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Sistemas coloidales
Tito Adabel Pérez Felipe
Dr. Miguel Ángel Velázquez Manzanares
05 de febrero de 2013
UNIVERSIDAD DELPAPALOAPAN
Índice
Sistemas coloidales
1.- Clasificación y características.
2. -Propiedades ópticas y cinéticas.
3.- Potencial electrocinético en sistemas de dispersión.
4.- Sistemas dispersos, propiedades fisicoquímicas y mecanismos de preparación.
5.- Geles, jabones y organosoles: estructura, propiedades fisicoquímicas, reológicas y estabilidad.
6.- Emulsiones: clasificación, agentes emulsificantes, inversión de fase.
7.- Espumas: características estabilidad y ruptura.
8.- Sistemas coloidales de protección en sistemas de dispersión.
9.- Soluciones de macromoléculas, asociación y coagulación.
10.- Aplicaciones de propiedades de sistemas coloidales en sistemas biológicos.
SISTEMAS COLOIDALES
Una dispersión coloidal ha sido definida tradicionalmente como una suspensión de
pequeñas partículas en un medio continuo. Debido a u capacidad de dispersión de la luz
y a la aparente ausencia de presión osmótica, estas partículas “agregados”, son
moléculas únicas con una masa molar muy grande. Los límites de tamaños son difíciles
de especificar, pero si las partículas dispersadas se encuentran entre 1 μm y 1 nm,
podemos decir que el sistema es una dispersión coloidal.
Una suspensión coloidal se forma cuando una sustancia es insoluble en el medio y sus
partículas o gotas son muy pequeñas y se dispersan en él. Pueden formarse en
reacciones cuyos productos sean insolubles. No crecen como los cristales en tamaños
que puedan sedimentar o ser filtrados. Ciertas sustancias orgánicas se consideran
solubles pero no forman soluciones reales, sino dispersiones coloidales: jabón,
almidones, gelatina, agar-agar, goma arábiga, albúmina.Hay dos subdivisiones clásicas
de los sistemas coloidales:
(1) liofilicos, o coloidales que atraen al disolvente (también llamados geles), y
(2) liofobicos, o coloidales que repelen al disolvente (también llamado soles).
Por su tamaño tan pequeño, el área superficial con relación a su masa es muy grande.
Como resultado de esta gran área predominan los fenómenos de superficie. La masa de
las partículas coloidales es tan pequeña que los efectos gravitacionales no tienen
importancia.
CLASIFICACIÓN Y CARACTERÍSTICAS
De acuerdo a la afinidad entre la fase dispersante y la fase dispersa:
LIÓFILOS/HIDRÓFILOS:
Termodinámicamente estables. Son siempre moléculas poliméricas de uno u otro tipo, de forma que la solución está compuesta de una dispersión de moléculas únicas. La estabilidad del coloide liofílico es una consecuencia de las interacciones fuertes favorables disolvente-soluto. Sistemas Liofílicos típicos serian las proteínas (especialmente gelatina) o almidón en agua, caucho en benceno y nitrato de celulosa o acetato de celulosa en acetona.
LIÓFOBOS/HIDRÓFOBOS: Termodinámicamente inestables. Son siempre sustancias
de alta disponibilidad en el medio dispersante. Los coloides liofobicos suelen ser agregados de pequeñas moléculas. La dispersión liofobica puede prepararse moliendo al solido con el medio dispersante en un molino de esferas, que durante un periodo de tiempo prolongado reduce la sustancia a tamaños que se encuentran en el intervalo coloidal <1 µm.
También se caracterizan por su forma:
Corpusculares: Macromoléculas globulares (biopolímeros con interacciones entre
cadenas laterales).
a) Esferas: a / b = 1, emulsiones, látex (dispersiones de polímeros como gomas y plásticos en
agua), aerosoles líquidos, casi esféricas proteínas globulares, soles de oro.
b) Elipsoides: a / b ≠ 1 estas formas son irregulares y se manejan modelos. Prolatos (cigarro) a /
b > 1 es más importante longitud que diámetro
polinucleótidos y polipéptidos y Oblatos (esfera
achatada) a / b < 1 suspensiones de óxido férrico
y arcillas.
Cadenas estadísticas: Cambio continuo de forma
en solución, polímeros sin interacciones entre
cadenas laterales, celulosa, colágeno de piel,
tendones y huesos, queratina de uñas y pelo,
miosina.
PROPIEDADES ÓPTICAS Y CINÉTICAS
Microscopia electrónica: se obtienen imágenes de las partículas para observar
el tamaño, forma y estructura de las partículas coloidales.
Dispersión de la luz (Light scattering): depende del efecto Faraday-Tyndall y se
utiliza para determinar el peso molecular de coloides. La dispersión se describe
en función de la turbidez, τ, descenso fraccional en intensidad debido a la
dispersión de la luz incidente que atraviesa a través de 1 cm de disolución.
