Colóide

Imagem SEM de um colóide.

Um colóide é uma mistura na qual uma substância que consiste em partículas insolúveis dispersas microscopicamente é suspensa em outra substância. Algumas definições especificam que as partículas devem ser dispersas em um líquido, enquanto outras estendem a definição para incluir substâncias como aerossóis e géis. O termo suspensão coloidal refere-se inequivocamente à mistura geral (embora um sentido mais restrito da palavra suspensão se diferencie dos colóides pelo tamanho de partícula maior). Um colóide tem uma fase dispersa (as partículas suspensas) e uma fase contínua (o meio de suspensão). As partículas da fase dispersa têm um diâmetro de aproximadamente 1 nanômetro a 1 micrômetro.

Alguns colóides são translúcidos devido ao efeito Tyndall, que é a dispersão da luz pelas partículas no colóide. Outros colóides podem ser opacos ou ter uma leve cor.

As suspensões coloidais são o assunto da interface e da ciência coloidal. Este campo de estudo foi aberto em 1845 por Francesco Selmi e expandido por Michael Faraday e Thomas Graham, que cunharam o termo colóide em 1861.

Classificação

Os colóides podem ser classificados da seguinte forma:

Misturas homogêneas com uma fase dispersa nesta faixa de tamanho podem ser chamadas de aerossóis coloidais, emulsões coloidais, suspensões coloidais, coloidal espumas, dispersões coloidais ou hidrosóis.

• 

  Aerogel

• 

  Cubos de gelatina

• 

  Gel de sílica coloidal com opalescência leve

• 

  Creme de chocolate

• 

  Um boneco de gel de cabelo

• 

  Os cremes são emulsões semi-sólidas de óleo e água. Os cremes de óleo-em-água são usados para fins cosméticos enquanto cremes de água-em-óleo para fins medicinais

• 

  Efeito de Tyndall em um opalite: espalha a luz azul fazendo-a parecer azul do lado, mas a luz laranja brilha através; opal é um gel em que a água é dispersa em cristais de sílica

• 

  Leite - emulsão de globules de gordura líquida dispersos na água

• 

  Mistério

Hidrocolóides

Hidrocolóides descrevem certos produtos químicos (principalmente polissacarídeos e proteínas) que são coloidalmente dispersíveis em água. Tornando-se assim efetivamente "solúvel" eles alteram a reologia da água aumentando a viscosidade e/ou induzindo a gelificação. Eles podem fornecer outros efeitos interativos com outras substâncias químicas, em alguns casos sinérgicos, em outros antagônicos. Usando esses atributos, os hidrocolóides são produtos químicos muito úteis, pois em muitas áreas da tecnologia, desde alimentos até produtos farmacêuticos, cuidados pessoais e aplicações industriais, eles podem fornecer estabilização, desestabilização e separação, gelificação, controle de fluxo, controle de cristalização e vários outros efeitos. Além dos usos das formas solúveis, alguns dos hidrocolóides têm funcionalidade útil adicional na forma seca se, após a solubilização, eles tiverem a água removida - como na formação de filmes para tiras de respiração ou tripas de salsicha ou mesmo, fibras de curativo, algumas sendo mais compatível com a pele do que outros. Existem muitos tipos diferentes de hidrocolóides, cada um com diferenças na função e na utilidade da estrutura, que geralmente são mais adequados para áreas de aplicação específicas no controle da reologia e na modificação física da forma e textura. Alguns hidrocolóides como amido e caseína são alimentos úteis, bem como modificadores de reologia, outros têm valor nutritivo limitado, geralmente fornecendo uma fonte de fibra.

O termo hidrocolóides também se refere a um tipo de curativo projetado para reter a umidade na pele e ajudar no processo natural de cicatrização da pele, a fim de reduzir cicatrizes, coceira e dor.

Componentes

Os hidrocolóides contêm algum tipo de agente formador de gel, como carboximetilcelulose de sódio (NaCMC) e gelatina. Eles são normalmente combinados com algum tipo de selante, ou seja, poliuretano para 'grudar' à pele.

