SISTEMAS COLOIDALES en FARMACIA

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1 Capítulo 3 Emulsiones y Espumas SISTEMAS COLOIDALES en FARMACIA c Dr. Licesio J. Rodríguez sistemas.coloidales@gmail.com - Departamento de Química física - Facultad de Farmacia - Campus Miguel de Unamuno - Universidad de Salamanca 4 de diciembre de Área superficial Para una sustancia, de densidad ρ 2, pulverizada en pequeñas partículas esféricas de radio R, la relación Área/Masa crece proporcionalmento al inverso del tamaño de partícula: Área Masa = N A 2 N V 2 ρ 2 = 4πR2 4 3 πr3 = 3 R ρ 2 = 6 d ρ 2 (3.1) donde N es el número de partículas y d = 2R. La relación anterior es aplicable a otras formas geométricas. Se pone de manifiesto la importancia del área superficial en los sistemas coloidales Energía superficial La interfase acumula energía como consecuencia de que la distancia intermolecular es ligeramente superior que la distancia intermolecular de equilibrio, que es la que existe entre las moléculas del interior de la fase. Incrementar el área superficial (interfacial) requiere un trabajo 13

2 Curso Sistemas Coloidales en Farmacia que el sistema incorpora en forma de energía libre superficial (interfacial): dg = V dp SdT + γda ( ) G γ = A p,t (3.2) donde γ es la tensión superficial, que se expresa como energía por unidad de área: ( J ), o fuerza m 2 por unidad de longitud: N m. Valores de tensión superficial líquido-vapor y de tensión interfacial líquido-líquido para algunas sustancias se exponen en la Tabla 2. La tensión superficial disminuye TABLA 2. Tensión superficial e interfacial (frente a agua) a 20 o C Sustancia γ superficial γ interfacial / mnm 1 / mnm 1 Agua 72 - Glicerina 63 - Ácido oleico Aceite de Oliva n-octano Éter con la temperatura y se anula en las proximidades del punto crítico. Existen diversos métodos para medir la tensión superficial de líquidos. Uno de los más simples y utilizados es el que se basa en el uso del estalagmómetro 1. En este procedimiento se hace gotear el líquido por el extremo de un tubo capilar (estalagmómetro) de radio, r. Un simple balance de fuerzas establece que la gota se forma y es liberada cuando se alcanza la siguiente relación: 2πrγ = fm gota g (3.3) donde f es un factor de corrección que tiene en cuenta las rugosidades del extremno del capilar. Si se hace gotear un determinado volumen de líquido, V, computándose n gotas, la masa de cada gota es: m gota = v gota ρ = V n ρ (3.4) donde ρ es la densidad del líquido en cuestión. Cuando se compara el número de gotas producidas por sendos líquidos, 1 y 2, con el mismo estalagmómetro, se obtiene la relación: γ 1 γ 2 = n 2ρ 1 n 1 ρ 2 (3.5) Conociendo γ 1, ρ 1, y ρ 2, y determinando experimentalmente n 1 y n 2, se puede obtener el valor de la tensión superficial del líquido 2, γ 2. En el interior de pequeñas gotas (o burbujas) esféricas, la presión es mayor que en el exterior. Este fenómeno resulta crucial a la hora de interpretar y comprender la estabilidad de emulsiones y espumas, sistemas constituídos por pequeñas gotas de líquido o burbujas de gas dispersas en un medio continuo, por lo que su estudio precederá al análisis de estos tipos de sistemas coloidales. 1 Del griego, stalagma, gota 14

3 Sistemas Coloidales en Farmacia Curso Presión de curvatura Para una gota, considerada esférica con radio r, en equilibrio, la tendencia a la expansión se encuentra compensada tanto por la compresión que sobre ella ejerce el medio exterior como por la energía superficial, es decir: de donde se deduce: dw exp = dw comp + dw sup p exp dv = p int dv + γda (3.6) p int p ext = γ da dv = γ 8πrdr 4πr 2 dr = 2γ r En general, para cualquier superficie: ( 1 p int p ext = γ + 1 ) (3.8) r 1 r 2 donde r 1 y r 2 son los radios de curvatura. Esta expresión se conoce como ecuación de Young- Laplace 2 A modo de ejemplo ilustrativo, para una gota de agua, (γ = N m 1 ), de radio r, a 25 o C: (3.7) p = N m 1 r 1,00atm 1, N m 2 = 1, atm r/m (3.9) Presión en el interior de una gota de agua de radio r r/m p/atm 1, , , , , ,142 1, ,42 1, , Presión de vapor de gotas El equilibrio líquido-vapor queda afectado por la curvatura de la interfase: µ L = µ V (3.10) dµ L = dµ V (3.11) V L dp L S L dt = V V dp V S V dt a T constante, dt = 0 (3.12) 2 Thomas Young ( ), notable físico británico Pierre Simon, marqués de Laplace ( ), insigne matemático francés 15