Movimiento Browniano
Las micelas de una dispersión coloidal presentan incesantes movimientos, lo que es
debido al “bombardeo” o choque de las moléculas del solvente contra las micelas,
imprimiendo a éstas una trayectoria zigzagueante. Movimiento errático observado en
partículas menores de 5 m. La velocidad de las partículas es inversamente
proporcional a su tamaño y a la viscosidad del medio. Las partículas difunden
espontáneamente desde zonas de mayor a menor concentración, hasta que la
concentración de todo el sistema es homogénea. Resulta directamente del
movimiento Browniano.
Efecto Tyndall.
Un rayo de luz es diseminado al pasar através de una suspensión coloidal. El tamaño de los coloides es mayor que la longitud de onda promedio de la luz blanca y por esto interfiere en su paso y la refleja.
Esta propiedad se usa como base para medir la turbiedad en el agua, o la concentración de partículas coloidales en un líquido.
Presión Osmótica
Cuando las partículas no pueden difundir en el sistema por la presencia de una
membrana semipermeable, son las moléculas del solvente las que se mueven desde la
zona de menor a la de mayor concentración.
Sedimentación
También denominada sedimentación, se produce por la agrupación de las micelas, que
reunidas en partículas de mayor tamaño, pierden estabilidad y van al fondo del
recipiente. Este proceso es reversible, ya que por agitación pueden suspenderse
nuevamente las partículas.
Viscosidad
Es un factor que cada día se tiene más en cuenta, y resulta ser un elemento importante
cuando se trata de hemodiluciones o de manejar las condiciones reológicas de la
sangre. Así la viscosidad ideal debe ser de igual magnitud que la del plasma, la cual es
de 2. Los productos en uso tienen viscosidades entre 1,4 y 5,45.
Tixotropismo
Es la transformación de gel a sol y viceversa por agitación mecánica.
Coacervación
La carga eléctrica de las partículas coloidales puede ser neutralizada por la adición de
una sustancia ionizable adecuada, y el coloide puede ser precipitado por aglomeración
de sus partículas.
Coagulación
La fase dispersa del coloide se reúne en grumos más o menos voluminosos, los que ya
no pueden volver a disgregarse por agitación, constituyendo un proceso irreversible.
Dialización
Los coloides no son capaces de atravesar las membranas permeables (ver el tema
“membranas” en la guía Transporte a través de biomembranas). En cambio, las
soluciones verdaderas pueden trasportarse a través de la membrana, propiedad que se
aprovecha para separar coloides y cristaloides.
POTENCIAL ELECTROCINÉTICO EN SISTEMAS DE DISPERSIÓN
Fuerzas de interacción entre partículas coloidales:
• Fuerzas de repulsión electrostática
• Fuerzas de van der Waals o fuerzas electromagnéticas de atracción
• Fuerzas estéricas, dependientes de la geometría y conformación de moléculas en la interfase de la partícula
• Fuerzas solvatación debido a los cambios en las cantidades de disolvente adsorbido sobre las proximidades de las partículas vecinas
Propiedades electrocinéticas: La estabilidad de los coloides hidrofóbicos depende de
la carga eléctrica que ellos poseen. La carga primaria puede provenir de grupos cargados con partículas superficiales o puede ser ganada por adsorción de una capa de iones provenientes del medio circundante por reemplazo isomórfico.
AgNO3 + KBr AgBr + KNO + NO + Ag
Ag+ Ag+ Ag+
Ag+ AgBr Ag+
Ag+ Ag+
POTENCIAL ZETA
Es una medida de la estabilidad de
una partícula e indica el potencial
que se requiere para penetrar la
capa de iones circundante en la
partícula para desestabilizarla. Por lo
tanto, el potencial zeta es la potencia
electrostática que existe entre la
separación de las capas que rodean
a la partícula.
Modelo de la doble capa
Se usa el modelo de la doble capa
para visualizar la atmósfera iónica en
la proximidad del coloide cargado y
para explicar como actúan las
fuerzas eléctricas de repulsión. Es posible entender este modelo como una secuencia
de etapas que ocurren alrededor de un coloide negativo, si los iones que neutralizan sus
cargas son repentinamente separados.
La vista izquierda muestra el cambio en la densidad de carga alrededor del coloide. La
derecha muestra la distribución de iones positivos y negativos alrededor del coloide
cargado.
Efecto del coloide
sobre el ion positivo
(llamado contraion)
en la solución.
Inicialmente, la
atracción del coloide
negativo hace que
algunos iones
positivos formen una
rígida capa
adyacente alrededor
de la superficie del
coloide; esta capa
de contraiones es
conocida como la
capa de Stern.
Otros iones positivos adicionales son todavía atraídos por el coloide negativo, pero estos
son ahora rechazados por la capa de Stern, así como otros iones positivos que intentan
acercarse al coloide. Este equilibrio dinámico resulta en la formación de una capa difusa
de contraiones, éstos tienen una alta concentración cerca de la superficie, la cual
disminuye gradualmente con la distancia, hasta que se logra un equilibrio con la
concentración de los contraiones en el seno de la disolución.
En forma similar, aunque opuesta, en la capa difusa hay un déficit de iones negativos,
llamados coiones pues tienen la misma carga que el coloide. Su concentración se
incrementa gradamente al alejarse del coloide, mientras que las fuerzas repulsivas del
coloide son compensadas por los iones positivos, hasta alcanzar nuevamente el
equilibrio.