Colóide comparado com solução

Um colóide tem uma fase dispersa e uma fase contínua, enquanto em uma solução, o soluto e o solvente constituem apenas uma fase. Um soluto em uma solução são moléculas ou íons individuais, enquanto as partículas coloidais são maiores. Por exemplo, em uma solução de sal em água, o cristal de cloreto de sódio (NaCl) se dissolve e os íons Na⁺ e Cl⁻ são cercados por moléculas de água. No entanto, em um colóide como o leite, as partículas coloidais são glóbulos de gordura, em vez de moléculas individuais de gordura. Como o colóide é de múltiplas fases, ele tem propriedades muito diferentes em comparação com a solução contínua totalmente misturada.

Interação entre partículas

As seguintes forças desempenham um papel importante na interação de partículas colóides:

• Repulsão de volume excluída: Isso se refere à impossibilidade de qualquer sobreposição entre partículas duras.
• Interação eletrostática: As partículas coloidal frequentemente carregam uma carga elétrica e, portanto, atraem ou repelem-se. A carga da fase contínua e dispersa, bem como a mobilidade das fases são fatores que afetam essa interação.
• - Não. Forças de cintura: Isto deve-se à interação entre dois dipolos que são permanentes ou induzidos. Mesmo que as partículas não tenham um dipolo permanente, as flutuações da densidade de elétrons dão origem a um dipolo temporário em uma partícula. Este dipolo temporário induz um dipolo em partículas próximas. O dipolo temporário e os dipolos induzidos são então atraídos uns aos outros. Isto é conhecido como força van der Waals, e está sempre presente (a menos que os índices de refração das fases dispersas e contínuas sejam combinados), é de curto alcance, e é atraente.
• As forças téricas entre superfícies cobertas por polímeros ou em soluções contendo polímeros não adsorventes podem modular forças interpartículas, produzindo uma força repulsiva estéérica adicional (que é predominantemente entropica em origem) ou uma força de depleção atraente entre elas.

Velocidade de sedimentação

Movimento browniano de partículas poliméricas de 350 nm de diâmetro.

O campo gravitacional da Terra atua sobre as partículas coloidais. Portanto, se as partículas coloidais forem mais densas que o meio de suspensão, elas irão sedimentar (cair para o fundo), ou se forem menos densas, irão desnatar (flutuar para o topo). Partículas maiores também têm maior tendência a sedimentar porque têm movimento browniano menor para neutralizar esse movimento.

A velocidade de sedimentação ou creme é encontrada igualando a força de arrasto de Stokes com a força gravitacional:

mAg= = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = =6D D ? ? Rv{displaystyle m_{A}g=6pi eta rv}

onde

mAg- Sim. é o peso arqueico das partículas coloidal,

? ? - Sim. é a viscosidade do meio de suspensão,

RNão. é o raio da partícula coloidal,

e vNão. é a sedimentação ou velocidade de creme.

A massa da partícula coloidal é encontrada usando:

mA= = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = =V(? ? 1- Sim. - Sim. ? ? 2)Não. m_{A}=V(rho _{1}-rho _{2}

onde

VNão. é o volume da partícula coloidal, calculada usando o volume de uma esfera V= = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = =43D D R3{displaystyle V={frac {4}{3}}pi r^{3}},

e ? ? 1- Sim. - Sim. ? ? 2{displaystyle rho _{1}-rho _{2}} é a diferença na densidade de massa entre a partícula coloidal e o meio de suspensão.

Ao reorganizar, a velocidade de sedimentação ou creme é:

v= = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = =mAg6D D ? ? R- Sim. {m_{A}g}{6pi eta r}}}

Existe um limite de tamanho superior para o diâmetro das partículas coloidais porque as partículas maiores que 1 μm tendem a sedimentar e, portanto, a substância não seria mais considerada uma suspensão coloidal.

Diz-se que as partículas coloidais estão em equilíbrio de sedimentação se a taxa de sedimentação for igual à taxa de movimento do movimento browniano.

Preparação

Existem duas maneiras principais de preparar colóides:

• Dispersão de grandes partículas ou gotículas para as dimensões coloidal por fresagem, pulverização ou aplicação de cisalhamento (por exemplo, agitação, mistura ou alta mistura de cisalhamento).
• Condensação de pequenas moléculas dissolvidas em partículas coloidal maiores por precipitação, condensação ou reações redox. Tais processos são usados na preparação de sílica coloidal ou ouro.

Estabilização

A estabilidade de um sistema coloidal é definida pelas partículas que permanecem suspensas na solução e depende das forças de interação entre as partículas. Isso inclui interações eletrostáticas e forças de van der Waals, porque ambas contribuem para a energia livre geral do sistema.

