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Apuntes sobre la definición de Coloide y sus características...

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DEFINICIÓN Coloide: Mezcla heterogénea en la que partículas tipo soluto no se sedimentan, también se llama dispersión coloidal. Los coloides (dispersiones coloidales) representan un tipo intermedio de mezcla en el cual las partículas análogas soluto, o fase dispersa, se suspenden en una fase análoga al disolvente, o medio dispersante. Las partículas de la fase dispersa son tan pequeñas que la sedimentación es insignificante; sin embargo, son demasiado grandes y hacen que la mezcla tenga apariencia turbia o aun opaca, debido a que la luz se dispersa cuando pasa a través del coloide. En la siguiente tabla se muestran los tamaños (diámetros) aproximados de las diversas partículas: Partícula en a) Suspensión b) Coloide c) Solución

Tamaño (o diámetro) >10-5 cm 10-5 cm a 10-7 cm 10-7 cm a 10-8 cm

Los datos anteriores nos indican que no hay una línea divisoria claramente marcada entre los coloides y las suspensiones o tener los coloides y las soluciones. Por ejemplo: es de esperarse que partículas con un tamaño de 10 -7 cm exhiban algunas propiedades coloidales y algunas de las correspondientes a las soluciones.

En la siguiente tabla se advierte que todas las combinaciones de sólidos, líquidos y gases, pueden formar coloides, salvo las mezclas de gases que no reaccionan (todas las cuales son homogéneas y, por tanto, disoluciones verdaderas).

Fase dispersa Medio dispersante Nombre común (análoga al soluto) (análogo al disolvente) Sólido Sólido Disolución sólida

Líquido

Sólido

Emulsión sólida

Gas

Sólido

Espuma sólida

Sólido

Líquido

Soles y geles

Líquido

Líquido

Emulsión

gas

Líquido

Espuma

Sólido

Gas

Aerosol sólido

Líquido

Gas

Aerosol líquido

Ejemplos

Muchas aleaciones (acero y duraluminio), algunas gemas coloridas, caucho reforzado, porcelana, plásticos pigmentados. Queso, mantequilla, jaleas Esponja, hule, piedra pómez, hule espuma. Leche de magnesia, pinturas, lodo, budín. Leche, crema facial, aderezos de ensaladas, mayonesa. Crema de afeitar, crema batida, espuma de la cerveza. Humo, virus y materia corpuscular en aire, materiales de escape de automóviles. Niebla, bruma, nubes, rocío.

El que una mezcla dada forme una disolución, una dispersión coloidal o una suspensión depende del tamaño de las partículas análogas al soluto así como de la solubilidad y miscibilidad.

CLASIFICACIÓN DE SISTEMAS COLOIDALES Los coloides se clasifican en tres clases generales que dependen del tamaño de las partículas y son: a) dispersiones coloidales; b) soluciones de macromoléculas, y c) coloides de asociación. a) Las dispersiones consisten en suspensiones en un medio de sustancias insolubles en forma de partículas conteniendo muchas moléculas individuales. Como ejemplos están las dispersiones coloidales de oro, As 2S3 o de aceite en agua. b) Las soluciones macromoleculares, por otra parte, son soluciones verdaderas de moléculas tan grandes que quedan dentro del intervalo coloidal. Ejemplos de estas son las soluciones acuosas de proteínas y de alcohol polivinílico, o las soluciones de hule y de otros materiales muy polimerizados, en solventes orgánicos. c) Los coloides de asociación consisten en soluciones de sustancias solubles y de relativamente bajo peso molecular, en las cuales, para una concentración particular según sea el caso, se asocian formando agregados de tamaño coloidal. Las soluciones jabonosas son un ejemplo sobresaliente en esta categoría.

