Coloide
En física i química, un coloide, sistema coloidal, suspensió coloidal o dispersió coloidal és un sistema conformat per dos o més fases, normalment una decorreguda (líquit o gas) i una atra dispersa en forma de partícules generalment sòlides molt fines, de diàmetro comprés entre 10-9 i 10-5 m.[1] La fase dispersa és la que es troba en menor proporció. Normalment la fase contínua és líquida, pero poden trobar-se coloide els components dels quals es troben en uns atres estats d'agregació de la matèria.
El nom de coloide prové de la raïl grega "kolas" que significa «que pot pegar-se». Este nom es referix a una de les principals propietats dels coloide: la seua tendència espontànea per a agregar o formar coàguls. D'ahí ve també la paraula "coa", el decorregut pastoso que servix per a pegar. Els coloide també afecten al punt d'ebullició del aigua i són contaminants. Els coloide es diferencien de les suspensions químiques, principalment en el tamany de les partícules de la fase dispersa. Les partícules en els coloide no són visibles directament, són visibles a nivell microscòpic (entre 1 nm i 1 µm), i en les suspensions químiques sí són visibles a nivell macroscòpic (majors de 1 µm). Ademés, en reposar, les fases d'una suspensió química se separen, mentres que les d'un coloide no ho fan, pel moviment browniano. La suspensió química és filtrable, mentres que el coloide no és filtrable.
Els sistemes coloidales són sistemes no homogéneus en els que les partícules constituents d'un o varis dels seus components (fase dispersa o dispersoide) tenen tamanys compresos entre 10 i 2000 Å, mentres que els restants components estan constituïts per partícules en tamany inferior a uns 10 Å (fase dispersante o mig de dispersió).[2]
Les partícules coloide tenen propietats intermiges entre les dissolució i les suspensions químiques; es troben disperses sense que estiguen unides a les molècules del dissolvent i no es sedimenta en deixar-les en repòs.[3]
En alguns casos les partícules són molèculas grans, com proteïnas. En la fase acuosa, una molècula es plega de tal manera que la seua part hidrofílica es troba en l'exterior, és dir la part que pot formar interaccions en molècules d'aigua a través de forces ió-dipol o forces pont d'hidrogen es mouen a la part externa de la molècula. Els coloide poden tindre una determinada viscosidad (la viscosidad és la resistència interna que presenta un decorregut: líquit o gas, al moviment relatiu de les seues molècules).
Tipos de coloide
[editar | editar còdic]Els coloide es classifiquen segons la magnitut de l'atracció entre la fase dispersa i la fase contínua o dispersante. Si esta última és líquida, els sistemes coloidales es cataloguen com a «sols» i es subdividen en «liófobos» (poca atracció entre la fase dispersa i el mig dispersante) i «liófilos» (gran atracció entre la fase dispersa i el mig dispersante). En els coloide liófilos la fase dispersa i el mig dispersante són afins, per lo tant formen solucions verdaderes i tenen caràcter termodinámicamente estable; mentres que els coloide liófobos són aquells a on la fase dispersa i el mig dispersante no són afins, poden formar dos fases i tenen caràcter cinéticamente estable. Una característica fonamental dels coloide liófobos és que no són termodinámicamente estables, com ya es va mencionar anteriorment, encara que posseïxen una estabilitat de tipo cinètic que els permet mantindre's en estat dispers durant llarcs periodos de temps. Les partícules coloidales són lo suficientment chicotetes com per a que el seu comportament estiga controlat pel moviment browniano i no per efectes macroscòpics, com les forces gravitatorias. En agregar-los certa cantitat de electrolito poden coagular, la cantitat depén de la valència i la naturalea del electrolito. Respecte a la classificació de coloide, cal destacar també que, si el mig dispersante és aigua es denominen «hidrófobos» (repulsió a l'aigua) i «hidrófilos» (atracció a l'aigua).
En la següent taula s'arrepleguen els distints tipos de coloide segons l'estat de les seues fases contínua i dispersa:[4]
| Fase dispersa | ||||
|---|---|---|---|---|
| Gas | Líquit | Sòlit | ||
| Fase contínua | Gas | No és possible perque tots els gasos són solubles entre sí. | Aerosol líquit, Eixemples: boira, bruma |
Aerosol sòlit, Eixemples: fum, pols en suspensió |
| Líquit | Bromera, Eixemples: bromera d'afaitat, nata |
Emulsió, |
Sol, Eixemples: pinturas, tinta chinenca | |
| Sòlit | Bromera sòlida, Eixemples: pedra pómez, aerogelés, merengue. |
Gel, |
Sol sòlit, Eixemples: cristal de rubí | |
En principi, no existix una regla fixa que establixca l'estat d'agregació en el que es tenen que trobar, tant la fase dispersa com el mig dispersante. Per lo tant, són possibles totes les combinacions imaginables, com es va mostrar en la taula anterior.