4 Curso Sistemas Coloidales en Farmacia pgota(r) p V L dp L = p p p = exp 2γV L rrt expresión que recibe el nombre de ecuación de Kelvin 3 p V V dp V (3.13) V L (p r p ) = V L 2γ r = RT ln p p (3.14) Para gotas, r > 0 resulta p > p. Para burbujas, r < 0, por lo que p < p. p p p = exp 2γV L rrt 1 2γV L rrt ya que (3.15) (3.16) exp (x) 1 + x 1! + x2 2! + (3.17) Como Ejemplo, si se trata de agua, a 25 o C, p p 2γV L RT = 2γV L rrt (3.18) 0,144 J m m3 mol 8,31 J mol K 298 K 1, m (3.19) Presión de vapor en gotas y en burbujas de agua r/m p/p p/p (gotas) (burbujas) 1, ,1 % 0,1 % 1, % 1 % 1, % 10 % En las superficies convexas (gotas) aumenta la presión de vapor, es decir, los líquidos finamente pulverizados se vaporizan con mayor rapidez. De modo equivalente, la pulverización de un sólido incrementa la velocidad de su disolución en un disolvente. De modo contrario, en las superficies cóncavas (burbujas) la presión de vapor disminuye, es decir, los líquidos hierven con mayor facilidad y los vapores condensan antes en las superficies con pequeños huecos que el las superficies más pulidas Ángulo de contacto y capilaridad La humectación es la capacidad que un líquido posee de extenderse sobre una superficie. El mayor o menor grado de extensión viene determinado por el ángulo de contacto. γ 1 + γ 3 cos θ = γ 2 cos θ = γ 2 γ 1 (3.20) γ 3 3 William Thompson, Lord Kelvin ( ), renombrado físico y matemático británico. 16

5 Sistemas Coloidales en Farmacia Curso Figura 1. Ángulo de contacto y formación de meniscos Un ángulo de contacto, θ < 90 o, indica que el líquido moja. En caso contrario existe repelencia entre el líquido y la superficie. La superficie curva en la zona de contacto se denomina menisco. La formación de meniscos en el interior de capilares determina la aparición de concavidades o convexidades en las que la presión a ambos lados de la interfase no es la misma, en virtud de lo establecido en la Ley de Young-Laplace. Esta diferencia de presión impulsa al líquido a fluir a través del capilar, fenómeno que recibe el nombre de capilaridad. p = ρ g h = 2γ r = 2γ cos θ R (3.21) Figura 2. Presión de la columna capilar La medida de la presión capilar puede ser útil en la determinación de ángulos de contacto (porosimetría). Figura 3. a) Humectación y adhesión entre partículas, b) Repelencia frente al agua, c) Flotación. La formación de meniscos en torno a pequeñas partículas en suspensión, permite interpretar fenómenos tales como la adhesión entre partículas, la repelencia al líquido de un retículo (tejido, pelo, plumas, etc.) o la flotación de partículas de sólidos finamente divididos. 17