Um colóide é estável se a energia de interação devido às forças atrativas entre as partículas coloidais for menor que kT, onde k é a constante de Boltzmann e T é a temperatura absoluta. Se for esse o caso, as partículas coloidais irão se repelir ou apenas se atrair fracamente, e a substância permanecerá uma suspensão.

Se a energia de interação for maior que kT, as forças atrativas prevalecerão e as partículas coloidais começarão a se agrupar. Este processo é geralmente referido como agregação, mas também é referido como floculação, coagulação ou precipitação. Embora esses termos sejam frequentemente usados de forma intercambiável, para algumas definições eles têm significados ligeiramente diferentes. Por exemplo, a coagulação pode ser usada para descrever a agregação irreversível e permanente, onde as forças que mantêm as partículas unidas são mais fortes do que quaisquer forças externas causadas pela agitação ou mistura. A floculação pode ser usada para descrever a agregação reversível envolvendo forças atrativas mais fracas, e o agregado é geralmente chamado de floco. O termo precipitação é normalmente reservado para descrever uma mudança de fase de uma dispersão coloidal para um sólido (precipitado) quando é submetido a uma perturbação. A agregação causa sedimentação ou formação de creme, portanto o colóide é instável: se algum desses processos ocorrer, o colóide não será mais uma suspensão.

Exemplos de uma dispersão coloidal estável e instável.

Estabilização eletrostática e estabilização estérica são os dois principais mecanismos de estabilização contra agregação.

• Estabilização eletrostática é baseada na repulsão mútua de cargas elétricas. A carga de partículas coloidal é estruturada em uma camada dupla elétrica, onde as partículas são carregadas na superfície, mas então atraem contrações (iões de carga oposta) que cercam a partícula. A repulsão eletrostática entre partículas coloidal suspensas é mais facilmente quantificada em termos do potencial zeta. O efeito combinado da atração van der Waals e repulsão eletrostática na agregação é descrito quantitativamente pela teoria DLVO. Um método comum de estabilizar um colóide (convertendo-o de um precipitado) é peptização, um processo onde é abalado com um eletrólito.
• Estabilização térica consiste em absorver uma camada de um polímero ou surfactante nas partículas para evitar que eles se aproximem na gama de forças atraentes. O polímero consiste em cadeias que estão ligadas à superfície da partícula, e a parte da cadeia que se estende é solúvel no meio da suspensão. Esta técnica é usada para estabilizar partículas coloidal em todos os tipos de solventes, incluindo solventes orgânicos.

Também é possível uma combinação dos dois mecanismos (estabilização eletrostérica).

Estabilização de rede esteric e gel.

Um método chamado estabilização de rede de gel representa a principal maneira de produzir colóides estáveis à agregação e sedimentação. O método consiste em adicionar à suspensão coloidal um polímero capaz de formar uma rede de gel. O assentamento de partículas é dificultado pela rigidez da matriz polimérica onde as partículas são aprisionadas, e as longas cadeias poliméricas podem fornecer uma estabilização estérica ou eletroestérica para partículas dispersas. Exemplos de tais substâncias são goma xantana e goma guar.

Desestabilização

A desestabilização pode ser realizada por diferentes métodos:

• Remoção da barreira eletrostática que impede a agregação das partículas. Isso pode ser realizado pela adição de sal a uma suspensão para reduzir o comprimento de triagem Debye (a largura da camada dupla elétrica) das partículas. Também é realizado alterando o pH de uma suspensão para neutralizar efetivamente a carga superficial das partículas em suspensão. Isso remove as forças repulsivas que mantêm partículas coloidal separadas e permite a agregação devido às forças van der Waals. Pequenas mudanças no pH podem se manifestar em alteração significativa ao potencial zeta. Quando a magnitude do potencial zeta está abaixo de um determinado limiar, tipicamente em torno de ± 5mV, a coagulação rápida ou a agregação tende a ocorrer.
• Adição de um floculante de polímero carregado. Os flocculants de polímero podem unir partículas individuais coloidal por interações eletrostáticas atraentes. Por exemplo, partículas de sílica ou argila coloidal carregadas negativamente podem ser floculadas pela adição de um polímero carregado positivamente.
• Adição de polímeros não adsorvidos chamados de depletantes que causam agregação devido a efeitos entropic.