Actualment, i per les seues aplicacions industrials i biomèdiques, l'estudi dels coloide ha cobrat una gran importància dins de la fisicoquímica i de la física aplicada. Aixina, numerosos grups d'investigació de tot lo món es dediquen a l'estudi de les propietats òpticas, acústicas, d'estabilitat i del seu comportament front a camps externs. En particular, el comportament electrocinético (principalment les mides de movilitat electroforética) o la conductivitat elèctrica de la suspensió completa.
Per lo general, l'estudi dels coloide és experimental, encara que també es realisen grans esforços en els estudis teòrics, aixina com en desenroll de simulacions informàticas del seu comportament. En la major part dels fenomens coloidales, com la conductivitat i la movilitat electroforética, estes teories tan solament reproduïxen la realitat de manera qualitativa, pero l'acort quantitatiu seguix sense ser completament satisfactori.
Preparació
[editar | editar còdic]Hi ha dos formes principals de preparar coloide:[5]
- Dispersió de partícules grans o gotetes a les dimensions coloidales per mig de molienda, pulverización o aplicació de cisallament (per eixemple, agitació, mescla o mescla d'alta tensió de tall).
- Condensació de chicotetes molècules dissoltes en partícules coloidales més grans per precipitació, condensació o reaccions redox. Estos processos s'utilisen en la preparació de sílice coloidal o or coloidal.
Estabilisació
[editar | editar còdic]L'estabilitat d'un sistema coloidal es definix per les partícules que permaneixen suspeses en solució i depén de les forces d'interacció entre les partícules. Estos inclouen interaccions electrostàtiques i forces de van der Waals, perque abdós contribuïxen a la energia lliure general del sistema.[6]
Un coloide és estable si l'energia d'interacció deguda a les forces d'atracció entre les partícules coloidales és menor que kT, a on k és la constant de Boltzmann i T és la temperatura absoluta. Si este és el cas, les partícules coloidales es repeliran o solament s'atrauran débilmente entre sí, i la substància permaneixerà en suspensió.
Si l'energia d'interacció és major que kT, prevaldran les forces d'atracció i les partícules coloidales començaran a agrupar-se. Este procés es denomina generalment agregació , pero també es denomina floculació, coagulació o precipitació.[7] Si ben estos térmens a sovint s'usen indistintament, per a algunes definicions tenen significats llaugerament diferents. Per eixemple, la coagulació es pot utilisar per a descriure l'agregació permanent irreversible en la que les forces que mantenen unides les partícules són més fortes que qualsevol força externa provocada per l'agitació o la mescla. La floculació es pot utilisar per a descriure l'agregació reversible que implica forces d'atracció més dèbils, i l'agregat generalment es diu unfloc. El terme precipitació es reserva normalment per a descriure un canvi de fase d'una dispersió coloidal a un sòlit (precipitat) quan se somet a un destorbament.[8] L'agregació causa sedimentación o formació de crema, per lo tant, el coloide és inestable: si ocorre qualsevol d'estos processos, el coloide ya no serà una suspensió.
L'estabilisació electrostàtica i l'estabilisació estérica són els dos principals mecanismes d'estabilisació contra l'agregació.
- L'estabilisació electrostàtica es basa en la repulsió mútua de càrregues elèctriques similars. La càrrega de les partícules coloidales s'estructura en una doble capa elèctrica , a on les partícules es carreguen en la superfície, pero després atrauen contraiones (ions de càrrega oposta) que rodegen la partícula. La repulsió electrostàtica entre partícules coloidales suspeses es quantifica més fàcilment en térmens del potencial zeta . L'efecte combinat de l'atracció de van der Waals i la repulsió electrostàtica sobre l'agregació es descriu cuantitativamente per mig de la teoria DLVO.[8] Un método comú per a estabilisar un coloide (convertir-ho en un precipitat) és la peptización, un procés en el que s'agita en un electrolito.