Con base en las características superficiales de las partículas dispersas, los coloides se clasifican como hidrófilos o hidrófobos. Coloides Hidrófilos: Las proteínas como la hemoglobina portadora de oxígeno forman soles hidrófilos cuando se encuentran suspendidas en los fluidos corporales salinos acuosos como el plasma sanguíneo. Estas proteínas son macromoléculas que se doblan y se tuercen en un entorno acuoso en forma tal que los grupos polares quedan expuestos al fluido, en tanto que los grupos no polares se encierran. El protoplasma y las células humanas son ejemplos de geles, los cuales son soles de tipo especial en los que las partículas sólidas se unen entre sí formando una estructura reticular semirrígida que engloba al medio dispersante. Otros ejemplos de geles son las gelatinas, jaleas y precipitados gelatinosos como el Al(OH) 3 y Fe(OH)3.

Coloides Hidrófobos: Los coloides hidrófobos no pueden existir en disolventes polares sin la presencia de agentes emulsionantes o simplemente emulsionantes. Estos agentes recubren las partículas de la fase dispersa para evitar que se coagulen en fases separadas. La leche y la mayonesa son ejemplos de coloides hidrófobos que se mantienen en suspensión con ayuda de agentes emulsionantes.

LOS SOLES Y SU PREPARACIÓN Las dispersiones de sólidos en líquidos pueden subdividirse, ampliamente hablando, en soles liófobos y liófilos. Los primeros son aquellos aquellas dispersiones en las que hay muy poca atracción entre la fase dispersa y el medio, como ocurre en las dispersiones de varios metales y sales en agua. Los soles liófilos, por otro lado, son dispersiones en las cuales la fase dispersa exhibe una afinidad definida hacia el medio y, como resultado, hay una gran solvatación de las partículas coloidales. Ejemplos de soles liófilos son las dispersiones de tipo liófobo a las que se ha añadido, por ejemplo, gelatina, almidón o caseína. Estas sustancias son absorbidas por la fase dispersa, y le imparten un carácter liófilo. Como en las dispersiones el estado de subdivisión de la materia es intermedio entre las soluciones verdaderas y las mezclas de partículas gruesas, pueden prepararse, bien sea por condensación de las partículas en solución, o por dispersión de las partículas gruesas en agregados más pequeños. Dentro de cada uno de estos métodos generales de preparación hay un número de medios específicos de producir la formación de coloides. Algunos de esos son químicos e incluyen reacciones como doble intercambio, oxidación y reducción. Otros son físicos, como el cambio de solvente, uso de arco eléctrico o de molino coloidal para desintegración de los agregados sólidos. Al preparar soluciones, frecuentemente resultan soles que contienen, además de las partículas coloidales, cantidades apreciables de electrolito. Para obtener el colide puro, hay que remover este electrolito. Para tal purificación de un sol, hay tres métodos disponibles, a) diálisis, b) electrodiálisis y c) ultrafiltración. En la diálisis el sol se purifica permitiendo al electrolito difundirse a través de una membrana porosa tal como el pergamino, celofán o colodión que es permeable a las moléculas de soluto de bajo peso, pero no a partículas coloidales.

El procedimiento usual para dializar un sol, es meterlo en un saco hecho del material escogido como membrana dializante y sumergir el saco en agua destilada. En contacto prolongado con el agua, los iones en solución pasan a través de la membrana, permanecen del otro lado produciendo un sol puro. A veces, se mantiene una corriente continua de agua para asegurar el gradiente máximo de concentración para la difusión. La diálisis es un proceso muy lento que requiere días o semanas para su realización. Generalmente no se lleva hasta el punto de eliminar todo el electrolito porque los soles muy dializados, al perder demasiado electrolito, se vuelven inestables y tienden a precipitar fácilmente. En electrodiálisis, el proceso dializante es acelerado aplicando una diferencia de potencial a través de la membrana. Bajo la influencia de este campo aplicado, los iones migran más rápidamente y se extraen del sol con más facilidad. La ultrafiltración en un proceso similar a la filtración de un precipitado ordinario, excepto porque entonces se usa una membrana que permite el paso de los electrolitos y medio, pero no de los coloides. Para tal objeto, pueden emplearse los diafragmas mencionados antes, o el papel filtro ordinario impregnado con colodión. Otros medios filtrantes son la porcelana porosa y el vidrio fino sinterizado. Puesto que generalmente la ultrafiltración procede muy lentamente, se acelera el proceso con ayuda de la presión o la succión. Por este medio es posible separar partículas coloidales de medios que contienen electrolitos.

