2. Historia
•Los coloides fueron por
primera vez descritos por el
químico inglés Thomas
Graham, en 1860.
•Sustancias que no filtran a
través de una membrana
semipermeable (proceso
denominado DIALISIS)
•Diálisis separa componentes
que no pueden ser filtrados
3. ¿QUÉ ES UN SISTEMA COLOIDAL?
Un sistema coloidal simple consta de una
fase dispersa de partículas llamada medio
dispersante en una segunda fase continua.
Normalmente se considera que para el
estado coloidal, que las partículas han de
tener un diámetro inferior a 1 µm. Una
partícula coloidal es mucho mayor que
las moléculas del medio dispersante,
pero suficientemente pequeñas para
que su movimiento browniano no sea
interferido por la acción de la gravedad
4. Sistemas Dispersos
Desde el punto de vista fisicoquímico estos sistemas son
termodinámicamente inestables.
Las características más representativas de estos sistemas
son:
La existencia de una superficie de separación entre la dos
fases llamada interfase
La superficie de contacto entre las partículas y el medio de
dispersión (área interfasial) es muy elevada. En esta interfase
se concentra la mayor cantidad de energía del sistema.
Gran inestabilidad
El exceso de energía libre, asociada a la gran superficie
existente entre las partículas y el medio, da lugar a que las
partículas tiendan a aglomerarse, para reducir su energía libre
interna.
5. Alimentos → Sistemas coloidales
Extructura coloidal → Propiedades del alimento
Interacciones coloidales → Estabilidad del sistema→ Ingeniero
Tecnologías actuales → solución eficaz de los problemas coloidales
Componentes fisicoquímicas
Superficiales y electrostáticos
Adsorción
Interacciones moleculares e interpartículas.
Análisis termodinámico
Propiedades de los hidrocoloides.
6. Sistemas coloidales
Sistemas con tamaño de partícula de soluto entre 10-9 m
(10Å) y 10-6 m (1 µ)
1 µ = micron= 1 x 10-4 cm
1 nm= nanómetro = 1 x 10-9 m
1Å = Amstrong = 1 x 10-10 m = 1 x 10-8 cm
Partículas de soluto dispersas en medio dispersor o
dispersante
Qué se dispersa? partículas pequeñas o moléculas “grandes”
Límites
arbitrarios
Dispersión
molecular
Ej. NaCl en agua
COLOIDES
Dispersión gruesa
Ej. Arena en agua
de mar
7. Tipos de estructuras coloidales
a)
b)
c)
d)
e)
f)
g)
h)
i)
Partículas esféricas dispersas.
Partículas esféricas agregadas.
Partículas no esféricas.
Macromoléculas desorganizadas.
Macromoléculas compactas.
Macromoléculas asociadas dentro de un gel.
Macromoléculas adsorbidas en la interfase.
Macromoléculas enlazadas entre partículas.
Partículas atrapadas en redes macromoleculares.
8.
9. I.1. ESTRUCTURA COLOIDAL DE LOS ALIMENTOS
Fase dispersa (partículas):cristales, gotas, burbujas,..
- Separadas e independientes.
- Unidas en agregados sueltos o formando una macromolécula o red de agregados.
- Estado físico: sólido, líquido o gas.
Fase continua.
-Estado físico: sólido, líquido o gas.
-Continuidad interrumpida por las partículas y los puntos y superficies de contacto
entre ellas.
Material de interfase.
• Emulsionantes / estabilizantes:
-Naturaleza anfifílica: tensoactivos de bajo peso molecular, proteínas.
-Pueden ser segmentos moleculares de la propia partícula dispersa (dispersiones
proteicas.