- L'estabilisació estérica consistix en absorbir una capa d'polímero o tensioactivo sobre les partícules per a evitar que s'acosten al ranc de forces atractives.[8] L'polímero consta de cadenes que estan unides a la superfície de la partícula i la part de la cadena que s'estén cap a fòra és soluble en el mig de suspensió.[9] Esta tècnica s'utilisa per a estabilisar partícules coloidales en tot tipo de dissolvents, inclosos els solvents orgànics.[10]
També és possible una combinació dels dos mecanismes (estabilisació electrostérica).
Un método cridat estabilisació de la ret de gel representa la forma principal de produir coloide estables tant a l'agregació com a la sedimentación. El método consistix en afegir a la suspensió coloidal un polímero capaç de formar una ret de gel. L'assentament de partícules es veu obstaculisat per la rigidea de la matriu polimèrica a on les partícules queden atrapades,[11] i les cadenes polimèriques llargues poden proporcionar una estabilisació estérica o electrostérica a les partícules disperses. Eixemples de tals substàncies són xantano i goma guar.
Desestabilisació
[editar | editar còdic]La desestabilisació es pot conseguir per diferents métodos:
- Eliminació de la barrera electrostàtica que evita l'agregació de partícules. Açò es pot conseguir per mig de l'adició de sal a una suspensió per a reduir la llongitut del tamís Debye (l'ample de la doble capa elèctrica) de les partícules. També es conseguix canviant el pH d'una suspensió per a neutralisar eficaçment la càrrega superficial de les partícules en suspensió. Açò elimina les forces repulsivas que mantenen separades les partícules coloidales i permet l'agregació per les forces de van der Waals. Els canvis menors en el pH poden manifestar-se en una alteració significativa del potencial zeta . Quan la magnitut del potencial zeta es troba per baix d'un cert llindar, típicament al voltant de ± 5 mV, tendix a ocórrer una coagulació o agregació ràpida.[12]
- Adició d'un floculante polimèric carregat. Els floculantes polimèrics poden unir partícules coloidales individuals per mig d'atractives interaccions electrostàtiques. Per eixemple, les partícules d'argila o sílice coloidal carregades negativament poden flocularse per mig de l'adició d'un polímero carregat positivament.
- Adició d'polímero no adsorbidos cridats depletantes que causen agregació per efectes entrópicos.
Les suspensions coloidales inestables de fracció de baix volum formen suspensions líquides agrupades, en les que els grups individuals de partícules sedimentan si són més densos que el mig de suspensió, o crema si són menys densos. No obstant, les suspensions coloidales de fracció de major volum formen geles coloidales en propietats viscoelásticas. Els geles coloidales viscoelásticos, com la bentonita i la pasta de dents , fluïxen com a líquits baix la cisalla, pero mantenen la seua forma quan es lleva la cisalla. És per esta raó que la pasta de dents es pot esprémer d'un tubo de pasta de dents, pero permaneix en el raspall de dents despuix de la seua aplicació.
Supervisió de l'estabilitat
[editar | editar còdic]
La tècnica més utilisada per a monitorear l'estat de dispersió d'un producte i per a identificar i quantificar els fenomens de desestabilisació és la dispersió de llum múltiple junt en l'escanege vertical.[13][14][15][16] Este método, conegut com turbidimetría, es basa en medir la fracció de llum que, després de ser enviada a través de la mostra, és retrodispersada per les partícules coloidales. L'intensitat de la retrodispersión és directament proporcional al tamany mig de partícula i la fracció de volum de la fase dispersa. Per lo tant, es detecten i monitorean els canvis locals en la concentració causats per la sedimentación o la formació de crema, i l'acumulació de partícules causada per l'agregació.[17] Estos fenomens estan associats en coloide inestables.