La capa difusa puede ser visualizada como una atmósfera cargada rodeando al coloide.
A cualquier distancia de la superficie, la densidad de carga es igual a la diferencia de
concentración entre iones positivos y negativos. La densidad de carga es mucho mayor
cerca del coloide y gradualmente disminuye a cero cuando las concentraciones de iones
positivos y
negativos se
asemejan. Los
contraiones de
la capa de Stern
y de la capa
difusa son los
que juntos
llamaremos la
doble capa. El
espesor de esta
doble capa
depende del tipo
y concentración de los iones de la solución.
La variación de la densidad de iones en la capa difusa se muestra en las figuras 3 y4. La
primera muestra la variación en la concentración de iones positivos y negativos con la
distancia de un coloide negativo, la segunda el efecto neto, esto es, la diferencia en la
densidad de carga positiva y negativa.
El coloide negativo y su atmósfera
cargada positivamente producen un
potencial eléctrico relativo a la solución.
Este tiene su valor máximo en la
superficie y disminuye gradualmente con
la distancia, aproximándose a cero fuera
de la capa difusa. La caída del potencial
y la distancia desde el coloide es un
indicador de la fuerza repulsiva entre los
coloides en función de la distancia a las
cuales estas fuerzas entran en juego.
Un punto de particular interés es el
potencial donde se unen la capa difusa y
la de Stern. Este potencial es conocido
como el potencial zeta, el cual es importante por que puede ser medido de una manera
muy simple, mientras que la carga de la superficie y su potencial no pueden medirse.
El potencial zeta puede ser una manera efectiva de controlar el comportamiento del
coloide puesto que indica cambios en el potencial de la superficie y en las fuerzas de
repulsión entre los coloides. La relación entre el potencial zeta y el potencial de
superficie depende del nivel de iones en la solución. Así, en el agua, la doble capa hace
que el potencial zeta sea una buena aproximación del potencial de superficie.
SISTEMAS DISPERSOS, PROPIEDADES FISICOQUÍMICAS Y MECANISMOS DE
PREPARACIÓN
Una dispersión coloidal es un sistema disperso o polifásico de una o más fases
dispersas de partículas con la fase dispersa distribuida a través de una fase continua o
dispersante.
Dispersiones coloidales:
Sustancias insolubles agrupadas en masas que contienen muchas moléculas
individuales. Soles de Au, AgI, AS2O3, aceite en agua. Son termodinámicamente
inestables. Se parte de partículas mayores de tamaño coloidal:
Dispersión mecánica: molino coloidal (actúa por cizalla).
Dispersión eléctrica: arco voltaico entre dos electrodos del metal que se quiere
dispersar.
Soluciones macromoleculares:
Como soluciones acuosas de proteínas, polisacáridos o altos polímeros en solventes
orgánicos (gomas, resinas, nylon). Termodinámicamente estables.
Coloides de asociación:
Sustancias solubles de bajo peso molecular que a una concentración dada se asocian
dando agregados coloidales, jabones, sulfonatos, alquil sulfatos superiores, sales de
aminas
Preparación.
1. Liófilos se dispersan fácilmente.
2. Liófobos requieren usar técnicas específicas según el coloide a preparar
Existen dos métodos de preparación de coloides: Agregación (condensación) y
Disgregación (dispersión)
Condensación consta de 2 etapas:
Nucleación (formación de centros cristalinos) y crecimiento de cristales. Para lograr la
nucleación se requiere un alto grado de sobresaturación de la solución. Crecimiento de
partículas hasta tamaño coloidal:
Se parte de una solución verdadera y por reacción química se obtienen partículas
insolubles de tamaño coloidal. Las velocidades relativas de estas etapas determinan el
grado de dispersión del sistema:
Vel. de nucleación > vel.de crecimiento alto grado de dispersión
Existen 3 técnicas de preparación que corresponden a métodos de condensación:
1. Sustitución de un buen disolvente por uno malo.
2. Enfriar rápidamente
3. Reacciones químicas en el seno del medio de dispersión.
Sol grosero de azufre: preparar una solución saturada de S en etanol o acetona y verter
en agua hirviendo (dispersar sustancias parecidas a la cera)
FeCl3 + H2O (hirviendo) Fe2O3 (hidratado)
AgNO3 + KI AgI
Na2S2O3 + HCl S
HAuCl4 + HCHO Au
Coloides macromoleculares (polímeros y polimerización) por los mecanismos de adición
(mecanismo en cadena sin cambio químico, ej. polímero de vinilo) y de condensación
(reacción entre grupos funcionales con pérdida de una molécula pequeña, generalmente
agua, ej. Nylon 66 = hexametilen diamina + ac. Adípico)
Un sistema mono disperso se logra mediante las técnicas de:
1. Siembra de Zsigmondy
2. Erupción corta de nucleación homogénea
La velocidad de crecimiento depende de 4 factores cantidad de material disponible
(grado de sobresaturación), viscosidad del medio de dispersión, adsorción de
impurezas, agregación partícula-partícula.