6 Curso Sistemas Coloidales en Farmacia 3.6. Emulsiones Una emulsión es una suspensión suficientemente estable de pequeñas gotas de un líquido en otro líquido con el que es inmiscible. La estabilidad de estos sistemas puede abarcar desde días hasta varios años. Dependiendo del tamaño de las partículas de la fase dispersa las emulsiones pueden ser: macroemulsiones o microemulsiones. En las primeras el tamaño de la gota se encuentra entre 0,2 y 50 µm, siendo, por ello, visibles al microscopio. En el otro tipo, en las microemulsiones, el tamaño de la gota es mucho más pequeño, entre 10 y 200 nm. Si el tamaño de la gota es del orden de 1 µm la emulsión presenta un aspecto blanco lechoso, si el tamaño está entre µm, blanco-azulado; µm, gris semitransparente; 0.05 µm, transparente. Dos líquidos puros inmiscibles no pueden formar una emulsión. Para que tal suspensión sea cinéticamente estable debe participar un tercer componente, llamado emulgente, que estabilice la interfase. Este componente es, generalmente, un tensioactivo, aunque otros agentes, como sólidos finamente divididos, por ejemplo, pueden también producir el efecto de emulsificación. El emulgente es, además, en la mayor parte de los casos, una mezcla de sustancias. Las emulsiones pueden ser de dos tipos atendiendo a la naturaleza de la fase dispersa: de aceite (fase orgánica) en agua (o/w) y de agua en aceite (w/o). La emulsión que preferentemente se forma en cada circunstancia depende primordialmente de la naturaleza del emulgente. En general, la formación de emulsiones o/w se produce con la intervención de emulgentes más solubles en agua que en la fase orgánica, mientras que las emulsiones w/o se forman preferentemente con emulgentes más solubles en la fase orgánica que en el agua. A este principio se le conoce como Regla de Bancroft (1913). Un tipo de emulsión puede, sin embargo transformarse en el otro mediante una modificación conveniente de las condiciones. A esto se le llama inversión de la emulsión. El tipo de emulsión puede fácilmente establecerse ya que 1) Una emulsión se diluye de modo espontáneo en el líquido que constituye la fase continua; 2) Las emulsiones o/w presentan conductividad eléctrica similar a la de la fase acuosa, las w/o no conducen la corriente de modo significativo; 3) Una emulsión puede teñirse mediante el uso de un colorante soluble en el líquido que constituye la fase continua; 4) Una gota de emulsión o/w humedece ampliamente el papel de filtro, produciendo una mancha de contorno amplio y extendido; esto no se produce con una emulsión w/o. Figura 4. Emulsificación por partículas pulverizadas. El medio de dispersión es el que presenta un menor ángulo de contacto (Regla de Bancroft) Estabilidad de las emulsiones. El término estabilidad, como se ha dicho, se usa en este contexto como resistencia de las gotas a la coalescencia. Cuando se produce la flotación o sedimentación de las gotas como consecuencia de la diferencia de densidad entre las fases, sin crecimiento del tamaño de las gotas, normalmente no se habla de destrucción de la emulsión sino de floculación. La redispersión del sistema puede conseguirse nuevamente sin dificultad. La 18

7 Sistemas Coloidales en Farmacia Curso velocidad del proceso de coalescencia es la única medida de la estabilidad de la emulsión. Puede seguirse determinando el número de gotas en función del tiempo. Esta velocidad depende, entre otros, de los factores siguientes: 1) la naturaleza del recubrimiento interfacial; 2) la existencia de barreras electrostáticas en la interfase que previenen el contacto entre gotas; 3) la viscosidad de la fase continua; la distribución del tamaño de gotas; 4) la temperatura Espumas La espuma se produce al hacer burbujear aire o cualquier otro gas por debajo de la superficie de un líquido que se expande para encerrar dicho gas en celdas separadas por láminas de líquido. Estas láminas son pequeñas películas de líquido con caras aproximadamente paralelas, que se curvan cuando dos o tres de estas láminas se juntan, formando superficies cóncavas hacia el gas, denominadas bordes de Plateau 4. La existencia de estas concavidades hace que la presión del hueco de líquido entre las celdas sea menor que la del líquido entre caras paralelas (Young - Laplace), lo que produce el flujo de líquido hacia estas zonas, denominado escurrimiento; esta es una de las principales causas de la destrucción de la espuma. El líquido también escurre impulsado por la presión hidrostática, lo que produce láminas más finas en las partes superiores de la espuma que en la base. El espesor crítico que hace desaparecer la lámina está alrededor de los 5-10 nm. Los líquidos puros no producen espuma. La espuma tampoco se produce en mezclas de sustancias de similares propiedades (i.e. disoluciones acuosas de sustancias hidrófilas). las burbujas de gas introducidas debajo de la superficie de un líquido puro se rompen de inmediato al contacto entre ellas. Para conseguir verdaderamente la formación de espumas es necesaria la participación de un soluto que pueda adsorberse en la interfase L/G, con la consiguiente formación de capas monomoleculares a cada lado de la lámina. Estas capas adsorbidas proporcionan al sistema la capacidad de resistencia al excesivo adelgazamiento de la película, en forma de elasticidad. Las espumas pueden clasificarse en persistentes y transitorias. En las primeras el mecanismo contra la ruptura de las láminas hace que el tiempo de vida media sea de horas o días. En las transitorias dicho mecanismo es muy débil y la duración es de segundos. Figura 5. Superficies de Plateau en la intersección de tres burbujas. Debido a la curvatura, la presión del líquido en A es menor que en B, favoreciendo el escurrimiento de líquido y la destrucción de la espuma Factores que determinan la persistencia de la lámina. La existencia de elasticidad es condición necesaria para una espuma persistente. Los mecanismos que pueden retardar la ruptura de las láminas son varios; algunos se citan a continuación. 4 Joseph Plateau ( ), físico belga. 19

