante técnicas ópticas como la microscopía confocal . Muchas de las fuerzas que gobiernan la estructura y el comportamiento de la materia, como las interacciones de volumen excluido o las fuerzas electrostáticas, gobiernan la estructura y el comportamiento de las suspensiones coloidales. Por ejemplo, las mismas técnicas utilizadas para modelar gases ideales se pueden aplicar para modelar el comportamiento de una suspensión coloidal de esfera dura. Además, las transiciones de fase en suspensiones coloidales se pueden estudiar en tiempo real utilizando técnicas ópticas y son análogas a las transiciones de fase en líquidos. En muchos casos interesantes, la fluidez óptica se utiliza para controlar las suspensiones coloidales.

Cristales

Un cristal coloidal es una matriz muy ordenada de partículas que se pueden formar en un rango muy largo (típicamente del orden de unos pocos milímetros a un centímetro) y que parecen análogas a sus contrapartes atómicas o moleculares. Uno de los mejores naturales ejemplos de este fenómeno de pedido se pueden encontrar en precioso ópalo , en el que las regiones brillantes de puro espectral de color resultado de apretadas dominios de amorfos esferas coloidales de dióxido de silicio (o de sílice , SiO 2 ). Estas partículas esféricas precipitan en charcos altamente silíceos en Australia y en otros lugares, y forman estas matrices altamente ordenadas después de años de sedimentación y compresión bajo fuerzas hidrostáticas y gravitacionales. Las matrices periódicas de partículas esféricas submicrométricas proporcionan matrices similares de vacíos intersticiales , que actúan como una rejilla de difracción natural para las ondas de luz visibles , particularmente cuando el espaciado intersticial es del mismo orden de magnitud que la onda de luz incidente .

Por tanto, se sabe desde hace muchos años que, debido a las interacciones Coulombic repulsivas , las macromoléculas cargadas eléctricamente en un entorno acuoso pueden exhibir correlaciones de tipo cristal de largo alcance con distancias de separación entre partículas, que a menudo son considerablemente mayores que el diámetro de las partículas individuales. En todos estos casos en la naturaleza, la misma iridiscencia brillante (o juego de colores) se puede atribuir a la difracción e interferencia constructiva de ondas de luz visible que satisfacen la ley de Bragg , en una cuestión análoga a la dispersión de rayos X en sólidos cristalinos.

El gran número de experimentos que exploran la física y la química de estos llamados "cristales coloidales" ha surgido como resultado de los métodos relativamente simples que se han desarrollado en los últimos 20 años para preparar coloides monodispersos sintéticos (tanto polímeros como minerales) y, a través de diversos mecanismos, implementando y preservando su formación de orden a largo plazo.

En biologia

La separación de fases coloidal es un principio organizador importante para la compartimentación tanto del citoplasma como del núcleo de las células en condensados ​​biomoleculares , de importancia similar a la compartimentación a través de membranas de bicapa lipídica , un tipo de cristal líquido . El término condensado biomolecular se ha utilizado para referirse a grupos de macromoléculas que surgen a través de la separación de fases líquido-líquido o líquido-sólido dentro de las células. El apiñamiento macromolecular mejora fuertemente la separación de fases coloidal y la formación de condensados ​​biomoleculares .

En el ambiente

Las partículas coloidales también pueden servir como vector de transporte de diversos contaminantes en el agua superficial (agua de mar, lagos, ríos, cuerpos de agua dulce) y en el agua subterránea que circula en rocas fisuradas (por ejemplo , piedra caliza , arenisca , granito ). Los radionúclidos y los metales pesados ​​se absorben fácilmente en coloides suspendidos en agua. Se reconocen varios tipos de coloides: coloides inorgánicos (por ejemplo , partículas de arcilla , silicatos, oxihidróxidos de hierro ), coloides orgánicos ( sustancias húmicas y fúlvicas ). Cuando los metales pesados ​​o los radionúclidos forman sus propios coloides puros, el término " eigencoloide " se utiliza para designar fases puras, es decir, Tc (OH) 4 , U (OH) 4 o Am (OH) 3 puros . Se sospecha que los coloides son responsables del transporte de plutonio a larga distancia en el sitio de pruebas nucleares de Nevada . Han sido objeto de estudios detallados durante muchos años. Sin embargo, la movilidad de los coloides inorgánicos es muy baja en las bentonitas compactadas y en las formaciones arcillosas profundas debido al proceso de ultrafiltración que se produce en la densa membrana arcillosa. La pregunta es menos clara para los pequeños coloides orgánicos que a menudo se mezclan en agua intersticial con moléculas orgánicas verdaderamente disueltas.

En la ciencia del suelo , la fracción coloidal en los suelos consiste en pequeñas partículas de arcilla y humus que tienen menos de 1 μm de diámetro y llevan cargas electrostáticas positivas y / o negativas que varían según las condiciones químicas de la muestra de suelo, es decir , el pH del suelo .

Terapia intravenosa

Las soluciones coloides utilizadas en la terapia intravenosa pertenecen a un grupo importante de expansores de volumen y se pueden utilizar para la reposición de líquidos por vía intravenosa . Los coloides conservan una presión osmótica coloide alta en la sangre y, por lo tanto, teóricamente deberían aumentar preferentemente el volumen intravascular , mientras que otros tipos de expansores de volumen llamados cristaloides también aumentan el volumen intersticial y el volumen intracelular . Sin embargo, todavía existe controversia sobre la diferencia real de eficacia por esta diferencia, y gran parte de la investigación relacionada con este uso de coloides se basa en una investigación fraudulenta de Joachim Boldt . Otra diferencia es que los cristaloides generalmente son mucho más baratos que los coloides.

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Otras lecturas

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