Tema 10. Sistemas Coloidales y Estabilidad PDF

Preview

Summary

temario de diapositivas...

Description

Tema 10. Sistemas Coloidales y estabilidad. Sistemas coloidales. Clasificación de sistemas coloidales. Estabilidad y agregación de macromoléculas y coloides.

Sistemas coloidales. Un sistema coloidal es una mezcla inhomogénea de dos fases. Se trata de un sistema complejo en el que una determinada fase homogénea se encuentra dispersa en otra. Ello implica que existen una serie de dominios o partículas llamadas coloidales de naturaleza homogénea pero que se encuentran imbricados en otra fase, también homogénea.

El régimen coloidal se corresponde a tamaños de partícula o dominio coloidal comprendido entre 1 y 1000 nm. Muchos autores reducen el regimen coloidal a 500 nm, por ser la longitud de onda característica de la luz visible. La razón de ello es que una dispersión coloidal dispersa la luz visible, esto es, presentan turbidez. Este fenómeno se denomina Efecto Tindall y es un indicativo de que el material que lo presenta es inhomogéneo y por tanto que presenta características coloidales.

Clasificación de los Sistemas coloidales. La clasificación tradicional de los sistemas coloidales se refiere a las dos fases involucradas en la dispersión:

Fase dispersa

Fase dispersante

Nombre

Ejemplo

Sólido

líquido

Sol

Nanopartículas de oro dispersas en agua

Sólido o líquido

gas

Aerosol

Humo

Gas

líquido

Espuma

Espuma de mar

Gas

sólido

Espuma sólida

Piedra pómez

Líquido

líquido

emulsión

Leche

Líquido

sólido

Gel (matriz semirígida)

Gelatina

Los sistemas coloidales se clasifican también en función de su interacción con el disolvente: liofílicos (si atraen moléculas de disolvente) y liofóbicos (si repelen moleculas de disolvente). Términos equivalentes en el caso de que el disolvente sea el agua son hidrofílicos e hidrofóbicos.

Estabilidad de los sistemas coloidales. Es un hecho característico de la mayoría de los sistemas coloidales que son termodinámicamente inestables. Esto significa que la energía libre (Tema 3) del sistema disperso (inhomogéneo, o coloidal) suele ser superior a la del sistema homogéneo. La formación de un sistema coloidal imprica la creación de una interfase, un área interfacial. Esto supone la aplicación de un trabajo (ecuación (2.15) del Tema 2), lo cual conduce a un incremento de energía libre igual a:

dG = dA

(10.1)

donde σ es la tensión interfacial correspondiente a las dos fases dispersadas y dA es el área creada. La creación de una interfase (dA > 0) implica pues un incremento de la energía libre (d G > 0) y por tanto que el sistema es termodinámicamente inestable con respecto a la fase homogénea. Sin embargo es un hecho experimental bien conocido que muchos sistemas coloidales son capaces de “sobrevivir” en fase dispersa. La razón de ello es que existen fuerzas repulsivas entre las partículas coloidales que mantienen el sistema estable cinéticamente. Esto significa que el proceso de agregación inducido por la termodinámica se vuelve tan lento que es posible disponer de un coloide disperso en condiciones efectivas de trabajo.

Estabilidad de coloides liofóbicos. Teoría DLVO. La teoría de la estabilidad de coloides liofóbicos fue desarrollada por Derjaguin, Landau, Verwey y Overbeek en los años cuarenta (teoría DLVO). Damos a continuación una versión simplificada de esta teoría. La teoría DLVO establece que la energía potencial de interacción entre dos partículas coloidales es la suma de dos contribuciones, una atractiva y otra repulsiva:

V DLVO=V atrac V repul

(10.2)

La parte repulsiva de esta interacción corresponde a las cargas eléctricas que las partículas coloidales suelen tener cuando se encuentran dispersas. La existencia de estas cargas eléctricas produce una repulsión culómbica que se encuentra en la práctica apantallada (Tema 9) como consecuencia de la existencia de iones en disolución que se disponen entorno a la partícula coloidal, dando lugar a una atmosféra iónica.

+

- ++ + + - + + + - + + + - +

+ - + + - + + ++ - + - + - ++ + + ++ ++ -+ + + - + ++ + + + + + + - -+ + - +

- - - ------

- - - ------

Una expresión aproximada que nos permite calcular el valor de esta interacción repulsiva para partículas coloidales esféricas de radio a, separadas una distancia r, en el caso de que la atmósfera iónica sea suficientemente gruesa, es 2

2

Z eff e − V repul = e 4r

D

s

(10.3)

donde Zeff es una carga coloidal efectiva en unidades de la carga del electron e (puede ser aproximada por la carga real en algún caso práctico), ε es la constante dieléctrica del disolvente, s es la distancia entre las superficies de las partículas coloidales ( s = r – 2a) y kD es la constante de Debye introducida en el Tema 9. En ocasiones, en lugar de la carga coloidal efectiva, el dato del que se dispone para un determinado tipo de partículas coloidales el potencial de superficie, también llamado potencial zeta. La carga coloidal se puede obtener de forma aproximada a partir del potencial zeta de forma aproximada a través de la expresión:

Z eff e=4  a s

(10.4)

donde 4πεa se corresponde con la capacidad eléctrica de una esfera de radio a. La carga coloidal depende de las características superficiales de la partícula coloidal y del disolvente. En muchos casos, como es el de las proteínas en disolución acuosa, depende del pH. En el llamado punto isoeléctrico, la carga superficial es cero. Por otro lado la interacción atractiva es debida a las fuerzas tipo van der Waals que experimentan las partículas entre sí. Esta interacción puede ser calculada de forma aproximada a través de la siguiente expresión para partículas esféricas de radio a

V repul =

−Aa 12 s

(10.5)

donde A es la llamada constante de Hamaker. Es un parámetro característico de cada tipo de partícula coloidal y se mide en unidades de energía. La actuación conjunta de las fuerzas atractivas y repulsivas en un sistema coloidal determinan si este va a ser estable o no. Las primeras son constantes y sólo dependen del tamaño y naturaleza de las partículas coloidales. Las segundas dependen de la fuerza iónica del medio a

través de la constante de Debye. El éxito fundamental de la teoría DLVO es explicar por qué los sistemas coloidales coagulan cuando se añade suficiente cantidad de sal....