Coloide

Imagen SEM de un colloide.

Un coloide es una mezcla en la que una sustancia que consta de partículas insolubles microscópicamente dispersas se encuentra suspendida en otra sustancia. Algunas definiciones especifican que las partículas deben dispersarse en un líquido, mientras que otras amplían la definición para incluir sustancias como aerosoles y geles. El término suspensión coloidal se refiere sin ambigüedad a la mezcla total (aunque un sentido más estricto de la palabra suspensión se distingue de los coloides por el tamaño de partícula más grande). Un coloide tiene una fase dispersa (las partículas suspendidas) y una fase continua (el medio de suspensión). Las partículas de la fase dispersa tienen un diámetro de aproximadamente 1 nanómetro a 1 micrómetro.

Algunos coloides son translúcidos debido al efecto Tyndall, que es la dispersión de la luz por las partículas del coloide. Otros coloides pueden ser opacos o tener un ligero color.

Las suspensiones coloidales son objeto de la ciencia de interfases y coloides. Este campo de estudio fue introducido en 1845 por el químico italiano Francesco Selmi y más investigado desde 1861 por el científico escocés Thomas Graham.

Clasificación

Los coloides se pueden clasificar de la siguiente manera:

Las mezclas homogéneas con una fase dispersa en este rango de tamaño pueden denominarse aerosoles coloidales, emulsiones coloidales, suspensiones coloidales, coloidales espumas, dispersiones coloidales o hidrosoles.

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  Aerogel

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  Jello cubes

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  gel de sílice frío con ligera opalecencia

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  Crema batida

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  Mist

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  Efecto Tyndall en una opalita: dispersa la luz azul haciendo que parezca azul del lado, pero la luz naranja brilla a través; opal es un gel en el que el agua se dispersa en cristales de sílice

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  Leche - emulsión de glóbulos líquidos de mantequilla de grasa dispersos en agua

Hidrocoloides

Hidrocoloides describen ciertas sustancias químicas (principalmente polisacáridos y proteínas) que se dispersan coloidalmente en agua. Convirtiéndose así efectivamente en "soluble" cambian la reología del agua elevando la viscosidad y/o induciendo la gelificación. Pueden proporcionar otros efectos interactivos con otros productos químicos, en algunos casos sinérgicos, en otros antagónicos. Usando estos atributos, los hidrocoloides son químicos muy útiles ya que en muchas áreas de la tecnología, desde alimentos hasta productos farmacéuticos, cuidado personal y aplicaciones industriales, pueden proporcionar estabilización, desestabilización y separación, gelificación, control de flujo, control de cristalización y muchos otros efectos. Además de los usos de las formas solubles, algunos de los hidrocoloides tienen una funcionalidad útil adicional en forma seca si después de la solubilización se les elimina el agua, como en la formación de películas para tiras para el aliento o tripas de salchichas o, de hecho, fibras para apósitos para heridas, siendo algunos más compatible con la piel que otros. Hay muchos tipos diferentes de hidrocoloides, cada uno con diferencias en la estructura, la función y la utilidad que, por lo general, se adaptan mejor a áreas de aplicación particulares en el control de la reología y la modificación física de la forma y la textura. Algunos hidrocoloides como el almidón y la caseína son alimentos útiles, así como modificadores de la reología, otros tienen un valor nutritivo limitado y generalmente proporcionan una fuente de fibra.

El término hidrocoloides también se refiere a un tipo de vendaje diseñado para retener la humedad en la piel y ayudar al proceso natural de curación de la piel para reducir las cicatrices, la picazón y el dolor.

Componentes

Los hidrocoloides contienen algún tipo de agente formador de gel, como la carboximetilcelulosa sódica (NaCMC) y la gelatina. Normalmente se combinan con algún tipo de sellador, es decir, poliuretano para 'pegar' a la piel

Coloide comparado con solución

Un coloide tiene una fase dispersa y una fase continua, mientras que en una solución, el soluto y el solvente constituyen una sola fase. Un soluto en una solución son moléculas o iones individuales, mientras que las partículas coloidales son más grandes. Por ejemplo, en una solución de sal en agua, el cristal de cloruro de sodio (NaCl) se disuelve y los iones Na⁺ y Cl⁻ están rodeados de moléculas de agua. Sin embargo, en un coloide como la leche, las partículas coloidales son glóbulos de grasa, en lugar de moléculas de grasa individuales. Debido a que el coloide tiene múltiples fases, tiene propiedades muy diferentes en comparación con una solución continua completamente mezclada.