PROPIEDADES: a) Físicas: Dependen de si son liófobos o liófilos. En los primeros, cuando están diluidos, su densidad, tensión superficial y viscosidad no son muy diferentes de las del medio. Esto es evidente, puesto que los soles, mostrando poca interacción entre la materia suspendida y el medio, afectan poco las propiedades de éste. Por otro lado, los soles liófilos presentan un alto grado de solvatación del suspensoide y, en consecuencia, se modifican las propiedades físicas del medio. Esto sucede claramente con la viscosidad, que es mucho mayor en el sol que en medio; en cambio, la tensión superficial del sol es frecuentemente más baja que la del medio puro.

b) Coligativas: Con excepción de la presión osmótica, los efectos son prácticamente despreciables. La razón para ello estriba en el tamaño de partícula de los dos tipos de dispersiones. Cuando, por ejemplo, 0.01 moles de soluto se disuelven en 1000 g de solvente para formar una solución verdadera, el número de partículas resultantes es 0.01N, siendo N el número de Avogadro. Sin embargo, si se dispersa cierta cantidad de sustancia coloidalmente, en la misma cantidad de medio, para formar agregados que contengan 1000 moléculas por partícula, el número de partículas presentes será sólo 1/1000 de las presentes en la solución verdadera y, por lo tanto, el efecto coligativo se reducirá en la misma proporción. En la disminución del punto de congelación, en la elevación del punto de ebullición y en el abatimiento de la presión de vapor, tal disminución del número de partículas no produce ninguna diferencia observable prácticamente entre las propiedades del sol y las del medio puro. Pero, siendo la presión osmótica de mayor magnitud que las otras propiedades, se manifiesta aunque considerablemente reducida, respecto a la de una solución verdadera de igual concentración. c) Ópticas: Cuando la luz viaja a través de un medio en el que están presentes partículas discretas, éstas interfieren y hacen que parte de la energía de la luz sea dispersada en todas direcciones. Tal dispersión, llamada el efecto Tyndall, no indica un cambio en la longitud de onda de la luz y es causada por todo tipo de sistemas sean gases, líquidos, soluciones o coloides. Como resultado de este efecto, la luz se observa no sólo en la dirección de su trayectoria original, sino en diversos ángulos respecto a ésta. En soluciones o dispersiones líquidas muy diluidas, la cantidad de dispersión depende del tamaño de las partículas de soluto o coloide presentes y de la relación de índices de refracción m=n/no, donde n es el índice de refracción de las partículas disueltas o suspendidas y no es el del medio. La dispersión crece al aumentar el tamaño de las partículas presentes y el valor de m. Puesto que en las soluciones ordinarias las partículas de soluto son pequeñas, resultan dispersores relativamente débiles. Sin embargo, las dispersiones coloidales, como tienen sus partículas grandes, son buenas

