Coloide

1 Introducción

Los coloides están en todas partes que miramos, así que ¿por qué la mayoría de la gente sabe tan poco sobre ellos? Aunque Michael Faraday, uno de los fundadores de la ciencia de los coloides, nos había superado por más de un siglo, como estudiantes vimos por nosotros mismos la fascinación de los soles de oro, partículas de oro del tamaño de nanómetros dispersadas en agua como un coloide estable con una coloración roja que cambia a azul al agregar sal. En la actualidad, los soles de oro han ganado un renovado interés como componente básico de la nanotecnología.

Coloide significa cola, originario del griego koλλα. El término coloidal se refiere a un estado de subdivisión, lo que implica que las moléculas o partículas polimoleculares dispersas en un medio tienen al menos en una dirección una dimensión aproximadamente entre 1 nm y 1 µm, o que en las discontinuidades del sistema se encuentran a distancias de ese orden. No es necesario que las tres dimensiones estén en el rango coloidal: las fibras en las que solo dos dimensiones están en este rango y las películas delgadas, en las que una dimensión está en este rango, también se pueden clasificar como coloidales. Tampoco es necesario que las unidades de un sistema coloidal sean discretas: las estructuras de red continuas, cuyas unidades básicas son de dimensiones coloidales, también entran en esta clase (por ejemplo, sólidos porosos, geles y espumas). Una dispersión coloidal es un sistema en el que partículas de tamaño coloidal de cualquier naturaleza (por ejemplo, sólido, líquido o gas) se dispersan en una fase continua de una composición (o estado) diferente.

Los coloides son materiales que son predominantemente líquidos pero que tienen otras propiedades: ya sea óptica, dando lugar a turbidez como la leche, o viscosa, con características de moco, gelatina o arcilla húmeda. Estos efectos surgen de la presencia de macromoléculas disueltas en líquido y / o mezclando dos o más fases sólidas, líquidas o gaseosas. Por lo tanto, la ciencia coloidal puede describirse, por un lado, como el estudio de soluciones de macromoléculas, por ejemplo, proteínas en agua o soluciones de polímeros sintéticos, como las colas transparentes para kits de construcción de modelos. Por otro lado, es el estudio de dispersiones de una fase en otra, por ejemplo, emulsiones (aceite en agua o agua en aceite), sólidos en líquidos, espumas y las dispersiones complejas de cristales líquidos liotrópicos de jabón o detergentes sintéticos. Algunos lectores recordarán el viejo problema de las barras de jabón blandas cuando se dejan en contacto con el agua, que surge de la entrada de agua que expande el jabón una vez compactado duro.

La mayoría de los investigadores están de acuerdo en que el término coloide se aplica a material en suspensión en el rango de tamaño de 1 µm a 1000 nm que puede incluir materiales inorgánicos, fragmentos minerales y precipitados minerales, biocoloides, así como materia orgánica natural y otros compuestos orgánicos y productos de degradación asociados con flujos de desechos de nivel bajo e intermedio. Varios trabajadores han mencionado diferentes rangos de tamaño; sin embargo, el límite superior es de 1 µm. El término se puede usar para denotar las partículas o todo el sistema. Los sistemas coloidales (también llamados soluciones coloidales o suspensiones coloidales) son el tema de la ciencia de interfaces y coloides. Este campo de estudio fue introducido en 1861 por el científico escocés Thomas Graham. A continuación se presentan algunas explicaciones de varios tipos de sistemas coloidales.

El nombre de fase dispersa para las partículas debe usarse solo si tienen esencialmente las propiedades de una fase masiva de la misma composición.

El término coloide puede usarse como sinónimo corto de sistema coloidal. Los límites de tamaño indicados anteriormente no son rígidos, ya que dependerán en cierta medida de las propiedades que se consideren. Esta nomenclatura se puede aplicar a sistemas más gruesos, especialmente cuando se considera una transición gradual de propiedades.

La descripción de los sistemas coloidales a menudo requiere numerar los componentes o constituyentes. Se considera que una norma fija de numeración es innecesariamente restrictiva. Sin embargo, el autor debe aclarar en todos los casos cómo está numerando y, en particular, si está numerando por componentes termodinámicos independientes (todos neutros) o por especies o constituyentes, de los cuales algunos pueden ser iónicos, y que pueden estar relacionados por condiciones de equilibrio o por la condición de electroneutralidad. Un sistema coloidal fluido compuesto de dos o más componentes puede llamarse sol, por ejemplo, sol de proteína, sol de oro, emulsión, solución surfactante por encima de la concentración crítica de micelas o aerosol.