Interacción entre partículas

Las siguientes fuerzas juegan un papel importante en la interacción de las partículas coloidales:

• Repulsión de volumen no incluida: Esto se refiere a la imposibilidad de cualquier solapamiento entre partículas duras.
• Interacción electrostática: Las partículas colonizadoras a menudo llevan una carga eléctrica y por lo tanto atraen o repelen entre sí. La carga de la fase continua y dispersa, así como la movilidad de las fases son factores que afectan a esta interacción.
• van der Waals forces: Esto se debe a la interacción entre dos dipoles que son permanentes o inducidos. Incluso si las partículas no tienen una dipole permanente, las fluctuaciones de la densidad del electrón dan lugar a una dipole temporal en una partícula. Este dipolo temporal induce un dipolo en partículas cercanas. La dipola temporal y las dipoles inducidas se atraen mutuamente. Esto se conoce como fuerza van der Waals, y siempre está presente (a menos que los índices refractivos de las fases dispersas y continuas sean iguales), es de corto alcance y es atractivo.
• Las fuerzas estéticas entre superficies cubiertas de polímero o en soluciones que contengan polímeros no adsorosos pueden modular las fuerzas de interpartícula, produciendo una fuerza repulsiva esterística adicional (que es predominantemente entropica en origen) o una fuerza atractiva de agotamiento entre ellas.

Velocidad de sedimentación

Movimiento marrón de partículas de polímero de 350 nm de diámetro.

El campo gravitatorio de la Tierra actúa sobre las partículas coloidales. Por lo tanto, si las partículas coloidales son más densas que el medio de suspensión, se sedimentarán (caerán al fondo), o si son menos densas, se cremarán (flotarán hacia la parte superior). Las partículas más grandes también tienen una mayor tendencia a sedimentar porque tienen un movimiento browniano más pequeño para contrarrestar este movimiento.

La velocidad de sedimentación o formación de crema se encuentra igualando la fuerza de arrastre de Stokes con la fuerza gravitatoria:

mAg=6π π .. rv{displaystyle m_{A}g=6pieta rv}

dónde

mAg{displaystyle m_{A}g} es el peso arquímico de las partículas coloides,

.. {displaystyle eta } es la viscosidad del medio de suspensión,

r{displaystyle r} es el radio de la partícula colloidal,

y v{displaystyle v} es la sedimentación o velocidad cremosa.

La masa de la partícula coloidal se encuentra usando:

mA=V()*** *** 1− − *** *** 2){displaystyle M_{A}=V(rho) ¿Qué?

dónde

V{displaystyle V} es el volumen de la partícula coloidal, calculado utilizando el volumen de una esfera V=43π π r3{displaystyle V={}}pi r^{3},

y *** *** 1− − *** *** 2{displaystyle rho _{1}-rho ¿Qué? es la diferencia de densidad de masa entre la partícula colloidal y el medio de suspensión.

Al reorganizar, la velocidad de sedimentación o formación de crema es:

v=mAg6π π .. r{displaystyle v={frac {m_{A}g}{6pi eta r}}

Existe un límite de tamaño superior para el diámetro de las partículas coloidales porque las partículas de más de 1 μm tienden a sedimentar y, por lo tanto, la sustancia ya no se consideraría una suspensión coloidal.

Se dice que las partículas coloidales están en equilibrio de sedimentación si la tasa de sedimentación es igual a la tasa de movimiento del movimiento browniano.

Preparación

Hay dos formas principales de preparar coloides:

• Dispersión de partículas grandes o gotitas a las dimensiones coloidales al fresado, rociado o aplicación de tijera (por ejemplo, agitación, mezclado o mezcla de tijera alta).
• Condensación de pequeñas moléculas disueltas en partículas coloides más grandes por precipitación, condensación o reacciones redox. Estos procesos se utilizan en la preparación de sílice coloides o oro.

Estabilización

La estabilidad de un sistema coloidal se define por las partículas que permanecen suspendidas en la solución y depende de las fuerzas de interacción entre las partículas. Estos incluyen interacciones electrostáticas y fuerzas de van der Waals, porque ambas contribuyen a la energía libre general del sistema.

Un coloide es estable si la energía de interacción debida a las fuerzas de atracción entre las partículas coloidales es menor que kT, donde k es la constante de Boltzmann y T es la temperatura absoluta. Si este es el caso, entonces las partículas coloidales se repelerán o se atraerán débilmente, y la sustancia permanecerá en suspensión.

