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Universidad NacionalAutónoma de MéxicoFacultad de Estudios SuperioresCuautitlánCampo 1Ingeniería QuímicaFISICOQUÍMICA DE SUPERFICIES Y COLOIDESProfesora: María del Rosario Rodríguez HidalgoProyecto: SISTEMAS DISPERSOSAlumna: Martínez Márquez Mariana AlexandraFecha de entrega: 02 de agosto del 2021SI...

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Universidad Nacional Autónoma de México Facultad de Estudios Superiores Cuautitlán Campo 1 Ingeniería Química FISICOQUÍMICA DE SUPERFICIES Y COLOIDES

Profesora: María del Rosario Rodríguez Hidalgo Proyecto: SISTEMAS DISPERSOS

Alumna: Martínez Márquez Mariana Alexandra

Fecha de entrega: 02 de agosto del 2021

SISTEMAS DISPERSOS. 1.- SISTEMA COLOIDAL Un coloide es un sistema físico-químico que se encuentra formado por dos fases: las partículas dispersas (fase dispersa) y el medio dispersante (fase continua). Las partículas y el solvente forman una mezcla inhomogénea, es decir, en el límite entre lo homogéneo y lo heterogéneo. Hay distintos tipos de coloides, según el estado físico en el que se encuentren la fase

dispersa

dispersante

y (sol,

el

medio aerosol,

espuma, espuma sólida, emulsión y gel); o según la afinidad entre las dos fases (lio fóbicos y liofílicos) Todo sistema coloidal estará constituido por partículas dispersas dentro de un medio. Sus propiedades, en primera instancia se pueden correlacionar con el tamaño expresado linealmente de dichas partículas, sin excluir las necesarias consideraciones de la forma, la carga eléctrica y otros factores. La característica principal de los coloides es la relación entre la superficie y el volumen de las partículas, que es muy grande, debido al área superficial extraordinariamente extensa de la fase dispersa en comparación con la misma cantidad de materia ordinaria. Las dos fases de un sistema coloidal se distinguen como fase dispersa, que es la formada por las partículas; y fase dispersante, que es el medio en el cual las partículas se hallan dispersas. Ambas fases pueden encontrarse en diversos

estados físicos: partículas sólidas, cristalinas o amorfas, gotas de líquido o como burbujas de gas. Clasificación de los coloides A continuación, se describen distintas clasificaciones para los sistemas coloidales teniendo en cuenta diferentes criterios. Una clasificación muy útil de las dispersiones coloidales se basa en los estados físicos de las partículas coloidales y del medio dispersante. En la tabla Nº 1 se indican los nombres de los distintos tipos de dispersiones coloidales y muestra algunos ejemplos para cada uno de ellos. Fase dispersa

Fase dispersante

Nombre

Ejemplo Gelatina, jaleas,

Sólido

Líquido

Gel o sol

postres, congelados, pastas o purés.

Sólido

Gas

Aerosol

Humos, virus en el aire.

Líquido

Líquido

Emulsión

Leche, crema, mayonesa.

Líquido

Gas

Aerosol líquido

Niebla

Líquido

Sólido

Emulsión sólida

Chocolate, queso, Manteca.

Gas

Sólido

Espuma sólida

Helados, miga de pan.

Gas

Líquido

Espuma líquida

Espuma de cerveza, clara de huevo batido, cremas batidas

Sólido

Sólido

Sol. sólido

Caramelos de azúcar principalmente cristalizados.

Los ejemplos que se incluyen, indican que las fases dispersas se encuentran en numerosos alimentos. Estos, por lo general, no son sistemas coloidales estrictos, porque frecuentemente las partículas que contienen son de gran tamaño, alcanzando varios milímetros y porque están constituidos, a veces, de varias fases e incluso cada fase es, a su vez, heterogénea (por ejemplo, la leche). No obstante, puede ser útil considerar tales alimentos como sistemas coloidales simples dado que muchas de sus propiedades físicas se deben a estos diversos sistemas coloidales: viscosidad, plasticidad, elasticidad, retención de agua, cohesión, incluso el aspecto (por ejemplo, el color de la leche y su opacidad, resultan de una diferencia entre los índices de refracción de la fase dispersa y de la fase dispersante). COLOIDE LIOFÍLICO Y LIOFÓBICO La afinidad de las micelas por el medio dispersante puede ser muy acentuada (liofilia) y bien pequeña o nula (Liofobia). Cuando el medio de dispersión, es el agua, esta propiedad se denomina hidrofilia e hidrofobia. La hidratación de los coloides se debe a, la atracción recíproca que tiene lugar entre las partículas coloidales, cargadas eléctricamente, y las moléculas de agua. En efecto, consideradas éstas como un dipolo con sus cargas positiva y negativa ubicadas una en cada extremidad, al enfrentarse con una micela, también cargada de electricidad, se atraen, mutuamente por sus cargas de signo contrario, hasta llegar a unirse. Este fenómeno de la fijación de agua por las micelas