Suspensões coloidais instáveis de fração de baixo volume formam suspensões líquidas agrupadas, em que aglomerados individuais de partículas sedimentam se forem mais densos que o meio de suspensão, ou creme se forem menos densos. No entanto, suspensões coloidais de frações de maior volume formam géis coloidais com propriedades viscoelásticas. Géis coloidais viscoelásticos, como bentonita e creme dental, fluem como líquidos sob cisalhamento, mas mantêm sua forma quando o cisalhamento é removido. É por esta razão que a pasta de dente pode ser espremida de um tubo de pasta de dente, mas permanece na escova de dente depois de aplicada.

Monitoramento da estabilidade

Princípio de medição de dispersão de luz múltipla acoplado com digitalização vertical

A técnica mais amplamente utilizada para monitorar o estado de dispersão de um produto e para identificar e quantificar fenômenos de desestabilização é a dispersão múltipla de luz acoplada à varredura vertical. Esse método, conhecido como turbidimetria, baseia-se na medição da fração de luz que, ao passar pela amostra, é retroespalhada pelas partículas coloidais. A intensidade da retrodifusão é diretamente proporcional ao tamanho médio das partículas e à fração de volume da fase dispersa. Portanto, mudanças locais na concentração causadas por sedimentação ou formação de creme, e aglomeração de partículas causadas por agregação, são detectadas e monitoradas. Esses fenômenos estão associados a colóides instáveis.

A dispersão de luz dinâmica pode ser usada para detectar o tamanho de uma partícula coloidal medindo a rapidez com que se difundem. Este método envolve direcionar a luz do laser para um colóide. A luz espalhada formará um padrão de interferência, e a flutuação na intensidade da luz nesse padrão é causada pelo movimento browniano das partículas. Se o tamanho aparente das partículas aumentar devido ao agrupamento por agregação, isso resultará em um movimento browniano mais lento. Esta técnica pode confirmar que a agregação ocorreu se o tamanho aparente da partícula for determinado como estando além da faixa de tamanho típica para partículas coloidais.

Métodos de aceleração para previsão do prazo de validade

O processo cinético de desestabilização pode ser bastante longo (até vários meses ou mesmo anos para alguns produtos) e muitas vezes é necessário que o formulador use métodos de aceleração adicionais para atingir um tempo de desenvolvimento razoável para o design de novos produtos. Os métodos térmicos são os mais utilizados e consistem em aumentar a temperatura para acelerar a desestabilização (abaixo das temperaturas críticas de inversão de fase ou degradação química). A temperatura afeta não apenas a viscosidade, mas também a tensão interfacial no caso de surfactantes não iônicos ou, mais geralmente, forças de interação dentro do sistema. Armazenar uma dispersão em altas temperaturas permite simular condições da vida real para um produto (por exemplo, tubo de protetor solar em um carro no verão), mas também acelerar processos de desestabilização em até 200 vezes. Aceleração mecânica incluindo vibração, centrifugação e agitação são algumas vezes usadas. Submetem o produto a diversas forças que empurram as partículas/gotículas umas contra as outras, auxiliando assim na drenagem do filme. No entanto, algumas emulsões nunca coalesceriam em gravidade normal, enquanto o fazem sob gravidade artificial. Além disso, a segregação de diferentes populações de partículas foi destacada ao usar centrifugação e vibração.

Como um sistema modelo para átomos

Na física, os colóides são um sistema modelo interessante para os átomos. As partículas coloidais em escala micrométrica são grandes o suficiente para serem observadas por técnicas ópticas, como a microscopia confocal. Muitas das forças que governam a estrutura e o comportamento da matéria, como interações de volume excluído ou forças eletrostáticas, governam a estrutura e o comportamento das suspensões coloidais. Por exemplo, as mesmas técnicas usadas para modelar gases ideais podem ser aplicadas para modelar o comportamento de uma suspensão coloidal de esfera dura. Além disso, as transições de fase em suspensões coloidais podem ser estudadas em tempo real usando técnicas ópticas e são análogas às transições de fase em líquidos. Em muitos casos interessantes, a fluidez óptica é usada para controlar as suspensões colóides.