Si la energía de interacción es mayor que kT, prevalecerán las fuerzas de atracción y las partículas coloidales comenzarán a agruparse. Este proceso se denomina generalmente agregación, pero también se denomina floculación, coagulación o precipitación. Si bien estos términos a menudo se usan indistintamente, para algunas definiciones tienen significados ligeramente diferentes. Por ejemplo, la coagulación se puede utilizar para describir una agregación permanente e irreversible en la que las fuerzas que mantienen unidas las partículas son más fuertes que cualquier fuerza externa provocada por la agitación o la mezcla. La floculación se puede utilizar para describir la agregación reversible que involucra fuerzas de atracción más débiles, y el agregado generalmente se denomina floc. El término precipitación normalmente se reserva para describir un cambio de fase de una dispersión coloidal a un sólido (precipitado) cuando se somete a una perturbación. La agregación provoca la sedimentación o formación de crema, por lo que el coloide es inestable: si ocurre cualquiera de estos procesos, el coloide dejará de ser una suspensión.

Ejemplos de una dispersión coloides estable y inestable.

La estabilización electrostática y la estabilización estérica son los dos mecanismos principales para la estabilización contra la agregación.

• La estabilización electrostática se basa en la repulsión mutua de cargas eléctricas similares. La carga de partículas coloidales se estructura en una doble capa eléctrica, donde las partículas se cargan en la superficie, pero luego atraen contraposiciones (iones de carga opuesta) que rodean la partícula. La repulsión electrostática entre partículas colloidales suspendidas es más fácilmente cuantificada en términos del potencial de zeta. El efecto combinado de la atracción van der Waals y la repulsión electrostática sobre la agregación se describe cuantitativamente por la teoría DLVO. Un método común de estabilización de un coloides (convertirlo de un precipitado) es la peptización, un proceso donde se sacude con un electrolito.
• La estabilización estética consiste en absorber una capa de polímero o surfactante en las partículas para evitar que se acerquen en la gama de fuerzas atractivas. El polímero se compone de cadenas que se unen a la superficie de partículas, y la parte de la cadena que se extiende es soluble en el medio de suspensión. Esta técnica se utiliza para estabilizar partículas colloidales en todo tipo de solventes, incluyendo disolventes orgánicos.

También es posible una combinación de los dos mecanismos (estabilización electroestérica).

Estabilización de la red de vapor y gel.

Un método llamado estabilización de red de gel representa la forma principal de producir coloides estables tanto a la agregación como a la sedimentación. El método consiste en añadir a la suspensión coloidal un polímero capaz de formar una red de gel. La sedimentación de partículas se ve obstaculizada por la rigidez de la matriz polimérica donde quedan atrapadas las partículas, y las largas cadenas poliméricas pueden proporcionar una estabilización estérica o electrostérica a las partículas dispersas. Ejemplos de tales sustancias son xantano y goma guar.

Desestabilización

La desestabilización se puede lograr por diferentes métodos:

• Eliminación de la barrera electrostática que impide la agregación de las partículas. Esto se puede lograr mediante la adición de sal a una suspensión para reducir la longitud de detección Debye (la anchura de la capa doble eléctrica) de las partículas. También se logra cambiando el pH de una suspensión para neutralizar eficazmente la carga superficial de las partículas en suspensión. Esto elimina las fuerzas repulsivas que mantienen separadas las partículas coloidales y permite la agregación debido a las fuerzas de van der Waals. Los cambios menores en el pH pueden manifestarse en una alteración significativa del potencial zeta. Cuando la magnitud del potencial de zeta está por debajo de un determinado umbral, normalmente alrededor de ± 5mV, la coagulación rápida o la agregación tiende a ocurrir.
• Adición de un floculante de polímero cargado. Los floculantes polímeros pueden puentear partículas coloides individuales por interacciones electrostáticas atractivas. Por ejemplo, las partículas coloidales o de arcilla cargadas negativamente pueden ser floculadas por la adición de un polímero cargado positivamente.
• Adición de polímeros no adscritos llamados despletantes que causan agregación debido a efectos entropicos.

Las suspensiones coloidales inestables de fracción de bajo volumen forman suspensiones líquidas agrupadas, en las que los grupos individuales de partículas sedimentan si son más densos que el medio de suspensión, o se vuelven crema si son menos densos. Sin embargo, las suspensiones coloidales de fracciones de mayor volumen forman geles coloidales con propiedades viscoelásticas. Los geles coloidales viscoelásticos, como la bentonita y la pasta de dientes, fluyen como líquidos bajo cizallamiento, pero mantienen su forma cuando se elimina el cizallamiento. Es por esta razón que la pasta de dientes se puede exprimir de un tubo de pasta de dientes, pero permanece en el cepillo de dientes después de aplicarlo.