12. Tipos de dispersiones coloidales
Medio
dispersor
Gas
Fase dispersa Nombre
Ejemplos
Líquido
Aerosol
Niebla
Gas
Sólido
Aerosol
Humo
Líquido
Gas
Espuma
Crema batida
Líquido
Líquido
Emulsión
Mayonesa
Líquido
Sólido
Suspensión
Sólido
Sólido
Sol sólido
Leche
magnesia
Aleaciones
14. Diferencia entre soluciones verdaderas, coloides y dispersiones
Considere dos experimentos:
agitar
Partículas de tamaño
coloidal = macromoléculas
Dos fases
Solución verdadera
Presencia de
límites
agitar
Dos fases
Dos fases
Coloide o dispersión
15. Comportamiento de sistemas coloidales en solución
Clasificación de sistemas coloidales se basa en:
Grado de interacción entre partículas o macromoléculas de
la fase dispersa con moléculas de la fase continua
Coloides liofílicos
Grado afinidad por medio
dispersor
(“atracción” por el solvente o medio dispersante)
Coloides de asociación
Coloides liofílicos
(“repulsión” por el medio dispersor)
16. Más terminología
Caso 1
Partículas de
tamaño coloidal=
macromoléculas
Coloide puesto que las
moléculas originales están en el
rango de 10-9 a 10-6 m
Este se denomina un coloide LIOFILICO
1 fase
Significa afinidad por solvente y por tanto soluble
Caso 2
Límites
presentes
2 fases
Límite significa que las moléculas que
componen la partícula no tienen afinidad
por el solvente: coloide LIOFOBICO
17. Según afinidad relativa fase dispersa y medio de dispersión
Liófobos
Liófilos
Pequeña afinidad.
Gran afinidad.
Dispersiones coloidales de metales en
Almidon, jabón, proteínas, gomas
agua
Dispersiones “reversibles”
Dispersiones “irreversibles”
Tensión superficial, y viscosidad
Menor tensión superficial, y mayor
similares a los del medio de dispersión
viscosidad que el medio de dispersión
18. CARACTERISTICAS PRINCIPALES DE TIPOS DE COLOIDES
Coloides liofílicos
i. Fase dispersa disuelta o soluble
ii.Soluciones verdaderas (una fase) ↓∆G (Gibbs)
iii.Macromoléculas solubles como proteínas, polisacáridos
en el medio dispersante adecuado
19. Coloides liofóbicos
i.
Fase dispersa insoluble en medio dispersante
ii. Sistema real de dos fases, inestable ↑∆G (Gibbs)
iii. Azufre, oro coloidal, hierro coloidal (III), pinturas
(lacas)
20. Coloides de asociación
i.
Agregados de moléculas anfipáticas tensoactivas
ii. Micelas y liposomas, entre otros
iii. Sistemas estables bajo determinadas condiciones
21. Conclusión:
Siempre cuando se tenga más de 1 fase en contacto, se
constata la presencia de una “superficie” que separa las fases
Líquido β
Superficie
entre sólido
& líquido
líquido
sólido
Superficie
entre dos
líquidos
Líquido α
Superficie tiene un significado químico y uno geométrico:
Químico: región en la cual las propiedades varían desde una fase
a la fase adyacente
Geométrico: Un objeto con área pero sín grosor
22. β
α
Superficie química
con cambio gradual
Reduce a
β
α
∆ =γ∆
G
A
Superficie
geométrica:
posee área
pero no
grosor
ENERGIA
LIBRE DE
GIBBS
23. Estabilidad de los sistemas dispersos
Es necesario formularlos adecuadamente para obtener preparados
estables.
Factores de los que depende la estabilidad de los sistemas
dispersos:
•
Grado de dispersión de la fase interna
Si el grado de dispersión de la fase interna es elevado y
homogéneo, aumenta la estabilidad del sistema.
•
Viscosidad.
El agregado de sustancias a un sistema disperso con propiedades
reológicas favorece la estabilidad. Al aumentar la viscosidad del
medio dificulta la movilidad de las partículas impidiendo que se
aproximen.
24. Propiedades de los coloides:
• Liofilos / liofobos.
-Dependiendo de la afinidad química de la interfase por la fase continua.
• Una gran cantidad de área de interfase.
- Área superficial de todo el material disperso.
- Gran acumulación de energía libre en la interfase dad la falta de afinidad química
de las fases.
- Tendencia a la separación de fases: inestabilidad termodinámica.
• Propiedades fuertemente afectadas:
Fase continua: Viscosidad, conductividad eléctrica y constante dieléctrica,
densidad.
Fase dispersa: carga superficial, tamaño de partícula (medio y distribución ),
polarizabilidad eléctrica,...
Interfase: tensión de la interfase, cargas eléctricas superficial, propiedades
mecánicas (viscoelasticidad).
25. Propiedades de las dispersiones coloidales
Las sustancias en estado coloidal presentan propiedades
características que no muestran en otros grados de dispersión
y que no son específicas de la sustancia sino más bien del grado de
dispersión, es decir del estado coloidal.
