Coloide

Mezcla de una sustancia insoluble microscópicamente dispersada en otra sustancia.

Imagen SEM de un coloide.

Un coloide es una mezcla en la que una sustancia que consta de partículas insolubles microscópicamente dispersas está suspendida sobre otra sustancia. Algunas definiciones especifican que las partículas deben estar dispersas en un líquido , ^[1] mientras que otras amplían la definición para incluir sustancias como aerosoles y geles . El término suspensión coloidal se refiere inequívocamente a la mezcla general (aunque en un sentido más estricto la palabra suspensión se distingue de los coloides por el mayor tamaño de las partículas). Un coloide tiene una fase dispersa (las partículas suspendidas) y una fase continua (el medio de suspensión). Las partículas de fase dispersa tienen un diámetro de aproximadamente 1 nanómetro a 1 micrómetro . ^{[2] [3]}

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 las interfaces y los coloides . Este campo de estudio comenzó en 1845 por Francesco Selmi ^[4] y ampliado por Michael Faraday ^[5] y Thomas Graham , quienes acuñaron el término coloide en 1861. ^[6]

Definición de la IUPAC

Coloidal : Sinónimo corto de sistema coloidal . ^{[7] [8]}

Coloidal : Estado de subdivisión tal que las moléculas o partículas polimoleculares dispersas en un medio tienen al menos una dimensión entre aproximadamente 1 nm y 1 μm, o que en un sistema se encuentran discontinuidades a distancias de ese orden. ^{[7] [8] [9]}

Clasificación de coloides.

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 , espumas coloidales , dispersiones coloidales o hidrosoles .

• 
  aerogel
• 
  cubos de gelatina
• 
  Gel de sílice coloidal con ligera opalescencia.
• 
  Crema batida
• 
  Una cucharada de gel para el cabello
• 
  Las cremas son emulsiones semisólidas de aceite y agua. Las cremas de aceite en agua se utilizan con fines cosméticos, mientras que las cremas de agua en aceite se utilizan con fines medicinales.
• 
  Efecto Tyndall en una opalita :
  dispersa la luz azul haciéndola parecer azul desde un lado, pero la luz naranja brilla a través de ella.
  El ópalo es un gel en el que el agua se dispersa en cristales de sílice.
• 
  Leche : emulsión de glóbulos líquidos de grasa láctea dispersos en agua.
• 
  Neblina

hidrocoloides

Los hidrocoloides describen ciertas sustancias químicas (principalmente polisacáridos y proteínas ) que son dispersables coloidalmente en agua . Al volverse así efectivamente "solubles", cambian la reología del agua aumentando la viscosidad y/o induciendo la gelificación. Pueden proporcionar otros efectos interactivos con otras sustancias químicas, en algunos casos sinérgicos y en otros antagónicos. El uso de estos atributos los hidrocoloides son productos 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 respiratorias o tripas de salchichas o, incluso, fibras para apósitos para heridas, siendo algunas más compatible con la piel que otros. Hay muchos tipos diferentes de hidrocoloides, cada uno con diferencias en la estructura, función y utilidad que generalmente 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 además de modificadores de la reología, otros tienen un valor nutritivo limitado y generalmente proporcionan una fuente de fibra. ^[12]

El término hidrocoloides también se refiere a un tipo de apósito diseñado para retener la humedad en la piel y ayudar al proceso de curación natural 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 de sodio (NaCMC) y la gelatina. Normalmente se combinan con algún tipo de sellador, es decir, poliuretano, para 'pegarse' 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 disolvente constituyen solo una 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- ^quedan rodeados por 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. ^[13]

Interacción entre partículas

Las siguientes fuerzas juegan un papel importante en la interacción de partículas coloides: ^{[14] [15]}

• Repulsión de volumen excluido : se refiere a la imposibilidad de superposición entre partículas duras.
• Interacción electrostática : las partículas coloidales suelen llevar una carga eléctrica y, por tanto, se atraen o se repelen entre sí. La carga tanto de la fase continua como de la fase dispersa, así como la movilidad de las fases son factores que afectan esta interacción.
• Fuerzas de van der Waals : Esto se debe a la interacción entre dos dipolos que son permanentes o inducidos. Incluso si las partículas no tienen un dipolo permanente, las fluctuaciones de la densidad electrónica dan lugar a un dipolo temporal en una partícula. Este dipolo temporal induce un dipolo en las partículas cercanas. Entonces, el dipolo temporal y los dipolos inducidos se atraen entre sí. Esto se conoce como fuerza de van der Waals y siempre está presente (a menos que los índices de refracción de las fases dispersa y continua coincidan), es de corto alcance y atractivo.
• Las fuerzas estéricas entre superficies cubiertas de polímero o en soluciones que contienen polímeros no adsorbentes pueden modular las fuerzas entre partículas, produciendo una fuerza estérica repulsiva adicional (que es predominantemente de origen entrópico) o una fuerza de agotamiento de atracción entre ellas.