dispersoras de la luz y presentan el efecto Tyndall, el cual puede ser observado y medido. Supongamos luz no polarizada incidente de una longitud de onda λ 0 en el vacío, y de una intensidad inicial I0; al pasar a través de una dispersión coloidal, la intensidad de la luz dispersada en un ángulo θ respecto a la dirección del haz incidente es I’θ. La teoría de Mie predice que la relación Iθ = I’θ / I0 es una función de θ, de m y de parámetro α= πD/λm, donde D es le diámetro de las partículas dispersoras y λ m es la longitud de onda de la luz en el medio. Las dos longitudes de onda, λ m y λ0, están relacionadas por la ecuación: λo λm= no La misma conclusión se aplica al componente vertical de Iθ, Iθv. Puesto que tanto Iθ como Iθv dependen de D, ambas pueden emplearse para determinar el tamaño de partícula de las dispersiones coloidales mediante la dispersión de la luz. Por otra parte, la luz dispersada total también depende de m y α y también puede usarse para calcular D. d) Cinéticas: Graham observó que las partículas coloidales se difunden mucho más lentamente que los solutos en las soluciones verdaderas. Einstein y otros demostraron que es posible hallar una expresión para la difusión de las partículas coloidales en un medio, si se supone aplicable la ecuación de van’t Hoff para presión osmótica, y que las partículas coloidales son esféricas y grandes en comparación con las moléculas del medio. Con tales suposiciones, la ecuación del coeficiente de difusión D f, es decir, el número de moles de coloide que se difunden a través de un área unitaria por unidad de tiempo bajo un gradiente de concentración de un mol por cm, es:

Df =

( )

RT 1 N 6 πηr

Donde R es la constante general de los gases en (erg)(mol) -1(°K)-1, T la temperatura absoluta, N el número de Avogadro, n la viscosidad del medio en poises y r el radio de las partículas coloidales en centímetros.

Las partículas coloidales exhiben un movimiento continuo y al azar; esta actividad cinética de las partículas en suspensión en un líquido, se llama movimiento browniano, y es debido al bombardeo de las partículas dispersas por las moléculas del medio. Como resultado de ello, las partículas adquieren en el equilibrio una energía cinética igual a la del medio a la temperatura dada. Puesto que las partículas en dispersión son considerablemente más pesadas que las moléculas del medio y puede, por consiguiente, observarse al microscopio. La validez de esta explicación del movimiento browniano se basa en consideraciones matemáticas debidas a Einstein, quien teniendo en cuenta las suposiciones mencionadas en relación con la difusión, demostró que el coeficiente de difusión de un coloide debe ser relacionado con el desplazamiento promedio, ∆ , producido por el movimiento browniano en el tiempo t a lo largo del eje x. tal relación entre Df y ∆ es 2

Df =

∆ 2t

Eliminando Df de las ecuaciones se obtiene que ∆ 2=

∆

2

vale

( )

RT 1 N 3 πηr

e) Eléctricas: Las dispersiones colídales presentan propiedades eléctricas íntimamente asociadas con su capacidad de absorber iones de las soluciones o moléculas del medio, o de ambas a la vez. El estudio de los coloides ha establecido que los soles liófobos, absorben principalmente iones del electrolito de las soluciones en las cuales están preparados. Por otro lado, las partículas en soles liófilos atraen hacia ellas, primeramente, una capa del medio en la cual pueden o no absorberse los iones, según las condiciones de la solución. Aunque la naturaleza de las partículas del dispersoide es la que determina si un coloide es liófobo o liófilo, el carácter de la fase adsorbida sobre la partícula final es el que eventualmente controla la estabilidad del sol y establece la forma en que la partícula se comporta en un campo eléctrico.

Todo sólido en contacto con un líquido, tiende a desarrollar una diferencia de potencial a través de la interface entre los dos. Tal arreglo de cargas, llamada capa doble de Helmholtz, implica una diferencia de potencial entre el sólido y el líquido. Como las dispersiones de los sólidos en los líquidos producen interfaces sólido-líquido, debe establecerse una capa doble difusa en la superficie de la partícula y, por lo tanto, un potencial zeta. Además, la adsorción selectiva de los iones debe producir una carga eléctrica sobre las partículas, es decir, que tanto éstas como el medio quedan cargados eléctricamente, aunque con signo contrario y, por tanto, deben reaccionar ante un campo eléctrico que se aplique y migrar en direcciones opuestas y es lo que realmente sucede. Cuando las condiciones experimentales permiten la migración del dispersoide, pero no la del medio, se tiene el fenómeno de electroforesis. Por el contrario, cuando se impide la migración del dispersoide, mas no la del medio, se obtiene la electrómosis.