26. Propiedades de sistemas coloidales
-Coalescencia
Aplicable solo a coloides de dos fases (liofóbicos)
Coalescencia o fusión
Disminución área superficial
EL Gibbs disminuye coalescencia o
disminución de TS
∆G = γ∆A
27. -Floculación
Partículas
primarias
Flóculo (agregado)
Floculación o asociación de dos o más partículas
Flóculos se movilizan como solo una unidad
No hay cambio en el área superficial
Flóculo se mantiene unido por: Interacción hidrofóbica, Van
der Waals, electrostática-iónica, puentes de H
28. Por condensación:
Nucleación y crecimiento de partícula
Preparación de complejos moleculares aumentando su
tamaño hasta alcanzar el rango coloidal
Implica reacción química de los componentes solubles
siendo los productos de reacción insolubles (agregados)
en el medio dispersor
Ej, preparación de azufre coloidal por oxidación de
Na2S2O3
S 2 O + H 2 O →S +SO
23
2−
4
+
−
+ 2H + 2 e
29. Sedimentación
Las dispersiones coloidales son estables y no sedimentan
normalmente.
La concentración de las partículas puede variar con la altura en una
dispersión coloidal,
tanto mas cuanto mayor es el tamaño de las partículas,
de manera análoga a como el aire tiene distinta presión a diferente
altura.
Con ultracentrífugas (w ≈100000 rpm) y que producen campos
gravitatorios de ≈ 104 g pueden separarse partículas coloidales de
diferente tamaño, por ejemplo proteínas.
De esta forma se pueden purificar proteínas o determinar sus pesos
moleculares.
30.
31. Propiedades de los Coloides
Efecto Tyndall: Al hacer pasar un rayo de luz a
través de una dispersión coloidal, el rayo de luz
se ve en forma clara y nítida
al atravesar el coloide, fenómeno que no sucede
en una solución.
Este efecto se debe a que las partículas
coloidales son lo suficientemente grandes como
para dispersar la luz.
32. Las disoluciones son claras y transparentes mientras que las
suspensiones son turbias.
Las dispersiones coloidales a simple vista y con microscopio
ordinario son claras pero si se observan directamente en dirección
perpendicular al haz de luz son turbias y si la observación se realiza
en la oscuridad y la única luz es la del haz, la dispersión coloidal se
hace visible con minúsculos y no diferenciados puntos de luz. Este
es el “Efecto Tyndall”
33. ¿Qué es efecto Tyndall?
Es un fenómeno que se aprecia
cuando un rayo de luz pasa por
una mezcla coloidal y éste es
reflejado por las partículas
grandes dispersas en la mezcla,
haciendo que se ilumine mayor
espacio
del
coloide
y
perdiéndose el aspecto de rayo
luminoso.
Las partículas coloidales se pueden
observar como puntos de luz en
fondo
oscuro,
moviéndose
irregularmente.
34. Movimiento Browniano: Cuando se observa
un coloide con un microscopio, se
observa que las partículas dispersas se
mueven al azar en la fase dispersante.
Lo que en realidad se ve son los reflejos de
las partículas coloidales, ya que su
tamaño permite reflejar la luz.
35. Observando
dispersiones
coloidales
en
el
ultramicroscopio se puede observar este movimiento
irregular en zig-zag. Es debido a los choques no
compensados de las moléculas del medio de dispersión.
Fue descubierto por Robert Brown (1827).
Midiendo el recorrido medio a intervalos constantes
de tiempo de las partículas, se puede determinar el numero
de Avogadro.
http://teleformacion.edu.aytolacoruna.es/FISICA/document/applets/Hwang/ntnujava/term_browniano/gas2D_s.htm
36. Propiedades eléctricas
V=0
V
A) Electroforesis
En el montaje de la figura, un tubo
en U con dispersión coloidal y un
poco de medio de dispersión
si se aplica una diferencia de potencial (ΔV) grande, la dispersión
coloidal se desplaza como un conjunto hacia uno de los electrodos.
Este fenómeno se denomina “electroforesis” y revela que las
partículas coloidales tienen carga.
37. Tienen carga negativa y migran
hacia el ánodo:
Metales, sulfuros, almidón,
goma arábiga
Tienen carga positiva y migran
hacia el cátodo: Óxidos,
hidróxidos y colorantes básicos
La carga eléctrica se puede
deber a dos causas:
a) Disociación de las propias
moléculas que constituyen la partícula
coloidal,
dándole
carácter
de
electrolito.
b) Adsorción de iones cargados
sobre la partícula coloidal.