Geles, jabones y organosoles: estructura, propiedades fisicoquímicas, reológicas
y estabilidad
Geles
Hay geles de muchos tipos y no es posible una clasificación sencilla. En general, se
dividen en: elásticos o no elásticos ó rígidos. La deshidratación parcial de un gel
elástico, como un gel de gelatina, conduce a la formación de un sólido elástico, por
medio del cual puede regenerarse el sol original añadiéndole el disolvente éstos sólidos
secos o semisecos se llaman xerogeles. Los precipitados gelatinosos de los óxidos
metálicos hidratados no tienen en realidad una estructura diferente de la de los geles no
elásticos correspondientes. La diferencia esencial es en que éstos tienen todo el liquido
de dispersión incluido en la estructura semisólida, lo cual no ocurre en el precipitado
gelatinoso. Si las condiciones son tales que las partículas coloidales se juntan
lentamente, es posible que se forme un gel, pero la coagulación rápida irá acompañada
por la formación de un precipitado. Se ha propuesto otra clasificación de los geles
basados en el efecto del calor. Si el cambio producido calentando es invertido por
enfriamiento se dice que el gel es térmicamente reversible; en el caso contrario, el gel es
térmicamente irreversible.
Pertenecen al primer grupo la nitrocelulosa en diversos líquidos orgánicos y la gelatina
en agua; en el segundo están los sistemas albúmina de huevo y sílice hidratada en
agua. La diferencia entre los dos tipos se debe indudablemente a cambios químicos,
como la formación del enlace de hidrogeno que se produce cuando se calientan geles
térmicamente irreversibles.
Jabón
El jabón generalmente es el resultado de la reacción química entre un álcali (generalmente hidróxido de sodio o de potasio) y algún ácido graso; esta reacción se denomina saponificación. El ácido graso puede ser, por ejemplo, la manteca de cerdo o el aceite de coco. El jabón es soluble en agua y por sus propiedades detersivas, sirve comúnmente para lavar. En sentido estricto, existe una gran diferencia entre lo que es un jabón, un detergente. Los detergentes son las sustancias que tienen la propiedad química de disolver la suciedad o las impurezas de un objeto sin corroerlo.
Detergentes Los detergentes son una mezcla de muchas sustancias. El componente activo de un detergente es similar al de un jabón, su molécula tiene también una larga cadena lipófila y una terminación hidrófila. Una de las razonas por las que los detergentes han desplazado a los jabones es que se comportan mejor que estos en aguas duras. El agente tenso activo o "surfactante" de los detergentes, es el componente que realiza un papel similar al del jabón. Facilita la tarea del agua al conseguir que esta moje mejor los tejidos. Separa la suciedad de los tejidos e impide que esta se deposite de nuevo. Sin embargo los jabones presentan la desventaja de que si se usan en agua dura, tienden a formar sales con los cationes de los metales formando "natas" que neutralizan su acción. Una alternativa a este problema, surgió cuando se empezaron a sintetizar otros compuestos orgánicos a partir de compuestos químicos del petróleo, que tienen acción detergente por lo que se les denomina en forma genérica como detergentes. Los detergentes actuales contienen diferentes aditivos, fosfatos que exaltan la limpieza, agentes espumantes, blanqueadores, etc. siempre intentando satisfacer la demanda de los consumidores. Los detergentes tienen una excelente resistencia a la dureza del agua, ya que contienen
una combinación de agentes limpiadores y bloqueadores que aumentan
significativamente su desempeño.
La formación de micelas conduce a una caída acentuada de la conductividad eléctrica
por un mol de electrolito. La acentuada reducción en el numero de iones reduce
bruscamente la conductividad. La formación de micelas reduce también la presión
osmótica de la solución.
DISPERSIONES COLOIDALES = SOLES
Desde el punto de vista fisicoquímico, Oswald definió a los aerosoles como un sistema coloidal de partículas solidas o liquidas menores de 50μ dispersas en el seno de un gas o bien en el aire. Esta definición abarca desde el humo, las nubes y algunos de los productos dispensados en aerosol. Se ha tenido a unificar la nomenclatura y definir a los productos en aerosol o simplemente aerosoles como un producto solido o líquido o
mezcla de ambos, contenido en un envase generalmente descartable, que es descargado a través de una válvula por la fuerza de un propelente.
Una clasificación reciente divide los aerosoles en tres categorías:
1) aspersiones para el espacio, que son aspersiones en las que el tamaño de la
partícula de la sustancia dispersada es menor de 50 micras;
2) recubridores de superficie, que son aspersiones más "gruesas" y que "mojan" más y
tienen por objeto depositar una capa continua muy fina;
3) espumas con aire, como pastas dentífricas y cremas.
Son suspensiones coloidales, termodinámicamente inestables son suspensiones en
gases . Si las partículas suspendidas son sólidas, entonces el aerosol se identifica con
humo o polvo. La diferencia entre estas sustancias es solamente cuestión del tamaño de
las partículas: las del humo son mucho más pequeñas que las del polvo. Si, por otro
lado, las partículas suspendidas son líquidas, el aerosol se identifica con niebla.
Desestabilización
Para lograr la desestabilización de los coloides es necesario destruir su estructura y formar coágulos a agregados de muchas partículas, los cuales si son sedimentables. Para que un coloide se aglutine con otros (coagule), es necesario que las partículas se aproximen a una distancia menor que L, o sea menor que la que existe entre el centro del coloide y la cresta de la resultante o barrera de energía. La ubicación de la barrera de energía varía con el pH.