En una suspensión, las partículas sólidas se dispersan en un líquido; una suspensión coloidal es aquella en la que el tamaño de las partículas se encuentra en el rango coloidal. En una emulsión líquida, las gotitas y / o cristales líquidos se dispersan en un líquido. En las emulsiones, las gotas a menudo exceden los límites habituales para los coloides en tamaño. Una emulsión se indica con el símbolo O / W si la fase continua es una solución acuosa y con W / O si la fase continua es líquido orgánico (aceite). Emulsiones más complicadas como O/W/O (es decir, gotas de aceite contenidas dentro de gotas acuosas dispersas en una fase continua de aceite) también son posibles. Las emulsiones fotográficas, aunque son sistemas coloidales, no son emulsiones en el sentido de esta nomenclatura.

Un látex (plural = latices o latexes) es una emulsión o sol en la que cada partícula coloidal contiene un número de macromoléculas.

Una espuma es una dispersión en la que una gran proporción de gas por volumen en forma de burbujas de gas se dispersa en un líquido, sólido o gel. El diámetro de las burbujas suele ser mayor de 1 mm, pero el grosor de las láminas entre las burbujas suele estar en el rango de tamaño coloidal habitual.

El término espuma se ha utilizado indistintamente con espuma. En particular, los casos de espuma pueden distinguirse de la espuma por el hecho de que la primera está estabilizada por partículas sólidas (como en la flotación de espuma) y la segunda por sustancias solubles.

Los aerosoles son dispersiones en gases. En los aerosoles, las partículas a menudo exceden los límites de tamaño habituales para los coloides. Si las partículas dispersas son sólidos, se habla de aerosoles de partículas sólidas; si son líquidos, se habla de aerosoles de partículas líquidas. Se desaconseja el uso de los términos aerosol sólido y aerosol líquido. Un aerosol no es «sólido» ni «líquido», sino, en todo caso, gaseoso.

Una gran variedad de términos como polvo, neblina, niebla, niebla, llovizna, humo y smog se utilizan para describir los aerosoles de acuerdo con sus propiedades, origen, etc. De estos, solo los términos niebla y humo se incluyen en esta nomenclatura.

Una niebla es un aerosol de partículas líquidas, en particular una nube baja.

Un humo es un aerosol que se origina de la combustión, descomposición térmica o evaporación térmica. Sus partículas pueden ser sólidas (humo de óxido de magnesio) o líquidas (humo de tabaco).

Un gel es un sistema coloidal con un límite elástico finito, generalmente bastante pequeño. Los materiales como el gel de sílice que han pasado una etapa de gel durante la preparación se llaman incorrectamente geles.

El término xerogel se utiliza para tales estructuras abiertas secas; y también para geles macromoleculares compactos secos, como gelatina o caucho.

El término aerogel se utiliza cuando la apertura de la estructura se mantiene en gran medida.

Las dispersiones coloidales pueden ser liofóbicas (hidrofóbicas, si el medio de dispersión es una solución acuosa) o liofílicas (hidrofílicas). Los soles liofílicos se forman espontáneamente cuando el material coherente seco (por ejemplo, gelatina, caucho, jabón) entra en contacto con el medio de dispersión; por lo tanto, son termodinámicamente más estables que en el estado inicial del material coloidal seco más el medio de dispersión. Los soles liofóbicos (por ejemplo, sol dorado) no pueden formarse por dispersión espontánea en el medio. Son termodinámicamente inestables con respecto a la separación en fases macroscópicas, pero pueden permanecer durante mucho tiempo en un estado metaestable.

Los soles liofílicos comprenden tanto los coloides de asociación en los que se forman agregados de pequeñas moléculas de forma reversible como las macromoléculas en las que las moléculas mismas son de tamaño coloidal.

Las mezclas de coloides liofóbicos y liofóbicos pueden formar coloides liofóbicos protegidos.

Los términos liofílicos (hidrofílicos, lipofílicos, oleofílicos, etc.) y liofóbicos (lipofóbicos, etc.) también puede utilizarse para describir el carácter de interacción de un grupo atómico en particular con el medio. En este uso, los términos de la relación cualitativa significado de «solvente» preferir (agua-prefiriendo, grasa prefiriendo etc.) y «rechazo de solventes» (rechazo de agua, rechazo de grasa, etc.), respectivamente.

