Suspensiones coloidales

Transcripción

1 LOGO Suspensiones coloidales Prof. Arnoldo González

2 Suspensiones coloidales 1 Términos básicos 2 Coloides. Propiedades. Tipos 3 Formación de Precipitados 4 Importancia de los coloides 2

3 Términos básicos Mezcla: combinación de dos o más sustancias en la cual las sustancias conservan sus propiedades características. Mezcla homogénea: su composición es la misma en toda la disolución. Mezcla heterogénea: su composición no es uniforme. Fase dispersa: componente de la mezcla que se disgrega en otro. Fase dispersante: componente de la mezcla que sirve de medio para que otro se aloge en el. 3

4 Tamaño de Partículas < 2 nm >2 nm < 2000 nm > 2000 nm Átomos, iones y moléculas. SOLUCIONES Macromoléculas a pequeñas partículas COLOIDES Precipitado MEZCLAS HETEROG. 4

5 Diferencias entre soluciones y coloides Solución Suspensión coloidal Átomos, iones o moléculas No visibles al microscopio electrónico Estables a la fuerza de gravedad No filtrable Partículas coloidales Visibles al microscopio electrónico Pueden sedimentarse con el tiempo Filtrable Intenso movimiento cinético Movimiento browniano No dispersan la radiación visible Efecto sobre las propiedades coligativas Dispersan la radiación visible (Efecto Tyndall) Afecta solo la presión osmótica. 5

6 Coloides Los coloides son sistemas en los cuales uno o más de sus constituyentes tiene dimensiones en el rango de los nanómetros (10 9 m) a los micrometros (10 6 m), es decir, sistemas que contienen desde macromoléculas a pequeñas partículas. El adjetivo de microheterogéneo provee una apropiada descripción de muchos sistemas coloidales. Shaw, 1992, Introduction to Colloid and Surface Chemistry 6

7 Coloides 1. Tamaño de Partícula Clasificación 2. Naturaleza de los componentes 3. Afinidad por el solvente 7

8 Clasificación de los sistemas coloidales Tamaño de partícula 1. Sistemas coloidales: suspensiones de sustancias insolubles en forma de partículas. Son inestables debido a la alta energía libre interfacial y son sistemas irreversibles, en el sentido de que una ves separadas las fases, no son fácilmente reconstituidas. 2. Soluciones de macromoléculas: son soluciones verdaderas de moléculas, tan grandes o complejas, que quedan dentro del intervalo coloidal. Son termodinámicamente estables y reversibles. 3. Coloides de asociación: consisten en soluciones de sustancias solubles, de relativo bajo peso molecular, las cuales para una concentración particular, según sea el caso, se asocian formando agregados de tamaño coloidal. Shaw, 1992, Introduction to Colloid and Surface Chemistry 8

9 Clasificación de los sistemas coloidales Nombre Aerosol líquido, espuma Aerosol sólido, espuma sólida Medio de suspensión (fase dispersante) Partícula coloidal (fase dispersa) Ejemplos Gas Líquido Pintura en aerosol, nubes, spray, crema batida. Gas Sólido Húmo, piedra pómez Emulsión Líquido Líquido Leche, mayonesa, crema para las manos Sol, Gel Líquido Sólido Gelatinas, pinturas, aceite de ballena Espuma líquida, aerosol líquido Líquido Gas Ponche, espuma para rasurar, nubes de lluvia, Emulsión sólida Sólido Líquido Queso, mantequilla, crema para la cara Solsólido Sólido Sólido Perlas, esmaltes, cristal rubí Aerosol sólido, espuma sólida Naturaleza de los componentes Sólido Gas Piedra pómez, cristales de hielo en una nube fría. 9

10 Clasificación de los sistemas coloidales Afinidad por el solvente Sistemas Liofilílicos y Liofóbicos El termino liofílico (afín al solvente) y liofóbico (poca afinidad con el solvente) son frecuentemente usados para describir la tendencia de una superficie o grupo funcional a ser humedecido o solvatado. Si el solvente es agua, se emplean los términos hidrofílico e hidrofóbico. Bristol Colloid Centre, 2005, Colloid Science Las suspensiones hidrofílicas se forman espontáneamente y son estables. Por ejemplo los ácidos húmicos y fúlvicos en medio acuoso. Las suspensiones hidrofóbicas, en general son inestables. Por ejemplo dispersión de pequeñas partículas óxidos metálicos en agua. Domènech et al, 2006, Química ambiental de sistemas terrestres 10

11 Suspensiones coloidales Definición Es un sistema bifásico consituido por un medio de dispersión líquido, que contiene en su seno partículas muy finas, de diámetro comprendido entre 10 9 y 10 5 m, que constituyen la fase dispersa. 11

12 Suspensiones coloidales. Propiedades Movimiento browniano Este comportamiento fue observado en 1827 por el botánico inglés Robert Brown en partículas de polén suspendidas en un líquido, que al microscopio, presentaba un movimiento aleatorio en zigzag. Este movimiento es debido al hecho de que los impactos aunados de las moléculas que se encuentran a los lados de una partícula pequeña no siempre se anulan con exactitud. El movimiento browniano es una confirmación visual del movimiento cinético casual de las moléculas. Daniels y Alberty, 1963, Fisicoquímica 12