Los coloides se aproximan a una distancia menor que la de la barrera de energía cuando el potencial zeta baja hasta un punto llamado "punto isoeléctrico" ( z=0), lo que sucede si se neutraliza la carga q o se represa incrementando el número de iones en la solución.
La destrucción de los coloides se puede lograr de cuatro maneras:
1. ebullición
2. congelación.
3. Adición de electrolitos.
4. Precipitación mutua por adición de coloides de carga opuesta.
EMULSIONES: CLASIFICACIÓN, AGENTES EMULSIFICANTES, INVERSIÓN DE
FASE
Emulsión. Es un sistema constituido por dos fases líquidas inmiscibles, unas de las
cuales se dispersa a través de la otra en forma de gotas muy pequeñas.
Fase dispersa: Líquido que se dispersa en pequeñas gotitas, también se le conoce
como interna o discontinua
Fase dispersante: Líquido como medio de dispersión, también llamado externa o
discontinua.
VENTAJAS:
Aumento propiedades terapéuticas y dispersión de los componentes.
Enmascarar olor y sabor.
Aumentar la absorción y penetración de los medicamentos
Mejorar la estabilidad del fármaco
Agua es un diluyente barato
La acción de una emulsión es prolongada así como el efecto emoliente.
Emulsión estable: sistema en el que los glóbulos conservan su carácter inicial y
permanecen distribuidas uniformemente durante toda la fase continua.
Se denomina craqueo o rotura a la separación de una emulsión en sus fases constituyentes.
Factores que afectan la formación de las emulsiones:
Adición de agentes químicos incompatibles. Crecimiento bacteriano
Cambios de temperatura.
Una emulsión también puede demostrar inestabilidad de las siguientes maneras:
•Floculación
•Inversión de fases
•Formación de nata
ESPUMAS: CARACTERÍSTICAS ESTABILIDAD Y RUPTURA
Espumas
De acuerdo con el diccionario la espuma se define como el conjunto de burbujas
gaseosas separadas por películas delgadas de líquido que se forman en la superficie de
un líquido. Al formarse las burbujas se amontonan unas sobre otras, formándose
películas entre ellas. Estas películas son sometidas a esfuerzos de estiramiento por lo
que es indispensable que no se rompan si se desea tener espuma.
Vida de la espuma
De acuerdo a Salager la vida de las espumas se divide en tres etapas, la primera
consiste en la formación de espuma desde algunos segundos hasta algunos minutos. La
segunda consiste en la maduración de la espuma en la que el espesor de la película es
grande respecto a la escala coloidal, fenómeno que ocurre de algunos minutos a
algunas horas. La tercera etapa se refiere a su persistencia, cuya estabilidad depende
de las interacciones coloidales (de horas a días).
Formación de espuma
Los factores que contribuyen a la formación de espuma pueden ser por causas físicas y
químicas. Las causas físicas pueden ser: agitación, caída del líquido desde cierta altura,
borboteo de aire u otro gas en el seno del líquido. Las causas físico-químicas pueden
ser: agitación de agua dulce con un jabón, en agua dura no se presenta espuma sino
precipitación de sales de calcio y magnesio, presencia de impurezas orgánicas así como
su concentración, un ejemplo de esto es un río contaminado con desechos orgánicos.
Otra causa es la producción de gases como el metano, ácido sulfhídrico, dióxido de
carbono, después de una reacción química o bioquímica. Ejemplo de esto son las
espumas presentes en cervezas y refrescos que se forman por la liberación del gas
disuelto. Cabe mencionar que en el fondo de los envases de estas bebidas las burbujas
son pequeñas y al subir se hacen más grandes debido a que la difusión del gas
comienza de las burbujas pequeñas hacia las más grandes. De manera que éstas
persisten en la superficie formando espuma. Cuando las burbujas se elevan a la
superficie de un líquido y persisten en ella durante cierto tiempo, sin coalescencia de
una con la otra y sin ruptura en el espacio de vapor se produce espuma. Así pues la
formación de espuma consiste simplemente en la formación, elevación y la agregación
de burbujas en un líquido en que la espuma pueda existir. La vida de las espumas varía
de segundos a años, su mantenimiento es un fenómeno no dinámico.
Ruptura de la espuma
En la superficie del líquido en el que se presenta la espuma, un menisco limita el
volumen del gas de un lado, mientras que una película líquida limita la burbuja del resto
del sistema.
Una vez que la espuma se forma, ésta comienza a sufrir una degradación más o menos
lenta. En este transcurso ocurren distintos mecanismos: segregación de burbujas y el
drenaje gravitacional, succión capilar y la difusión gaseosa intraburbuja.
La fuerza gravitacional favorece la separación de un gas del líquido en un sistema
disperso, haciendo que se eleven las burbujas a la superficie del líquido y que el líquido
contenido en las paredes de las burbujas se drene hacia el cuerpo principal del líquido.
El drenaje gravitacional se relaciona también con el empuje, éste es más fuerte sobre
las burbujas grandes que sobre las pequeñas.