Los términos preferencia por solvente o rechazo de solvente siempre se refieren a un proceso diferencial generalmente en el sentido de preferir el solvente por encima de sí mismo o preferirse a sí mismo por encima del solvente, pero a veces preferir un solvente (por ejemplo, agua) por encima de otro (por ejemplo, aceite).

Un electrolito coloidal es un electrolito que da iones, de los cuales al menos uno es de tamaño coloidal. Este término, por lo tanto, incluye sol hidrófobos, coloides de asociación iónica y polielectrolitos.

Los iones de baja masa molecular relativa, con una carga opuesta a la del ion coloidal, se denominan contra-iones; si su carga tiene el mismo signo que la del ion coloidal, se denominan co-iones.

Un polielectrolito es una sustancia macromolecular que, al disolverse en agua u otro disolvente ionizante, se disocia para dar poliiones (policationes o polianiones), iones cargados multiplicados, junto con una cantidad equivalente de iones de carga pequeña y signo opuesto. Los polielectrolitos se disocian en policationes y polianiones, sin iones de carga pequeña, son también posibles. Un polielectrolito puede ser un poliácido, una polibase, un polisalto o un polianfolito.

Si todas las partículas en un sistema coloidal son de (casi) el mismo tamaño, el sistema se llama monodisperso; en los casos opuestos, los sistemas son heterodispersos.

Si solo se producen unos pocos tamaños de partícula en un sistema coloidal, el sistema es paucidisperso, y si se producen muchos tamaños de partícula, es polidisperso.

Debido a su tamaño, las partículas coloidales pueden pasar a través de filtros ordinarios, pero no a través de las aberturas extremadamente finas en una membrana semipermeable, como el pergamino. Un líquido no puede fluir a través de una membrana semipermeable, pero se difundirá lentamente a través de ella si el líquido está en el otro lado. Aunque una dispersión coloidal no se puede purificar por filtración, se puede dializar colocándola en una bolsa semipermeable con agua pura en el exterior. Las impurezas disueltas se difunden gradualmente a través de la bolsa, mientras que las partículas coloidales permanecen encarceladas dentro de ella. Si el proceso de diálisis se completa, la suspensión a menudo se descompone o se asienta, porque la estabilidad de los sistemas coloidales con frecuencia depende de las cargas eléctricas en las partículas individuales, y éstas a su vez dependen generalmente de la presencia de electrolitos disueltos.

Aunque las partículas coloidales individuales son demasiado pequeñas para ser vistas con un microscopio ordinario, se pueden hacer visibles mediante un microscopio ultra o de campo oscuro. Si se coloca una dispersión coloidal bajo un microscopio y se dirige un haz de luz a través de un lado, la trayectoria del haz se hace visible al dispersarse de las partículas coloidales. Este mismo fenómeno hace visible la trayectoria de un haz de luz en una habitación oscura, pero bajo el microscopio se observan destellos de luz separados. Las partículas se ven en movimiento aleatorio como resultado del movimiento browniano, y su velocidad es exactamente la calculada para moléculas del tamaño de las partículas coloidales. Las partículas son directamente visibles en un microscopio electrónico. Algunos coloides son translúcidos debido al efecto Tyndall, que es la dispersión de la luz por partículas en el coloide. Otros coloides pueden ser opacos o tener un ligero color. Una dispersión coloidal de partículas sub-µm puede ser estable o inestable a la agregación. El movimiento browniano asegura que las partículas estén en movimiento continuo, dando lugar a colisiones a una velocidad determinada por la teoría de la difusión. Debido a la alta energía libre interfacial, los coloides liofóbicos son termodinámicamente inestables y tienden a agregarse. Esto es generalmente indeseable, y los científicos coloides tienen como objetivo evitar que ocurra.

En una dispersión estable, las colisiones de partículas no conducen a la agregación porque dominan las fuerzas de repulsión entre partículas. Permanecerá disperso indefinidamente, aunque partículas de más de 0,1 µm se sedimentarán dependiendo de su densidad. En una dispersión inestable, las colisiones conducen a la formación de agregados; agregados más grandes, sedimento o crema, dependiendo de su densidad relativa.

Las fuerzas de repulsión en una dispersión estable fueron identificadas hace mucho tiempo como de origen eléctrico. Existe un potencial superficial en la interfaz entre la partícula sólida y el líquido circundante debido a la presencia de una carga superficial. Para mantener la neutralidad eléctrica, los iones de carga opuesta presentes en el medio son atraídos más cerca de la superficie de la partícula, lo que resulta en una capa difusa de contra iones altamente concentrados. La concentración de contra-iones en esta capa decae exponencialmente de la superficie a una distancia de decenas de nanómetros. La nube iónica resultante se denomina región difusa de la doble capa eléctrica. En la colisión partícula-partícula, la superposición de las nubes iónicas da lugar a una repulsión osmótica que separa las partículas.