coloidales

imbibición

o

recibe

gelificación

el y se

nombro

de

demuestra

introduciendo un trozo de gelatina o agar-agar en un recipiente con agua; casi inmediatamente comienza

a

hincharse,

aumentando

sensiblemente su volumen y adquiriendo un aspecto blando y elástico. La pérdida del disolvente por parte de coloides es el proceso inverso a la imbibición se denomina sinéresis. Se debe a que la mayor cantidad de la fase dispersa, en

unión de una pequeña porción del disolvente se deposita en forma de una masa gelatinosa de notable viscosidad; el coloide se separa así de del disolvente, transformándose en una jalea o gel. LIOFÍLICO Los

coloides

partículas

liófilos

amantes

de

son los

solventes. En otras palabras, tienen una alta afinidad por el líquido en el que se dispersan. Cuando

estos coloides se

mezclan con un disolvente adecuado,

surge

una

alta

fuerza de atracción entre las moléculas de disolvente y las partículas

Figura 1: Las encías están compuestas de coloides liófilos

coloidales.

Eventualmente, se forma una solución muy estable, que se llama sol liofilico. Si el disolvente es agua, los coloides liófilos que favorecen el agua se conocen como coloides hidrófilos. Un sol liofílico es altamente estable porque la atracción entre los coloides y el líquido es bastante fuerte. Como los coloides son atraídos por el líquido, la precipitación o la coagulación es mínima. Si se agregan más partículas, puede causar precipitación. Pero el sol estable inicial se puede recuperar agregando más solvente. Por lo tanto, los soles liofílicos tienen una naturaleza reversible. Los ejemplos de compuestos que contienen coloides liófilos incluyen gomas, gelatina, solución de almidón, proteínas, geles, etc. Estos soles liofílicos son muy viscosos y las partículas no son visibles y no se pueden detectar fácilmente.

LIOFÓBICO Los

coloides

solventes

liófobos

son

odian

los

que

coloides. No hay atracción entre los coloides y el líquido. Los coloides

liófobos

son

termodinámicamente inestables. Por lo tanto, estos coloides

tienden

agregados

o

a

formar

precipitarse

cuando se agregan a un líquido.

Figura 2: El hidróxido férrico es liofóbico

Pero la estabilidad se puede aumentar agregando un agente activo de superficie para disminuir la energía interfacial del sistema. Cuando se usa agua como líquido, los coloides liófobos se conocen como coloides hidrófobos. Un sol liofóbico puede prepararse por métodos mecánicos específicos. Por ejemplo, se puede hacer agitación mecánica. Los coloides liófobos precipitan fácilmente o forman agregados cuando se agregan a un líquido. Como no tienen afinidad por el líquido, la precipitación es irreversible. Los ejemplos de coloides liófobos incluyen metales tales como Ag, Au, hidróxidos tales como hidróxido férrico, sulfuros metálicos, etc. LIOFILO

LIOFOBO

El medio dispersor “moja” la superficie

No hay retención apreciable de

de la partícula coloidal que retiene

moléculas del medio dispersor sobre la

sobre ella una película de las

superficie de la película dispersada

moléculas dispersantes. Eventualmente, cada fase puede

Las fases no demuestran solubilidad

disolverse en la otra, dentro de

mutua.

proporciones relativamente altas.

La viscosidad de la solución coloidal

La viscosidad y tensión superficial del

supera a la del medio dispersor puro.

sol no difieren mayormente de la

Por el contrario, la tensión superficial

viscosidad y tensión superficial del

de la solución coloidal disminuye: se

medio dispersante.

forma espuma por simple agitación. La detección de partículas en el

Excelentes imágenes en el

ultramicroscopio es muy pobre.

ultramicroscopio

Los electrolitos los floculan muy

La floculación mediante electrolitos, es

escasa y lentamente.

inmediata y bien apreciable.

Los soles que pierden el medio

Los flóculos no retornan a su condición

dispersor lo reincorporan reincorporan

de sol por incorporación del medio

sin dificultades por simple adición. La

dispersor. La transformación sol-gel es

transformación sol-gel es reversible.

irreversible. Los geles desecados se

Los geles son voluminosos y elásticos

vuelven pulverulentos.