La viscosidad del líquido en una película se opone al drenaje de la película. Cuanto más
alta sea la viscosidad tanto más lento será el proceso de adelgazamiento de las
películas, lo que conllevará a una ruptura lenta. La viscosidad de las películas en
muchos casos es mayor que la del cuerpo principal del líquido madre. Esto se debe a un
efecto simple de temperatura, ya que la película esta más fría debido a la evaporación;
La ruptura también puede ser ocasionada por los cambios de presión, los cuales causan
un cambio en el volúmen de la burbuja de gas (succión capilar).
Finalmente está el mecanismo de difusión gaseosa intra-burbuja, conocido también
como maduración de Ostwald. Éste fenómeno hace que las burbujas más pequeñas se
desinflen en las grandes y desaparezcan. En otras ocasiones es un efecto de
concentración, puesto que los sólidos suspendidos, finos o disueltos emigran a la
entrecara para producir aumentos en la viscosidad. En otras ocasiones el efecto parece
no tener explicación.
Estabilidad de la espuma
Gibs, en su teoría termodinámica, demostró que si la concentración del soluto es muy
pequeña, la capa superficial estaría formada casi de moléculas del solvente por lo que la
formación de la espuma no sería posible.
De acuerdo a Marangoni un líquido puro no produce espuma, ya que no presenta
variación de tensión superficial. Por el contrario, sí la concentración de soluto es
relativamente grande, las capas superficiales están compuestas casi exclusivamente de
moléculas de sustancia activa y no hay tampoco formación considerable de espuma.
Debe haber una diferencia de tensión superficial entre la solución y la capa superficial,
mientras mayor sea esta diferencia más consistencia y estabilidad tendrá la espuma. Lo
que se desea es que ésta no sea estable, para que su ruptura sea rápida.
Las espumas son sistemas en los que un tercer componente produce una capa
superficial, cuya composición difiere del resto del líquido. El efecto de estabilización de
estos componentes, que por lo general están presentes en cantidades pequeñas, puede
crear espuma, cuya persistencia produzca problemas en distintos procesos. Las
espumas de generación reciente son emulsiones de gas con burbujas esféricas
separadas por películas de líquido de unos cuantos milímetros de espesor, envejecen
rápidamente y forman poliedros en los que tres burbujas se interceptan en las orillas con
ángulos de aproximadamente 120°.
Durante el drenado, la película se vuelve mucho más delgada, especialmente en el
centro y más quebradiza. Esto indica que en algunas espumas se puede tolerar una
capa de espuma, ya que se agrega espuma fresca al fondo de la capa y se drena la
espuma que colapsa en la parte superior. (Una espuma de rompimiento rápido puede
alcanzar su ciclo de vida máximo en 6s y una espuma moderadamente estable en
140s.) El drenado puede causar áreas débiles en la película. Sin embargo, la presencia
de una concentración más elevada de agentes tensoactivos en la superficie produce una
reducción de la tensión superficial. A medida que la película permite la exposición con el
líquido con una tensión superficial mayor, la superficie se renueva. Esto se conoce como
el efecto Marangoni. Si el drenado ocurre con mayor rapidez que la renovación de la
superficie, el colapso ocurrirá en milisegundos. Es importante mencionar que en el caso
en que las espumas sean muy estables, las fuerzas electrostáticas superficiales evitan
el drenado y el colapso total, quedando así una espuma remanente.
La velocidad de drenado está en función de la viscosidad de superficie, la cual a su vez
es función de la temperatura. Debido a lo anterior la temperatura toma un papel
importante en la formación de espuma.
Un concepto que es importante entender para este capítulo es la elasticidad de la
película. Al aumentar una burbuja de tamaño se da este efecto. Éste concepto se puede
relacionar con la variación de la tensión superficial debido al agente tensoactivo
presente. Por lo general una película se rompe cuando alcanza espesores del orden de
50 amstrongs.
De acuerdo con Bendure para disminuir la estabilidad de la espuma se puede aplicar lo
siguiente:
• Disminuir la viscosidad masiva del líquido
• Disminuir la viscosidad de la superficie
• Disminuir la elasticidad de la superficie
• Disminuir la concentración de la superficie
• Aumentar la velocidad de adsorción de agentes tensoactivos
• Agregar inhibidores de espuma
Concentración micelar crítica (CMC)
La concentración micelar crítica es un fenómeno que presentan los surfactantes debido
a la estructura polar-apolar de sus moléculas, éstos disminuyen la tensión superficial de
la sustancia en concentraciones por debajo de la crítica, en que estos mismos han
cubierto la totalidad de la superficie. Arriba de esta
concentración las moléculas del surfactante se
dirigen hacia el interior del líquido formando
agregados de moléculas sencillas (micelas), como
consecuencia se produce una estructura con una
orientación específica de alto peso molecular.
Debido a esto se observan cambios bruscos en
las propiedades fisicoquímicas. Dicha
concentración se consigue más fácilmente si el
surfactante es predominantemente hidrofílico.
Acción de un surfactante sobre la tensión superficial.