Supervisión de la estabilidad

Principio de medición de dispersión de luz múltiple junto con escaneo vertical

La técnica más utilizada para controlar el estado de dispersión de un producto y para identificar y cuantificar los fenómenos de desestabilización es la dispersión de luz múltiple junto con el escaneo vertical. Este método, conocido como turbidimetría, se basa en medir la fracción de luz que, tras ser enviada a través de la muestra, es retrodispersada por las partículas coloidales. La intensidad de retrodispersión es directamente proporcional al tamaño de partícula promedio y la fracción de volumen de la fase dispersa. Por lo tanto, se detectan y monitorean los cambios locales en la concentración causados por la sedimentación o la formación de crema, y la acumulación de partículas causada por la agregación. Estos fenómenos están asociados con coloides inestables.

La dispersión dinámica de la luz se puede utilizar para detectar el tamaño de una partícula coloidal midiendo la rapidez con la que se difunden. Este método consiste en dirigir la luz láser hacia un coloide. La luz dispersada formará un patrón de interferencia y la fluctuación en la intensidad de la luz en este patrón es causada por el movimiento browniano de las partículas. Si el tamaño aparente de las partículas aumenta debido a que se agrupan a través de la agregación, se producirá un movimiento browniano más lento. Esta técnica puede confirmar que se ha producido agregación si se determina que el tamaño aparente de las partículas está más allá del rango de tamaño típico de las partículas coloidales.

Métodos acelerados para la predicción de la vida útil

El proceso cinético de desestabilización puede ser bastante largo (hasta varios meses o incluso años para algunos productos) y, a menudo, se requiere que el formulador utilice más métodos de aceleración para alcanzar un tiempo de desarrollo razonable para el diseño de nuevos productos. Los métodos térmicos son los más utilizados y consisten en aumentar la temperatura para acelerar la desestabilización (por debajo de las temperaturas críticas de inversión de fase o degradación química). La temperatura afecta no solo a la viscosidad, sino también a la tensión interfacial en el caso de los tensioactivos no iónicos o, más generalmente, a las fuerzas de interacción dentro del sistema. El almacenamiento de una dispersión a altas temperaturas permite simular las condiciones reales de un producto (por ejemplo, un tubo de crema de protección solar en un coche en verano), pero también acelerar los procesos de desestabilización hasta 200 veces. A veces se utiliza la aceleración mecánica que incluye vibración, centrifugación y agitación. Someten el producto a diferentes fuerzas que empujan las partículas/gotas entre sí, ayudando así en el drenaje de la película. Sin embargo, algunas emulsiones nunca se unirían en condiciones de gravedad normal, mientras que lo hacen en condiciones de gravedad artificial. Además, se ha destacado la segregación de diferentes poblaciones de partículas al utilizar centrifugación y vibración.

Como sistema modelo para átomos

En física, los coloides son un sistema modelo interesante para los átomos. Las partículas coloidales de escala micrométrica son lo suficientemente grandes como para ser observadas mediante técnicas ópticas como la microscopía confocal. Muchas de las fuerzas que gobiernan la estructura y el comportamiento de la materia, como las interacciones de volumen excluido o las fuerzas electrostáticas, gobiernan la estructura y el comportamiento de las suspensiones coloidales. Por ejemplo, las mismas técnicas utilizadas para modelar gases ideales se pueden aplicar para modelar el comportamiento de una suspensión coloidal de esfera dura. Además, las transiciones de fase en suspensiones coloidales se pueden estudiar en tiempo real utilizando técnicas ópticas y son análogas a las transiciones de fase en líquidos. En muchos casos interesantes, la fluidez óptica se usa para controlar las suspensiones de coloides.