Ejemplos: ovoalbúmina, almidón,

Ejemplos: metales, hidróxidos, sulfuro

gelatina, compuestos orgánicos..

arsenioso, cloruro de plata y en general, compuestos inorgánicos

PREPARACIÓN Existen diferentes técnicas, agrupables en dos grandes categorías: a) Método de dispersión: cuando partículas de tamaño mayor que el coloidal son apropiadamente subdivididas: 

Molienda mecánica: tiene buen resultado en sustancias quebradizas utilizando para ello equipos especiales denominados molinos coloidales. este consiste en una serie de discos separados por espacios muy pequeños que giran a gran velocidad en sentidos opuestos. El medio dispersante se pasa a través del molino junto con las sustancias a dispersar y el agente estabilizante, obteniéndose después de un tiempo la solución coloidal.



Ultrasonido: se realiza con ondas sonoras, de frecuencia superior a la audible, entre 50.000 y 200.000 ciclos/seg



Dispersión eléctrica: se dispone de dos electrodos metálicos muy próximos dentro del agua y se conectan a un circuito apropiado para hacer estallar el arco. Debido a la alta temperatura del metal vaporiza y, súbitamente enfriado, los átomos, se agrupan en micelas.



Peptización: que consiste en la desintegración directa de una sustancia en partículas de dimensiones coloidales mediante un agente agregado que se conoce como agente peptizante.

b) Métodos de condensación: cuando se opera a la inversa asociando partículas primarias (iones, átomos y/o moléculas) hasta sobrepasar el límite inferior de los coloides. El principio esencial de este método es que las sustancias con las cuales se preparan los soles están originariamente en solución verdadera, en estado de iones o moléculas. Como resultado de la reacción química que se efectúa entre ellas, se obtienen partículas insolubles de tamaño coloidal. Las condiciones experimentales deben ser estrictamente controladas. En la preparación de dispersiones coloidales por el método de la condensación se han empleado reacciones químicas de varios tipos; también se ha empleado la oxidación, por ejemplo, una solución acuosa de hidrógeno sulfurado se puede oxidar por oxígeno o por anhídrido sulfuroso para obtener un sol de azufre

PURIFICACIÓN Hay varios métodos para purificar coloides: 

Ultrafiltración:

Las

partículas

coloidales son más grandes que muchas

otras

partículas.

La

ultrafiltración utiliza la fuerza de la gravedad (o, a veces, la agitación) para que las partículas que no se mantienen

en

suspensión

se

filtren por los agujeros diminutos. Estos agujeros son demasiado pequeños para que entren las partículas coloidales, por lo que quedan atrás.



Diálisis: En lugar de utilizar la gravedad, la diálisis utiliza la ósmosis para extraer partículas. La ósmosis es cuando los solutos pasarán de una concentración alta a una concentración baja.

La mezcla coloidal se coloca en un recipiente que tiene una membrana por la que solo pueden pasar las partículas más pequeñas que las

partículas

coloidales.

Rodeando

la

membrana hay agua. Dado que el agua fuera de la membrana tiene una concentración más baja que dentro de la membrana, las partículas se moverán hacia el exterior. Dado que las partículas coloidales son demasiado grandes para moverse, nos quedamos con un coloide puro. 

Ultra centrifugación: La ultra centrifugación hace girar el coloide a velocidades muy altas (hasta casi 10,000 km / s2) y utiliza la propiedad estable de los coloides. Las partículas coloidales se mantienen en solución y

no se sedimentarán incluso con una centrifugación regular. Pero las partículas que no se mantienen en solución se asentarán, dejando solo las partículas coloidales. 

Intercambio iónico: Gracias a que la mayoría de los coloides poseen superficies cargadas, estas cargas son neutralizadas por adsorción de iones de la solución. En ciertos casos lo que nos interesa es asegurarnos que los iones adsorbidos sean todos de la misma clase. Esto se puede hacer por intercambio sobre una resina de cambio iónico cargada con los iones que nos



interesa

adsorber

sobre

el

coloide.

Adsorción competitiva: Fundamentalmente es el mismo procedimiento utilizado en los laboratorios de química

orgánica:

adsorber

impurezas sobre carbón activado. Los químicos de coloides prefieren emplear

tejidos de

fibras

de

carbono, en lugar de carbón en polvo, debido a que es más fácil eliminar

el

carbono

con

las

impurezas adsorbidas. De nuevo, la tela requiere un tratamiento para eliminar todas las impurezas con las cuales pudiera contaminar el coloide.