(coordenada γ). Al aumentar la concentración de surfactante en agua, la tensión
superficial disminuye (línea AB) debido a que las moléculas se adsorben en la superficie
del agua. Al agregar mayor cantidad de surfactante se alcanza el punto B donde las
moléculas están totalmente empaquetadas en la superficie, de forma totalmente vertical,
con la parte hidrofílica orientada hacia el agua y la parte lipofílica hacia el aire. Si se
continua agregando surfactante, no caben más moléculas en la superficie, y se agregan
en estructuras denominadas micelas. Ocurre entonces que la tensión superficial no
disminuye más y permanece aproximadamente constante (línea horizontal BC). La
concentración a la que comienza la formación de micelas (punto B) se llama
Concentración Micelar Crítica (CMC).
Sistemas coloidales de protección en sistemas de dispersión
Se emplean en el campo de la medicina por los siguientes beneficios:
Protección del fármaco (enzimas).
Reducción de efectos secundarios.
Reducción del efecto del primer paso.
Capacidad de mantenerse en circulación.
Especificidad de acción (células o tejidos blanco).
La velocidad de liberación del fármaco puede ser
optimizada en función de los requerimientos
farmacológicos y farmacocinéticos.
Un ejemplo de esta aplicación lo son las liposomas:
Los liposomas son vesículas huecas que encapsulan parte del disolvente en el que se
han preparado y cuya membrana esta formada por una o varias bicapas lipídicas,
generalmente de fosfolípidos
¿Porqué usar liposomas?
Componentes no tóxicos.
Biodegradables
Capacidad para contener, transportar y ceder principios activos terapéuticos.
ESTABILIDAD sobretodo porque se tienen que almacenar por largos periodos después
de su preparación.
Depende de la naturaleza de la molécula encapsulada y su interacción con los
componentes del liposoma. Depende de las características de cada liposoma
(composición de fosfolípidos, tipo de liposoma, tamaño, número, carga en superficie
porcentaje de encapsulación, hidrólisis).
SOLUCIONES DE MACROMOLÉCULAS, ASOCIACIÓN Y COAGULACIÓN
Soluciones verdaderas de macromoléculas
Se caracterizan por una fuerte interacción con el agua, por lo que generan el coloide
espontáneamente cuando se introducen en el medio.
Son Termodinámicamente estables, liofílicos (reversibles). Ej.: prot., MC, goma de
tragacanto, etc. Moléculas grandes con grupos funcionales que producen enlaces de
hidrógeno con las moléculas de agua.
Coloides de asociación
Termodinámicamente estables
• Liofilices (reversibles)
Ej.: tensioactivos que forman micelas
Agregados de moléculas anfifílicas CMC (Concentración por encima de la cuál se
empiezan a formar las micelas). Interacción electrostática de las cabezas polares de las
micelas con el agua.
Métodos de coagulación
• Calentamiento (se facilita la colisión entre las partículas y su atracción entre ellas)
• Adición de electrolitos (neutralización de las cargas superficiales de las partículas
coloidales)
• Diálisis: uso de membranas semipermeables que separan iones de partículas
coloidales.
Hay cuatro mecanismos para la coagulación de los coloides:
1. Compresión de la doble capa.
La coagulación se produce cuando el potencial zeta se hace cero, el exceso de coagulante agregado no puede producir estabilización de la suspensión, puesto que los coloides no pueden adsorber mas contraiones de los que su carga primaria les permite y a mayor carga del contraion mas disminuirá la carga del coloide, de acuerdo a la ley de Schulze-Hardy:
"La precipitación de un coloide es afectada por aquel ion del electrolito añadido que tenga una carga opuesta en signo a la de las partículas coloidales y el efecto de dicho ion se incrementa tanto mas, cuanto mayor sea el número de cargas que posea."
2. Neutralización de su carga.
Los coloides liofóbicos pueden neutralizarse por:
- cambio de la concentración de los iones que determinan el potencial del coloide.
- Por la adsorción de iones que posean una carga opuesta a la de los iones determinantes del potencial y que sean capaces de reemplazar a éstos en la capa de Stern.
Los coloides pueden adsorber:
-iones o productos de hidrólisis simples como el Al(OH)++
o el Fe(OH)++
con pesos moleculares entre 44 y 135 y tamaños menores de 1 mμ que se forman al inicio de la coagulación.
3. Atrapamiento en un precipitado.
Se produce cuando se agrega una concentración de coagulante tan alta que excede el límite de la solubilidad de ese compuesto en el agua. En ese momento se precipitan los hidróxidos que se forman por reacción de la alcalinidad y el agua con los coagulantes, induciendo la formación de una masa esponjosa (floc de barrido) que atrapa en su caída a los coloides y partículas suspendidas, las cuales se ven forzadas a decantar incorporadas dentro del precipitado que desciende.
Esto no es una verdadera coagulación, pero es la que mas frecuentemente se produce debido a que en la practica las dosis de coagulante que se usan están por encima del limite de solubilidad de los hidróxidos de aluminio o hierro en el agua, a pH y temperatura de trabajo normal.
4. Formación de puentes interpartículas.
Cuando la adsorción de contraiones es debida a fuerzas químicas, se establecerán enlaces de hidrogeno covalentes, ionicos etc. Entre las moléculas adsorbidas y las superficies de los coloides. En este caso estarán adheridos a puntos fijos de adsorción y su numero podrá aumentar hasta cambiar la carga del coloide (de - a +) pasando a una estabilización nueva.