38. Efecto de carga eléctrica: Una partícula coloidal
puede adsorber (adherir moléculas o iones
sobre una superficie) partículas con carga
eléctrica (iones) en su superficie.
Las partículas con carga eléctrica adsorbidas
sobre la superficie de alguna clase de partícula
coloidal, pueden ser positivas o negativas.
39.
40. Ambas capas forman la “doble capa
eléctrica” .
ΔV es el “potencial electroquímico”
total entre partícula y disolución.
Z es el “potencial electrocinético” o
“potencial zeta” que representa la diferencia
de potencial debido a la capa difusa.
El valor del potencial zeta es una magnitud
importante para el estudio de las
propiedades coloidales en especial la
estabilidad de los coloides.
← Plano de
deslizamento
ψ
ζ
xs
x
41. Propiedades eléctricas: potencial zeta
Todo sólido sumergido en un líquido tiende a
cargarse eléctricamente en su superficie:
1- Por adsorción de iones del medio.
2- Por ionización de grupos funcionales en su
superficie (en este caso, el pH del medio juega un
papel importante).
42. Doble capa eléctrica
POTENCIAL Z
R e p r e s e n ta c ió n d e l a D o b l e C a p a E lé c t r i c a
/ / / / / // / / / / / / / / // / S ó li d o / / / // / / / / / / / / // / / /
/ / / / / // / / / / / / / / // / S ó li d o / / / // / / / / / / / / // / / /
z
C apa
f ij a d a
C a p a d ifu sa
( m ó v i l)
43. Doble capa eléctrica de una partícula
Partícula cargada positivamente: S, capa de Stern; G, capa de GouyChapman; N, zona de electroneutralidad.
44.
La partícula positiva atrae iones negativos. Sólo una parte de estos
iones de signo opuesto a la partícula quedan firmemente adheridos
a su superficie formando una capa monomolecular de contraiones
llamada Capa de Stern o Capa fija.
Los demás iones se distribuyen en distintos niveles de acuerdo a la
carga de la partícula formando la Capa difusa o de Gouy-Chapman.
Hay un punto de la capa difusa donde la carga de la partícula no se
hace sentir más; se lo denomina punto de neutralidad.
45.
La resultante de la capa difusa es de la misma magnitud pero de
signo contrario a la capa fuertemente adherida o fija.
Como no se puede medir la carga de la partícula, se mide la
diferencia de potencial que hay entre la zona de separación de la
capa fija y de la capa difusa, y el punto de neutralidad.
A ese potencial se lo denomina potencial Z, y es la verdadera
estimación de la carga de la partícula.
El potencial Z se determina por varios métodos entre ellos por
electroforesis. Es un parámetro importante en relación a la
estabilidad del sistema coloidal
46. Métodos de preparación de coloides*
Por dispersión:
1. Pulverización: molienda de un sólido en partículas de
tamaño coloidal
1. Aumento de G depende de la TS del sólido
2. Molienda hasta nivel molecular:
W = energía de sublimación o evaporación del sólido
3. Molienda se realiza en un líquido para reducir
la
tensión superficial de la superficie del sólido (levigación)
Ej. Azufre coloidal
* Excluye coloides de asociación y liofílicos
47. 2. Emulsificación
1. Dispersión de un líquido en presencia de otro líquido
2. Obtenida mecánicamente (simple agitación u otra técnica)
3. Disminución de tensión interfasial (entre líquidos)
promueve proceso de emulsificación
4. Proceso puede ser espontáneo si TI es lo suficientemente
baja (agentes emulgentes)
5. Termodinámicamente inestables en ausencia de emulgentes
6. En algunos casos (microemulsiones) dispersión es
termodinámicamente estable
49. Estabilidad de los sistemas dispersos
Carga eléctrica de las partículas dispersas:
Las partículas dispersas en un medio líquido tienden a
cargarse eléctricamente por adsorción de iones del
medio o por pérdida de iones de la partícula. Se forma
una doble capa eléctrica que origina fuerzas de
repulsión entre partículas de cargas eléctricas
similares (evitando su acercamiento).
Temperatura:
El aumento de la temperatura reduce la estabilidad de
los sistemas dispersos al disminuir la viscosidad y
aumentar la movilidad de las partículas o gotitas
dispersas.
50. Estabilidad
La carga eléctrica y la doble capa iónica que rodea las
partículas coloidales y el potencial zeta son los responsables de su
estabilidad.