Velocidad de sedimentación

Movimiento browniano de partículas coloidales de polímero de 350 nm de diámetro.

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

La velocidad de sedimentación o formación de crema se encuentra equiparando la fuerza de arrastre de Stokes con la fuerza gravitacional :

${\displaystyle m_{A}g=6\pi \eta rv}$

dónde

${\displaystyle m_{A}g}$es el peso de Arquímedes de las partículas coloidales,

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

${\displaystyle r}$es el radio de la partícula coloidal,

y es la velocidad de sedimentación o formación de crema. ${\displaystyle v}$

La masa de la partícula coloidal se encuentra usando:

${\displaystyle m_{A}=V(\rho _{1}-\rho _{2})}$

dónde

${\displaystyle V}$es el volumen de la partícula coloidal, calculado usando el volumen de una esfera , ${\displaystyle V={\frac {4}{3}}\pi r^{3}}$

y es la diferencia de densidad de masa entre la partícula coloidal y el medio de suspensión. ${\displaystyle \rho _{1}-\rho _{2}}$

Al reordenar, la velocidad de sedimentación o cremación es:

${\displaystyle v={\frac {m_{A}g}{6\pi \eta r}}}$

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

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

Preparación

Hay dos formas principales de preparar coloides: ^[17]

• Dispersión de partículas o gotitas grandes hasta dimensiones coloidales mediante molienda , pulverización o aplicación de cizallamiento (p. ej., agitación, mezcla o mezcla de alto cizallamiento ).
• Condensación de pequeñas moléculas disueltas en partículas coloidales más grandes mediante precipitación , condensación o reacciones redox . Estos procesos se utilizan en la preparación de sílice coloidal u oro .

Estabilización

La estabilidad de un sistema coloidal está definida 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. ^[18]

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, las partículas coloidales se repelerán o se atraerán débilmente entre sí 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 . ^[19] 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 causada 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 flóculo . El término precipitación normalmente se reserva para describir un cambio de fase de una dispersión coloide a un sólido (precipitado) cuando se somete a una perturbación. ^[16] La agregación causa sedimentación o formación de crema, por lo tanto, el coloide es inestable: si ocurre cualquiera de estos procesos, el coloide ya no será una suspensión.

Ejemplos de dispersión coloidal estable e 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 las partículas coloidales se estructura en una doble capa eléctrica , donde las partículas se cargan en la superficie, pero luego atraen a los contraiones (iones de carga opuesta) que rodean la partícula. La repulsión electrostática entre partículas coloidales suspendidas se cuantifica más fácilmente en términos de potencial zeta . El efecto combinado de la atracción de Van der Waals y la repulsión electrostática sobre la agregación se describe cuantitativamente mediante la teoría DLVO . ^[20] Un método común para estabilizar un coloide (convirtiéndolo de un precipitado) es la peptización , un proceso en el que se agita con un electrolito.
• La estabilización estérica consiste en absorber una capa de un polímero o tensioactivo sobre las partículas para evitar que se acerquen en el rango de fuerzas de atracción. ^[16] El polímero consta de cadenas que están unidas a la superficie de la partícula, y la parte de la cadena que se extiende es soluble en el medio de suspensión. ^[21] Esta técnica se utiliza para estabilizar partículas coloidales en todo tipo de disolventes, incluidos los disolventes orgánicos. ^[22]

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

Estabilización de redes estéricas y en 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, ^[23] y las largas cadenas poliméricas pueden proporcionar una estabilización estérica o electroestérica 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 evita la agregación de las partículas. Esto se puede lograr añadiendo sal a una suspensión para reducir la longitud del tamiz Debye (el ancho de la doble capa eléctrica) de las partículas. También se logra cambiando el pH de una suspensión para neutralizar eficazmente la carga superficial de las partículas en suspensión. ^[1] 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 zeta se encuentra por debajo de un cierto umbral, típicamente alrededor de ± 5 mV, tiende a ocurrir una coagulación o agregación rápida. ^[24]
• Adición de un floculante polimérico cargado. Los floculantes poliméricos pueden unir partículas coloidales individuales mediante interacciones electrostáticas atractivas. Por ejemplo, se pueden flocular partículas de arcilla o sílice coloidal cargadas negativamente mediante la adición de un polímero cargado positivamente.
• Adición de polímeros no adsorbidos llamados depletantes que provocan agregación por efectos entrópicos.