Entre mas puntos de adsorción disponibles haya, más moléculas para ser adsorbidas hay que agregar y serán mas fácilmente adsorbidas la de los polímeros grandes que las de los pequeños.
APLICACIONES DE PROPIEDADES DE SISTEMAS COLOIDALES EN SISTEMAS
BIOLÓGICOS
En el choque hemorrágico, los coloides son útiles para la reanimación, usandose
combinación con los cristaloides cuando no están disponibles los hemoderivados.
ALBÚMINA
Es la proteína predominante del plasma y aporta cerca del 75 al 80% de la presión
coloide-osmótica. La función de la albúmina en la sangre consiste en mantener la
presión oncótica normal, transportar distintas sustancias, inactivar pequeños grupos de
compuestos (disulfirán, lípidos, eicosanoides, etc.), actuar como tampón plasmático,
mantener la integridad microvascular y poseer acción anti-oxidante puesto que inhiben
la formación de radicales libres de oxigeno de los polimorfonucleares.
GELATINAS
Son derivados de la hidrólisis del colágeno bovino, son isooncóticas y ejercen un efecto
osmótico inicial muy importante, pero rápidamente desaparece de la circulación por
filtración glomerular. Su peso molecular es de 35.000 Daltons, lo que hace que su vida
media intravascular sea de 2 a 4 horas en sujetos normales, pero en pacientes con
sepsis esta acortada; a pesar de ello es destacable su buena capacidad como expansor.
La gelatina unida a urea tiene
mucha mayor concentración de calcio (6.26 mmol/L) y potasio (5.1 mmol/L) que la
gelatina succinato (0.4 mmol/L para ambos electrolitos), esta concentración elevada de
calcio puede llevar a formación de coagulo cuando se administra simultáneamente con
sangre.
IMPLANTES MAMARIOS Son bolsas que tienen una cobertura fabricada a base de silicón que están rellenas con diferentes sustancias según sus características. Tenemos implantes de solución salina , los cuales se colocan en la paciente y posteriormente se rellenan con solución fisiológica o suero salino o una sustancia inerte e inocua parecida a un gel (silicona pura). Implantes de Gel de silicón rellenos e implantes de Hidrogel.
Microscópicamente las suspensiones son sistemas heterogéneos donde la fase dispersa
está constituida por granos del sólido visible a simple vista, que por la acción de la
gravedad o de la densidad pueden sedimentar o flotar en la fase dispersora. Las
suspensiones son casos particulares de mezclas mecánicas que se separan fácilmente
por filtración. En las disoluciones, el tamaño de partícula es el de las moléculas, átomos
o iones y se consideran menor a 1 nanómetro (nm). El otro extremo son las
suspensiones, cuyo tamaño es mayor de 100 nm.
Las propiedades de los sistemas coloidales son diferentes tanto de las soluciones como
de las suspensiones, así se tienen propiedades exclusivas como el efecto Tyndall,
propiedad óptica debido al tamaño pequeño de las partículas que funcionan como
espejitos que reflejan la luz y por eso se ven y el movimiento Browniano que consiste en
un movimiento desordenado continuo con trayectorias de zig-zag de las partículas,
fenómeno observado por el botánico inglés Robert Brown en partículas de polen
suspendidas en agua.
Las ocho posibles combinaciones de coloides se pueden ver en:
TIPOS de SISTEMAS COLIDALES
Medio de
Dispersión Fase dispersa
Nombre del
sistema Ejemplos
Gas Líquida Aerosol Niebla, Neblina,
Nubes
Gas Sólida Aerosol Humo
Líquido Gas Espuma Crema batida
Líquido Líquida Emulsión Leche, Mayonesa
Líquido Sólida Sol Oro en agua
Sólido Líquida Gel Jalea
Sólido Sólida Gel Oro en vidrio
Sólido Gas Espuma sólida Piedra pómez
El estudio de los coloides es un campo multidisciplinario donde intervienen
conjuntamente la química, la biología y la física. Actualmente trata de explicar a los
seres vivos como sistemas coloidales presentes en las células.
Resumiendo, se pueden tener las siguientes conclusiones:
1.- Al mezclar 2 o más sustancias, una de las cuales es líquida se pueden encontrar 3
comportamientos: soluciones, coloides y suspensiones
2.- El que una mezcla se comporte como solución, coloide o suspensión depende del
tamaño de la partícula dispersa y de la afinidad entre las fases
3.- Las suspensiones son sistemas heterogéneos en donde la fase dispersa es
fácilmente observable
4.- Las suspensiones son fácilmente separables por métodos como la filtración
5.- Los coloides tienen propiedades exclusivas como el efecto Tyndall y el movimiento
browniano que los distinguen perfectamente.
BIBLIOGRAFIA
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Hill/interamericana de España, S. A.
Castellan w. Gilbert. 1998. segunda edición por Addison Wesley Longman de
México S.A de C.V.
Rodríguez P. A, MD, Coloides. Emergencias y Catástrofes 2000;1(4):211-214.
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