8 Curso Sistemas Coloidales en Farmacia Escurrimiento del líquido. Este puede ocurrir impulsado por dos factores: gravedad y tensión superficial. El escurrimiento por gravedad es de importancia en las láminas gruesas, como las que se forman en los primeros instantes de la espuma. El escurrimiento por tensión superficial toma importancia a medida que la láminas van adelgazándose. En este contexto la viscosidad del líquido que constituye la espuma representa un factor esencial determinante de la velocidad con que el líquido fluye a través de los canales durante este proceso. Como ya se ha indicado, el escurrimiento por tensión superficial viene impulsado por la diferencia de presión capilar que se establece en las zonas de diferente curvatura de la lámina (bordes de Plateau) Difusión del gas a través de las láminas. Otro factor importante que determina la estabilidad de una espuma es la velocidad con que el gas difunde a través de la lámina que separa una y otra burbuja. La presión en el interior de las burbujas pequeñas es mayor que la de las grandes; en consecuencia las burbujas grandes crecen a costa de las pequeñas. Este crecimiento termina cambiando el aspecto de la espuma con el tiempo. Una espuma diluida, formada por burbujas de pequeño tamaño, evoluciona hacia una espuma concentrada, con burbujas grandes que se empaquetan formando grandes burbujas poliédricas con caras poligonales. Esto incrementa la curvatura en los bordes de Plateau con lo que aumentan las fuerzas que producen el escurrimiento por tensión superficial a través de estos bordes. Este crecimiento puede también producir cierta reorganización entre las burbujas, lo que a veces lleva a la ruptura de las láminas en algunos puntos, debido a las tensiones. El valor del coeficiente de permeabilidad del gas a través de las láminas. La experiencia indica que esta transferencia tiene lugar a través de los poros que abren las moléculas del tensioactivo. Un alto empaquetamiento de estas moléculas (alta concentración) disminuye la posibilidad de esta transferencia. En este sentido, también, tensioactivos con cadena larga presentan mayor resistencia a la transferencia del gas que los tensioactivos con cadena más corta. Asimismo, el menor tamaño del grupo hidrófilo produce un poro más pequeño e incrementa la resistencia a la permeabilidad Viscosidad superficial. Si la viscosidad del líquido en la superficie es muy alta puede dificultarse el cierre de los puntos de ruptura por adelgazamiento por parte de más disolución de tensioactivo, al tardar más tiempo en el transporte Existencia de la doble capa eléctrica. Otro factor que previene del excesivo adelgazamiento de las láminas es, por ejemplo, la repulsión electrostática entre las cargas eléctricas de los grupos iónicos del tensioactivo a ambos lados de la lámina. Este efecto permite la existencia de películas muy delgadas ( 0,2 µm). En este sentido, la adición de electrolito a una espuma produce la neutralización de esta doble capa y la consiguiente destrucción de la espuma Agentes antiespumantes. Los agentes destructores de espuma ejercen su acción reemplazando las sustancias formadoras de capas tensioactivas elásticas por otras sustancias formadoras de capas rígidas y, por lo tanto, más frágiles. Tienen que tener, por tanto, tensión superficial suficientemente pequeña para que puedan extenderse sin dificultad al mismo tiempo que tener mucha tendencia a acumularse en la superficie, es decir, tener baja solubilidad en la disolución del agente espumante. En este contexto cabe destacar dos tipos de agentes antiespumantes: destructores de espuma e inhibidores de espuma. Los destructores de espuma actúan, generalmente, reduciendo excesivamente la tensión superficial en algunas zonas, de modo que se provoca el adelgazamiento hasta la ruptura (etil éter, isoamil alcohol, etc). Los agentes inhibidores de espuma, como su nombre indica, previenen su formación eliminando la elasticidad de las láminas. esto se consigue añadiendo sustancias con tensión superficial independiente de la expansión o compresión de la lámina. Se sustituye así la capa monomolecular elástica por otra más empaquetada y menos deformable que produce la ruptura con facilidad (sales cálcicas de ácidos grasos de cadena larga, polisiliconas, etc.). 20