Las suspensiones coloidales inestables de fracciones de bajo volumen forman suspensiones líquidas agrupadas, en las que grupos individuales de partículas sedimentan si son más densos que el medio de suspensión, o se vuelven cremosos si son menos densos. Sin embargo, las suspensiones coloidales de fracción 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 retira 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 su aplicación.

Monitoreo de 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 e identificar y cuantificar los fenómenos de desestabilización es la dispersión múltiple de luz junto con el escaneo vertical. ^{[25] [26] [27] [28]} 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 la retrodispersión es directamente proporcional al tamaño promedio de partícula 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. ^[29] 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 qué tan rápido 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 mediante 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 partícula está más allá del rango de tamaño típico para partículas coloidales. ^[18]

Métodos acelerados para la predicción de la vida útil

El proceso cinético de desestabilización puede ser bastante largo (hasta varios meses o años para algunos productos). Por lo tanto, a menudo es necesario que el formulador utilice métodos de aceleración adicionales 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 temperaturas críticas de inversión de fase o degradación química). La temperatura afecta no sólo a la viscosidad, sino también a la tensión interfacial en el caso de tensioactivos no iónicos o, más generalmente, a las interacciones de fuerzas 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 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. Algunas emulsiones nunca se fusionarían en gravedad normal, mientras que sí lo hacen en gravedad artificial. ^[30] La segregación de diferentes poblaciones de partículas se ha destacado cuando se utiliza centrifugación y vibración. ^[31]

Como sistema modelo para átomos.

En física , los coloides son un sistema modelo interesante para los átomos . ^[32] Las partículas coloidales a 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 excluidas 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. Las transiciones de fase en suspensiones coloidales se pueden estudiar en tiempo real utilizando técnicas ópticas ^[33] y son análogas a las transiciones de fase en líquidos. En muchos casos interesantes se utiliza la fluidez óptica para controlar suspensiones de coloides. ^{[33] [34]}

Cristales

Un cristal coloidal es un conjunto muy ordenado de partículas que pueden formarse en un rango muy largo (normalmente del orden de unos pocos milímetros a un centímetro) y que parecen análogas a sus homólogos atómicos o moleculares. ^[35] Uno de los mejores ejemplos naturales de este fenómeno de ordenamiento se puede encontrar en el ópalo precioso , en el que regiones brillantes de color espectral puro resultan de dominios muy compactos de esferas coloidales amorfas de dióxido de silicio (o sílice , SiO ₂ ). ^{[36] [37]} Estas partículas esféricas se precipitan en charcos altamente silíceos en Australia y otros lugares, y forman estos conjuntos altamente ordenados después de años de sedimentación y compresión bajo fuerzas hidrostáticas y gravitacionales. Los conjuntos periódicos de partículas esféricas submicrométricas proporcionan conjuntos similares de vacíos intersticiales , que actúan como una rejilla 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 . ^{[38] [39]}

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

El gran número 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 poliméricos como minerales) y, a través de diversos mecanismos, implementando y preservando su formación de orden de largo plazo. ^[40]

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 mediante 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 ambiente

Las partículas coloidales también pueden servir como vector de transporte ^[41] de diversos contaminantes en las aguas superficiales (agua de mar, lagos, ríos, masas de agua dulce) y en las aguas subterráneas que circulan en rocas fisuradas ^[42] (por ejemplo, piedra caliza , arenisca , granito ). Los radionucleidos y los metales pesados ​​se absorben fácilmente en coloides suspendidos en agua. Se reconocen varios tipos de coloides: coloides inorgánicos (p. ej. partículas de arcilla , silicatos, oxihidróxidos de hierro ), coloides orgánicos ( sustancias húmicas y fúlvicas ). Cuando los metales pesados ​​o los radionucleidos forman sus propios coloides puros, el término " coloide propio " se utiliza para designar fases puras, es decir, Tc(OH) ₄ , U(OH) ₄ o Am(OH) ₃ puros . Se sospecha que los coloides sirven para el 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 ^[43] debido al proceso de ultrafiltración que ocurre en membranas arcillosas densas. ^[44] La pregunta es menos clara para pequeños coloides orgánicos a menudo mezclados en agua de poro con moléculas orgánicas verdaderamente disueltas. ^[45]

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 pH del suelo . ^[46]

Terapia intravenosa

Las soluciones coloides utilizadas en la terapia intravenosa pertenecen a un grupo importante de expansores de volumen y pueden usarse para la reposición de líquidos por vía intravenosa . Los coloides conservan una alta presión coloide osmótica en la sangre, ^[47] 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, ^[47] y gran parte de la investigación relacionada con este uso de coloides se basa en investigaciones fraudulentas realizadas por Joachim Boldt . ^[48] ​​Otra diferencia es que los cristaloides generalmente son mucho más baratos que los coloides. ^[47]

Referencias

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