13 Suspensiones coloidales. Propiedades Efecto Tyndall Es una propiedad óptica de los coloides y consiste en la difracción de los rayos de luz que pasan a través de un coloide. Fue investigado por J. Tyndall en La luz transmitida era rojiza aunque la radiación incidente fuese blanca. Rayleigh, demostró en 1899, que la intensidad de la luz dispersada por partículas isotrópicas pequeñas, es inversamente proporcional a la cuarta potencia de la longitud de onda de la luz utilizada. Daniels y Alberty, 1963, Fisicoquímica 13

14 Suspensiones coloidales. Propiedades Efecto Tyndall 14

15 Suspensiones coloidales. Propiedades Adsorción de iones La superficie sólida expuesta a la solución de un electrolito, se carga, ya sea positivamente o negativamente, con respecto al seno de la solución. Para los sólidos, de magnitud ordinaria, este efecto pasa desapercibido. Pero en el caso de los sólidos de tamaño coloidal, cuyas áreas específicas (esto es cm 2 g 1 ) son elevadas (típicamente entre 2x10 4 y 2x10 6 cm 2 g 1 ), este fenómeno en muchos casos determina el comportamiento de las partículas. Skoog y West, 2002, Introducción a la química analítica 15

16 Suspensiones coloidales. Propiedades CoagulaciónPeptización Exceso Fase líquida Fase Sólida NO 3 Na NO 3 H NO 3 Na NO 3 Ag H NO NO 3 3 NO 3 Ag NO Ag Ag Ag 3 Ag Cl Ag Cl Ag Cl Ag Cl Ag Cl Ag Cl Ag Cl Ag Cl Ag Cl Ag Cl Ag Solución homogénea Capa de contraiones Iones adsorbidos 16

17 Suspensiones coloidales. Propiedades 17 CoagulaciónPeptización Coagulación Peptización Aumentar la temperatura Aumentar la fuerza iónica Lavado con agua

18 Suspensiones coloidales. Estabilidad Para alcanzar estabilidad en el tiempo de la dispersión, como en productos farmaceúticos, cosmeticos y alimenciios. La solución podrá ser termodinámicamente estable cuando la energía libre de floculación (ΔF floc. ) es positiva. ΔF floc. Esta dada por: ΔF floc. = ΔU floc. TΔS floc. Donde ΔUfloc. y ΔSfloc. son la energía y entropía de floculación respectivamente y ambas cantidades son negativas. En la práctica, sin embargo, estabilidad cinética es suficiente. Bristol Colloid Centre, 2005, Colloid Science 18

19 Suspensiones coloidales. Estabilidad Sedimentación Si las partículas de una dispersión son lo suficientemente grandes y densas, se van asentando bajo la acción del campo gravitacional de la tierra. La velocidad a la que se sedimentan, es la velocidad a la cual la fuerza de gravedad esta exactamente balanceada por la fuerza de fricción de la partícula que se está moviendo a través del medio de suspensión. (Daniels y Alberty, 1963, Fisicoquímica) Equilibrio de sedimentación en la gravedad terrestre Nelson et al, 2005, Física biológica: Energía, Información, Vida 19

20 Suspensiones coloidales. Estabilidad Sedimentación La mioglobina es una proteína globular, de masa molar m g mol 1. La corrección del empuje reduce típicamente m a m neta a 0,25m. Así, en un tubo de ensayo de 4 cm, en equilibrio, la concentración en la parte superior es igual al 99,9% la de la parte inferior, en otras palabras, la suspensión nunca llega a sedimentarse. Las macromoléculas como el ADN y las proteínas solubles en agua, forman suspensiones coloidales; otro ejemplo, son los granos de polen observados por Robert Brown. Si m neta es grande (como lo es para los granos de arena) la densidad en la parte superior sería esencialmente nula: la suspensión se sedimenta. Para que haya sedimentación, la diferencia de energía potencial gravitatoria m neta gh entre la parte superior y la inferior debe ser mayor que la energía térmica. 20

21 Importancia de los coloides Suelos Farmacia Medicina Coloides Petróleo Alimentos 21

22 Importancia de los coloides Sistemas alimentarios donde se desea su estabilidad Jugos y Néctares Mermeladas y jaleas Emulsiones: mayonesa, leche, mantequilla, helados 22

23 Importancia de los coloides Sistemas alimentarios donde no se desea su estabilidad Jugos clarificados Derivados lácteos Eliminación de espumas 23

24 Importancia de los coloides Coloides del suelo Material arcilloso (silicatos laminares y óxidos metálicos) Materia orgánica (ácidos húmicos y fúlvicos) Le dan estructura y estabilidad frente a excesos de agua. Actúa como resinas de intercambio iónico, evitando que los iones se pierdan por lavado y permanezcan biodisponibles a las plantas. Retiene humedad. 24

25 LOGO

26 Presión osmótica Por ejemplo, una solución acuosa que contiene 10 g L 1 de una sustancia de M = mostrará un abatimiento en el punto de congelación de 0,001 ºC, una elevación del punto de ebullición de 0,00025 ºC, pero una presión osmótica de 128 mm de agua. Daniels y Alberty, 1963, Fisicoquímica 26