La teoría DLVO de la estabilidad coloidal, desarrollada por Derjaguin y Landau y Verwey y Overbeek durante la década de 1940, propone un equilibrio entre las fuerzas repulsivas eléctricas de doble capa (positivas por convención) y las atractivas fuerzas de van der Waals (negativas por convención) que existen entre todas las materias. Se encontró que estas dos fuerzas eran de rango y magnitud similares. Las fuerzas eléctricas aumentan exponencialmente a medida que las partículas se acercan entre sí y las fuerzas de atracción aumentan como una potencia de separación inversa. En consecuencia, estas fuerzas aditivas pueden expresarse como una curva de energía potencial frente a la de separación. Una resultante positiva corresponde a una barrera de energía y repulsión, mientras que una resultante negativa corresponde a la atracción y, por lo tanto, a la agregación. En general, se considera que la teoría básica y sus modificaciones posteriores proporcionan una base sólida para comprender la estabilidad coloidal.

La adsorción de coloides liofílicos—macromoléculas-por la superficie de los coloides liofóbicos da lugar a una fuerza repulsiva adicional. Las macromoléculas se adhieren a la superficie para formar una configuración en forma de bucle de trenes de segmentos unidos a la superficie, y bucles y colas de segmentos que se extienden hacia la fase líquida. La investigación, principalmente durante los decenios de 1960 y 1970, identificó la naturaleza de las fuerzas repulsivas que surgen de dicha adsorción. Estos son una combinación de repulsión entrópica, que surge de la libertad de configuración restringida de las moléculas adsorbidas cuando dos partículas colisionan; y repulsión osmótica, que surge de la mayor concentración de segmentos en la región de superposición de las capas adsorbidas en el contacto partícula–partícula. Excepto en condiciones especiales, la presencia de una capa adsorbida saturada siempre conduce a una estabilización total de la dispersión a la coagulación. Publicaciones anteriores se referían a este efecto como protección coloidal, pero ahora se denomina estabilización estérica.

1.1 Importancia ambiental de los coloides

Los coloides tienen importancia ambiental porque su interacción con trazas de contaminantes orgánicos e inorgánicos, como los metales y los contaminantes orgánicos persistentes (COP), desempeñan un papel importante en la biocaptación y el ciclo biogeoquímico de los contaminantes. Además, los coloides son ligandos importantes, a menudo dominantes, que afectan la especiación de metales traza (Geckeis et al., 2002) y otros contaminantes en sistemas ambientales y afectan el comportamiento de patógenos microbianos. La importancia de estos coloides en el transporte de contaminantes en estuarios, lagos y ríos ha sido reconocida durante mucho tiempo (Tessier et al., 1994), con posibles efectos ecológicos y para la salud humana. Cada vez se reconoce más que la bioabsorción y los bioefectos de contaminantes para muchos organismos, como microorganismos, alimentadores de filtros y detritos, peces e incluso mamíferos, pueden alterarse de formas complejas por asociación con coloides, que pueden producirse biológica o no biológicamente (Wilkinson y Buffle, 2004). Gran parte de la labor reciente se ha centrado en la bioacumulación de metales libres y de metales unidos a coloides (por ejemplo, Pan y Wang, 2003; Wang y Guo, 2000; Carvallho y otros, 1999), aunque todavía se requieren progresos sustanciales.

A pesar de la importancia obvia, hay una falta de comprensión cuantitativa de la estructura de los coloides acuáticos y cómo esto se relaciona con su «función» ambiental en la regulación de contaminantes en trazas y patógenos (Muirhead y Lead, 2003). Además, ha habido un enorme crecimiento en el número de técnicas que se pueden utilizar para la separación y el análisis cuantitativo y sin rotación de coloides y complejos de contaminantes coloidales, como los tipos de fuerza y la microscopía electrónica (Muirhead y Lead, 2003; Mondi et al., 2002; Balnois y Wilkinson, 2002), espectroscopia de correlación de fluorescencia (FCS, Lead et al., 2003), fraccionamiento de flujo de campo (FFF; Lyven et al., 2003), y espectroscopia de rayos X (Gaillard et al., 2001). Sin embargo, la mayoría de estos métodos no se utilizan actualmente para el estudio de sistemas coloidales ambientales no perturbados.

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