La dispersió de llum dinàmica es pot utilisar per a detectar el tamany d'una partícula coloidal medint qué tan ràpit es difonen. Este método implica dirigir la llum làser cap a un coloide. La llum dispersa formarà un patró d'interferència, i la fluctuació en l'intensitat de la llum en este patró és causada pel moviment browniano de les partícules. Si el tamany aparent de les partícules aumenta degut a que s'agrupen a través de l'agregació, es produirà un moviment browniano més llent. Esta tècnica pot confirmar que s'ha produït l'agregació si es determina que el tamany de partícula aparent està més allà del ranc de tamany típic de les partícules coloidales.[6]
Acceleració dels métodos per a la predicció de la vida útil
[editar | editar còdic]El procés cinètic de desestabilisació pot ser prou llarc (fins a varis mesos o inclús anys per a alguns productes) i a sovint és necessari que el formulador utilise métodos d'acceleració adicionals per a alcançar un temps de desenroll raonable per al disseny d'un nou producte. Els métodos tèrmics són els més utilisats i consistixen en aumentar la temperatura per a accelerar la desestabilisació (per baix de les temperatures crítiques d'inversió de fase o degradació química). La temperatura afecta no solament a la viscosidad, sino també a la tensió interfacial en el cas dels tensioactivos no iònics o, més generalment, a les forces d'interacció dins del sistema. L'almagasenament d'una dispersió a altes temperatures permet simular les condicions de la vida real d'un producte (per eixemple, un tubo de crema de protecció solar en un automòvil en estiu), pero també accelerar els processos de desestabilisació fins a 200 voltes.A voltes s'utilisen centrifugación i agitació. Someten el producte a diferents forces que espenten les partícules / gotetes unes contra atres, ajudant aixina en el drenage de la película. No obstant, algunes emulsions mai es fusionarien en gravetat normal, mentres que ho fan en gravetat artificial.[18] Ademés, s'ha destacat la segregació de diferents poblacions de partícules quan s'utilisa centrifugación i vibració.[19]
Referències
[editar | editar còdic]- ↑ Química ambiental de sistemes terrestres, pag 40 en Google llibres
- ↑ Química General Pràctica, pag 111 en Google llibres
- ↑ «Macromolécula i coloide.». Archivat des d'el original, el 27 de juny de 2013. Consultat el 27 d'octubre de 2019.
- ↑ http://books.google.es/books. 41
- ↑ Kopeliovich, Dmitri. Preparation of colloids. substech.com
- ↑ 6,0 6,1 Everett, D. H.. Basic principles of colloid science, London: Royal Society of Chemistry. OCLC 232632488. ISBN 978-1-84755-020-0.
- ↑ “Terminology of polymers and polymerization processes in dispersed systems (IUPAC Recommendations 2011)” (de) . Pure and Applied Chemistry 83 (12): 2229–2259. doi:. ISSN 1365-3075.
- ↑ 8,0 8,1 8,2 “Intermolecular Force” (en) . Interface Science and Technology 18: 1–57. doi:. ISSN 1573-4285.
- ↑ Colloid stability : the role of surface forces. Part I, Tharwat F. Tadros, Weinheim: Wiley-VCH. OCLC 701308697. ISBN 978-3-527-63107-0.
- ↑ “Structure of Sterically Stabilized Colloids” . Langmuir 10 (7): 2206–2212. doi:. ISSN 0743-7463.
- ↑ Comba, Silvia. “Stabilization of highly concentrated suspensions of iron nanoparticles using shear-thinning gels of xanthan gum”. Water Research 43 (15): 3717–3726. doi:. PMID 19577785.
- ↑ “Zeta Potential Measurements in the Control of Coagulation Chemical Doses [with Discussion]” . Journal (American Water Works Association) 56 (2): 214–227. doi:. ISSN 0003-150X.
- ↑ “Systematic characterisation of oil-in-water emulsions for formulation design” (2003). International Journal of Pharmaceutics 263 (1–2): 85–94. doi:. PMID 12954183.
- ↑ “Novella polyester-polysaccharide nanoparticles” (2003). Pharmaceutical Research 20 (8): 1284–92. doi:. PMID 12948027.
- ↑ “Characterisation of instability of concentrated dispersions by a new optical analyser: the TURBISCAN MA 1000” (1999). Colloids and Surfaces A: Physicochemical and Engineering Aspects 152 (1–2): 111–123. doi:.
- ↑ Bru, P. (2004). Particle sizing and characterisation.
- ↑ “Stability of colloidal systems - a review of the stability measurements methods” . Annales Universitatis Mariae Curie-Sklodowska, sectio AA – Chemia 72 (1): 33. doi:. ISSN 2083-358X.
- ↑ Salager, J-L (2000). Pharmaceutical emulsions and suspensions, CRC press, p. 89. ISBN 978-0-8247-0304-2.
- ↑ “Size Segregation in a Fluïu-like or Gel-like Suspension Settling under Gravity or in a Centrifuge” (2008). Langmuir 24 (23): 13338–47. doi:. PMID 18986182.
- Este artícul conté una traducció derivada de «Coloide» de Wikipedia en castellà publicada baix la Llicència de documentació lliure de GNU i la Llicència Creative Commons Reconeiximent-CompartirIgual 4.0 Internacional.