Cristales

Un cristal coloidal es una matriz altamente ordenada de partículas que se pueden formar en un rango muy largo (normalmente del orden de unos pocos milímetros a un centímetro) y que parecen análogas a sus contrapartes atómicas o moleculares. Uno de los mejores ejemplos naturales de este fenómeno de ordenación se puede encontrar en el ópalo precioso, en el que regiones brillantes de color espectral puro resultan de dominios compactos de esferas coloidales amorfas de dióxido de silicio (o sílice, SiO₂). Estas partículas esféricas se precipitan en charcos altamente silíceos en Australia y otros lugares, y forman estas matrices altamente ordenadas después de años de sedimentación y compresión bajo fuerzas hidrostáticas y gravitatorias. Las matrices periódicas de partículas esféricas submicrométricas proporcionan matrices similares de vacíos intersticiales, que actúan como una red de difracción natural para las ondas de luz visible, particularmente cuando el espacio intersticial es del mismo orden de magnitud que la onda de luz incidente.

Por lo tanto, se sabe desde hace muchos años que, debido a las interacciones repulsivas de Coulombic, las macromoléculas cargadas eléctricamente en un entorno acuoso pueden exhibir correlaciones de tipo cristalino de largo alcance con las distancias de separación entre partículas, que a menudo son considerablemente mayores que el diámetro de la partícula individual.. En todos estos casos en la naturaleza, la misma iridiscencia brillante (o juego de colores) se puede atribuir a la difracción y la interferencia constructiva de las ondas de luz visible que satisfacen la ley de Bragg, de manera análoga a la dispersión de rayos X en sólidos cristalinos.

La gran cantidad de experimentos que exploran la física y la química de estos llamados "cristales coloidales" ha surgido como resultado de los métodos relativamente simples que han evolucionado en los últimos 20 años para preparar coloides monodispersos sintéticos (tanto polímeros como minerales) y, a través de varios mecanismos, implementar y preservar su formación de orden de largo alcance.

En biología

La separación de fases coloidales es un principio organizador importante para la compartimentación tanto del citoplasma como del núcleo de las células en condensados biomoleculares, similar en importancia a la compartimentación a través de membranas de bicapa lipídica, un tipo de cristal líquido. El término condensado biomolecular se ha utilizado para referirse a grupos de macromoléculas que surgen a través de la separación de fases líquido-líquido o líquido-sólido dentro de las células. El hacinamiento macromolecular mejora fuertemente la separación de fases coloidales y la formación de condensados biomoleculares.

En el medio ambiente

Las partículas coloidales también pueden servir como vector de transporte de diversos contaminantes en las aguas superficiales (agua de mar, lagos, ríos, cuerpos de agua dulce) y en aguas subterráneas que circulan en rocas fisuradas (por ejemplo, piedra caliza, arenisca, granito). Los radionúclidos y los metales pesados se absorben fácilmente en los coloides suspendidos en el agua. Se reconocen varios tipos de coloides: coloides inorgánicos (por ejemplo, partículas de arcilla, silicatos, oxihidróxidos de hierro), coloides orgánicos (sustancias húmicas y fúlvicas). Cuando los metales pesados o los radionúclidos forman sus propios coloides puros, el término "eigencoloide" se utiliza para designar fases puras, es decir, Tc(OH)₄ puro, U(OH)₄ o Am(OH)₃. Se sospecha que los coloides son responsables del transporte de plutonio a larga distancia en el sitio de pruebas nucleares de Nevada. Han sido objeto de estudios detallados durante muchos años. Sin embargo, la movilidad de los coloides inorgánicos es muy baja en bentonitas compactadas y en formaciones arcillosas profundas. debido al proceso de ultrafiltración que ocurre en una densa membrana de arcilla. La pregunta es menos clara para los pequeños coloides orgánicos que a menudo se mezclan en agua intersticial con moléculas orgánicas verdaderamente disueltas.

En la ciencia del suelo, la fracción coloidal en los suelos consiste en pequeñas partículas de arcilla y humus que tienen menos de 1 μm de diámetro y llevan cargas electrostáticas positivas y/o negativas que varían según las condiciones químicas de la muestra de suelo, es decir, el suelo pH.

Terapia intravenosa

Las soluciones coloides utilizadas en la terapia intravenosa pertenecen a un grupo importante de expansores de volumen y se pueden utilizar para la reposición de líquidos por vía intravenosa. Los coloides conservan una presión coloidosmótica alta en la sangre y, por lo tanto, teóricamente deberían aumentar preferentemente el volumen intravascular, mientras que otros tipos de expansores de volumen llamados cristaloides también aumentan el volumen intersticial y el volumen intracelular. Sin embargo, todavía existe controversia sobre la diferencia real en la eficacia de esta diferencia, y gran parte de la investigación relacionada con este uso de coloides se basa en la investigación fraudulenta de Joachim Boldt. Otra diferencia es que los cristaloides generalmente son mucho más baratos que los coloides.