Cristais

Um cristal coloidal é uma matriz altamente ordenada de partículas que podem ser formadas em um intervalo muito longo (normalmente da ordem de alguns milímetros a um centímetro) e que parecem análogas às suas contrapartes atômicas ou moleculares. Um dos melhores exemplos naturais desse fenômeno de ordenação pode ser encontrado na preciosa opala, na qual regiões brilhantes de pura cor espectral resultam de domínios compactados de esferas coloidais amorfas de dióxido de silício (ou sílica, SiO₂). Essas partículas esféricas precipitam em poças altamente siliciosas na Austrália e em outros lugares, e formam essas matrizes altamente ordenadas após anos de sedimentação e compressão sob forças hidrostáticas e gravitacionais. As matrizes periódicas de partículas esféricas submicrométricas fornecem matrizes semelhantes de vazios intersticiais, que atuam como uma grade de difração natural para ondas de luz visíveis, particularmente quando o espaçamento intersticial é da mesma ordem de grandeza da onda de luz incidente.

Assim, sabe-se há muitos anos que, devido às interações coulômbicas repulsivas, macromoléculas carregadas eletricamente em um ambiente aquoso podem exibir correlações semelhantes a cristais de longo alcance com distâncias de separação interpartículas, muitas vezes sendo consideravelmente maiores que o diâmetro individual da partícula. Em todos esses casos na natureza, a mesma iridescência brilhante (ou jogo de cores) pode ser atribuída à difração e à interferência construtiva de ondas de luz visíveis que satisfazem a lei de Bragg, de forma análoga ao espalhamento de raios X em sólidos cristalinos.

O grande número de experimentos explorando a física e a química desses chamados "cristais coloidais" surgiu como resultado de métodos relativamente simples que evoluíram nos últimos 20 anos para preparar colóides sintéticos monodispersos (tanto polímeros quanto minerais) e, através de vários mecanismos, implementando e preservando sua formação de ordem de longo alcance.

Em biologia

A separação de fases coloidais é um importante princípio organizador para a compartimentalização do citoplasma e do núcleo das células em condensados biomoleculares—semelhante em importância à compartimentalização via membranas de camada dupla lipídica, um tipo de cristal líquido. O termo condensado biomolecular tem sido usado para se referir a aglomerados de macromoléculas que surgem via separação de fase líquido-líquido ou líquido-sólido dentro das células. A aglomeração macromolecular aumenta fortemente a separação da fase coloidal e a formação de condensados biomoleculares.

No ambiente

As partículas coloidais também podem servir como vetores de transporte de diversos contaminantes nas águas superficiais (água do mar, lagos, rios, massas de água doce) e nas águas subterrâneas que circulam nas rochas fissuradas (por exemplo, calcário, arenito, granito). Radionuclídeos e metais pesados sorvem facilmente em colóides suspensos em água. Vários tipos de colóides são reconhecidos: colóides inorgânicos (por exemplo, partículas de argila, silicatos, oxi-hidróxidos de ferro), colóides orgânicos (substâncias húmicas e fúlvicas). Quando metais pesados ou radionuclídeos formam seus próprios colóides puros, o termo "eigencolóide" é usado para designar fases puras, ou seja, Tc(OH)₄ puro, U(OH)₄ ou Am(OH)₃. Suspeita-se de colóides para o transporte de plutônio de longo alcance no local de teste nuclear de Nevada. Eles têm sido objeto de estudos detalhados por muitos anos. No entanto, a mobilidade dos colóides inorgânicos é muito baixa em bentonitas compactadas e em formações argilosas profundas. devido ao processo de ultrafiltração que ocorre na densa membrana de argila. A questão é menos clara para pequenos colóides orgânicos frequentemente misturados em água intersticial com moléculas orgânicas verdadeiramente dissolvidas.

Na ciência do solo, a fração coloidal nos solos consiste em minúsculas partículas de argila e húmus com menos de 1 μm de diâmetro e carregam cargas eletrostáticas positivas e/ou negativas que variam dependendo das condições químicas da amostra de solo, ou seja, solo pH.

Terapia intravenosa

As soluções colóides usadas na terapia intravenosa pertencem a um grupo importante de expansores de volume e podem ser usadas para reposição de fluidos intravenosos. Os colóides preservam uma alta pressão coloidosmótica no sangue e, portanto, deveriam teoricamente aumentar preferencialmente o volume intravascular, enquanto outros tipos de expansores de volume chamados cristalóides também aumentam o volume intersticial e o volume intracelular. No entanto, ainda há controvérsia sobre a real diferença de eficácia por essa diferença, e grande parte da pesquisa relacionada a esse uso de colóides é baseada em pesquisas fraudulentas de Joachim Boldt. Outra diferença é que os cristalóides geralmente são muito mais baratos que os colóides.