2.- FLOCULACION La floculación es un proceso químico mediante el cual, con la adición denominadas

de

sustancias floculantes,

se

aglutinan las sustancias coloidales presentes en el agua, facilitando de esta forma su decantación y posterior filtrado. Es un paso del proceso de potabilización de aguas de origen superficial y del tratamiento de aguas servidas domésticas, industriales y de la minería. Los compuestos que pueden estar presentes en el agua pueden ser: 

Sólidos en suspensión;



Partículas coloidales (menos de 1 micra), gobernadas por el movimiento browniano



Sustancias disueltas (menos que varios nanómetros).

El proceso de floculación es precedido por la coagulación, por eso se suele hablar de los procesos de coagulación-floculación. Estos facilitan la retirada de las sustancias en suspensión y de las partículas coloidales. Los factores que pueden promover la coagulación-floculación son el gradiente de la velocidad, el tiempo y el pH. El tiempo y el gradiente de velocidad son importantes al aumentar la probabilidad de que las partículas se unan y da más tiempo para que las partículas desciendan, por efecto de la gravedad, y así se acumulen en el fondo. Por otra parte, el pH es un factor prominente en acción desestabilizadora de las sustancias coagulantes y floculantes.

COALESCENCIA Según describe la RAE la coalescencia es la propiedad de las cosas de unir o fundirse. En el campo de la

aireación

para

el

tratamiento de agua, la coalescencia fenómeno

es que

el se

ocasiona cuando se unen las

burbujas

de

aire

mientras éstas atraviesan el fluido del agua Causantes Para que la coalescencia se produzca es necesario que éstas estén contacto. Los siguientes factores afectan a este contacto: 

Dimensiones de las burbujas – Burbujas de grandes volúmenes facilitan el contacto entre ellas dando como resultado el fenómeno de la coalescencia.



Separación entre difusores – Al aumentar la distancia entre difusores se dificulta en gran medida la capacidad que tienen las burbujas producidas por un difusor de impactar con las producidas por otro difusor.



Altura de la lámina de agua – A medida que las burbujas suben tienen tendencia a formar una columna de aire siendo muy pequeña la separación entre estas y por lo tanto facilitando la coalescencia.

3.- POTENCIAL Z El potencial Zeta es el potencial eléctrico que existe en el plano de corte de la partícula, con una distancia corta de la superficie. Las

partículas

coloidales

dispersas en una solución están cargadas eléctricamente gracias a sus características iónicas y características de bipolaridad. El desarrollo de una red de carga eléctrica en la superficie de la partícula puede afectar la distribución de iones en una región interfacial vecina, y provocar un aumento de la concentración de iones contados (iones de carga contraria a las partículas) cerca de la superficie. Cada partícula dispersa en una solución se rodea de iones cargados con carga opuesta que se denomina capa fija. Fuera de esta capa fija, existen distintas composiciones de iones de polaridad opuesta, formando un área nebulosa. De esta manera se crea una capa doble eléctrica en la región de interface partícula- liquido. La capa doble consiste en dos partes: una región interna que incluyen iones unidos fuertemente a la superficie y una externa, o región de difusión donde la distribución de iones se determina por un balance de fuerzas electrostáticas y movimiento termal aleatorio. Cuando se suministra un voltaje a una solución con partículas dispersas, las partículas son atraídas por el electrodo de polaridad opuesta, acompañados de la capa fija y parte de la capa doble difusa. El potencial en el límite entre la unidad, en el plano mencionado de corte, entre la partícula con su atmósfera iónica y el medio que le rodea, se denomina potencial zeta. El potencial zeta es una función de la

superficie cargada de una partícula, cualquier capa adsorbida en la interface y la naturaleza y composición del medio en el que la partícula está suspendida Su medición aporta información detallada de las causas de la dispersión, agregación o floculación, y se puede aplicar para mejorar la formulación de dispersiones, emulsiones y suspensiones.

4.- COLOIDE PROTECTOR Los coloides protectores pueden utilizarse como agentes estabilizadores en la polimerización por emulsión.

Los compuestos solubles en agua con alto peso

molecular, tales como el alcohol poli viníl, se utilizan comúnmente como coloides protectores. Se pueden utilizar parámetros de coloide protector, tales como la viscosidad y el grado de saponificación (que influencia la densidad del coloide protector) ...