EMULSIONES

Se llama emulsión a una dispersión coloidal de un líquido en otro inmiscible con él, y puede prepararse agitando una mezcla de los dos líquidos o, preferentemente, pasando la muestra por un molino coloidal llamado homogeneizador. Tales emulsiones no suelen ser estables y tienden a asentarse en reposo, para impedirlo, durante du preparación se añaden pequeñas cantidades de sustancias llamadas agentes emulsificantes o emulsionantes, que sirven para estabilizarlas. Estas son generalmente jabones de varias clases, sulfatos o ácidos sulfónicos de cadena larga o coloides liófilos. Si se emplea el término aceite para designar a todo líquido inmiscible con el agua, capaz de formar una emulsión con ella, las emulsiones pueden clasificarse en dos tipos que son: a) emulsiones de aceite en agua, en las que la fase dispersa es el aceite y, b) las de agua en aceite en las que aquélla es la fase dispersa.

El tipo de emulsión que resulta en la agitación de dos líquidos, depende de las proporciones relativas de ambos en la mezcla. En general, el que está en exceso actúa como “fase exterior” o medio y el otro como “fase interior” o dispersoide. La proporción exacta de éste, requerida para la formación de un tipo de emulsión es difícil de definir. El tipo de emulsión obtenida, depende también de la naturaleza del agente emulsionante usado. Los jabones de metales alcalinos solubles en agua, y los sulfatos metálicos básicos, generalmente, favorecen la formación de emulsiones de aceite en agua. Por otro lado, los jabones insolubles en agua tales como los de cinc, aluminio, hierro y metales alcalinotérreos, favorecen la formación de emulsiones de agua en aceite. Frecuentemente el primer tipo de emulsión puede ser convertido al segundo por adición de iones metálicos pesados. Bajo tales condiciones, un emulsionante soluble en agua se convierte en otro insoluble, produciéndose una inversión de la fase. El tipo a que corresponde una emulsión particular se deduce de varias formas. Si el agua constituye la fase exterior, toda la añadida a la emulsión será fácilmente miscible, mas no así el aceite. Análogamente, si la fase externa es de aceite, la miscibilidad ocurrirá con el aceite que se agregue, pero no con el agua. Observando en un microscopio el comportamiento de la emulsión, ante tales adiciones, es posible identificar fácilmente su naturaleza. Otra forma de distinguir las emulsiones, se basa en el hecho de que una pequeña cantidad de electrolito añadido a una, la harpa conductora si la fase exterior era agua, pero tendrá poco efecto sobre la conductancia si el medio dispersor era aceite. El tamaño de partícula de la fase distribuida es generalmente mayor en las emulsiones que en los soles, alcanzando desde 0.1 hasta más de 1 μ de diámetro. Por otro lado, las propiedades de las emulsiones no son muy diferentes de las de los soles liófobos. Presentan e efecto Tyndall y puede observarse el movimiento browniano si las partículas no son demasiado grandes. Además, los glóbulos están en general, cargado negativamente, migran por acción de un campo eléctrico y son sensibles a los electrolitos añadidos, en particular a los que contienen iones positivos multivalentes. Las emulsiones pueden desdoblarse en sus líquidos constituyentes por calentamiento, congelación, agitación, centrifugación, por adición apreciable de electrolito como agente salino de la fase dispersa, y por destrucción química del agente emulsificante. Los métodos empleados para la destrucción del agente emulsificante, dependen de su naturaleza.

TENSION SUPERFICIAL Las moléculas que se encuentran debajo de la superficie de un líquido están sujetas a la influencia de las atracciones intermoleculares en todas direcciones. Las de la superficie sólo está sujetas a la atracción hacia el interior; esta atracción ...