Si no fuera por sus repulsiones electrostáticas al acercarse
quedarían asociadas por fuerzas de Van Der Waals y se produciría la
precipitación del coloide.
51. La adición de electrolitos tiene dos efectos
a) Disminución del espesor de la capa difusa y por tanto de
su efecto protector del coloide.
b) Adsorción de iones en la capa fija, lo que produce una
disminución del potencial zeta.
Ambos efectos explican la acción precipitante de los
electrolitos sobre los coloides. El efecto coagulante de estos iones
de signo opuesto es mayor cuanto mayor es su valencia.
52. Efecto Emulgente. Tensioactividad
Los soles liófobos inestables pueden estabilizarse por adición de un
sol liófilo.
Un ejemplo de esto es la acción
detergente de los jabones para
disolver la grasa o aceite.
Las emulsiones de grasa
en agua son inestables
pero en presencia de un
poco de jabón, que actúa
como emulsionante, son
estables.
agua
grasa
agua
53. +
-
-Na+
-COO-
-CxHy
Molécula de jabón
La cadena alquílica se
disuelve en la grasa y
queda la parte iónica de
la molécula en la parte
exterior con carga
negativa.
Esta carga contribuye a formar la doble
capa eléctrica y a estabilizar la partícula de
grasa en el agua.
Na+
O
C
O-
H- C - H
H- C - H
H- C - H
H- C - H
Cadena
Alquílica
(hidrofoba)
H- C - H
H
Este efecto se complementa con un aumento de la capacidad de
penetrar el agua en los tejidos debida a la disminución de tensión
superficial que provoca el jabón en el agua.
54. Una sustancia tensioactiva es la que disuelta en un líquido, se concentra en su
interfase con otro líquido, sólido o gas, provocando una interrupción de los
enlaces responsables de la tensión superficial del disolvente, de tal manera que
esta disminuye.
Los tensioactivos alteran las propiedades de un líquido que dependen de su tensión
superficial: capacidad de “mojar” otras sustancias, ángulo de contacto...
El jabón es un tensioactivo usado desde hace muchos siglos.
Tradicionalmente
fabricado con grasas
naturales, procedentes
de aceites o restos de
grasa animal, tratadas
con ceniza.
R-COO-CH2
R-COOK
HO-CH2
|
|
R’-COO-CH2 + 3KOH → R’-COOK + HO-CH2
|
|
R’’-COO-CH2
R’’-COOK HO-CH2
Ester (grasa)
Jabón
Glicerina
55. D) Precipitación electrostática de los aerosoles. Proceso Cottrell.
Los humos constituyen una dispersión coloidal de partículas sólidas
en un gas, generalmente aire, es decir “aerosoles”
FORMACION DE HUMOS
-Cuando una sustancia que a temperatura ordinaria es sólida
se forma a temperatura tan elevada en que es un gas, al enfriarse
quedan partículas de sólido en dispersión.
-Cuando se forma una sustancia sólida por reacción entre dos
gases.
-Otros procesos como la trituración de materiales sólidos a
polvo fino (por ejemplo cemento).
56. Los humos son muy perjudiciales en zonas urbanas y son difíciles de
precipitar. Por otra parte cuando se pueden coagular son de gran
valor económico.
El “proceso Cottrell” esta
basado en las propiedades
eléctricas de las partículas
coloidales y, por tanto, la
propiedad de moverse en un
campo eléctrico hacia el
electrodo de signo opuesto y,
al llegar a él, descargarse y
precipitar.
57. 3. Geles
Un gel conforma una dispersión coloidal muy viscosa con capacidad
de absorción de mucho disolvente y de aumentar su volumen.
Cuando una dispersión coloidal liofila se enfría, su viscosidad va
aumentando hasta que llega a transformarse en una masa semisólida
de aspecto homogéneo que se denomina “gel”.
En éste, las partículas fuertemente hidratadas se reúnen en un
retículo esponjoso que contiene mucho agua de hidratación o
imbibida por fuerzas de capilaridad en los poros.
58. El hecho de que un gel sea elástico o inelástico depende de que los
capilares del mismo sean flexibles o rígidos.
Algunos geles presentan la propiedad de licuarse cuando se someten
a tensiones mecánicas fuertes (se agitan) pero al dejarlos en reposo
vuelven al estado de gel.
Este fenómeno se denomina “tixotropía”. Un ejemplo de él son
ciertas pinturas que al agitarse se licuan pero después de aplicarlas
melifican de nuevo
