Material que comprende más de una fase donde al menos una de las fases consta de dominios de fase finamente divididos, a menudo en el rango de tamaño coloidal , dispersos a lo largo de una fase continua . [1]
Nota 1 : Modificación de la definición en la ref. [2]
Una dispersión es un sistema en el que partículas distribuidas de un material se dispersan en una fase continua de otro material. Las dos fases pueden estar en el mismo o en diferentes estados de la materia .
Las dispersiones se clasifican de diferentes maneras, incluido el tamaño de las partículas en relación con las partículas de la fase continua, si se produce o no precipitación y la presencia de movimiento browniano . En general, las dispersiones de partículas suficientemente grandes para la sedimentación se denominan suspensiones , mientras que las de partículas más pequeñas se denominan coloides y soluciones.
Las dispersiones no presentan ninguna estructura; es decir, se supone que las partículas (o en el caso de emulsiones: gotitas) dispersas en la matriz líquida o sólida (el "medio de dispersión") están distribuidas estadísticamente. Por lo tanto, para las dispersiones, normalmente se supone que la teoría de la percolación describe adecuadamente sus propiedades.
Sin embargo, la teoría de la percolación sólo puede aplicarse si el sistema que debe describir está en equilibrio termodinámico o cerca de él . Hay muy pocos estudios sobre la estructura de las dispersiones (emulsiones), aunque abundan en tipo y uso en todo el mundo en innumerables aplicaciones (ver más abajo).
A continuación, sólo se analizarán aquellas dispersiones con un diámetro de fase dispersa inferior a 1 µm. Para comprender la formación y las propiedades de tales dispersiones (incluidas las emulsiones), se debe considerar que la fase dispersa exhibe una "superficie", que está cubierta ("mojada") por una "superficie" diferente que, por lo tanto, está formando una interfaz. (química) . Es necesario crear ambas superficies (lo que requiere una gran cantidad de energía), y la tensión interfacial (diferencia de tensión superficial) no compensa la entrada de energía, en todo caso.
La evidencia experimental sugiere que las dispersiones tienen una estructura muy diferente de cualquier tipo de distribución estadística (que serían características de un sistema en equilibrio termodinámico ), pero en contraste muestran estructuras similares a la autoorganización , que puede describirse mediante termodinámica de no equilibrio . [3] Esta es la razón por la que algunas dispersiones líquidas se vuelven geles o incluso sólidas a una concentración de una fase dispersa superior a una concentración crítica (que depende del tamaño de las partículas y la tensión interfacial). Asimismo, se ha explicado la aparición repentina de conductividad en un sistema de fase conductora dispersa en una matriz aislante.
La dispersión es un proceso mediante el cual (en el caso de un sólido que se dispersa en un líquido) las partículas aglomeradas se separan entre sí y se genera una nueva interfaz entre la superficie interna del medio de dispersión líquido y la superficie de las partículas dispersas. Este proceso se ve facilitado por la difusión y convección molecular . [4]
Con respecto a la difusión molecular, la dispersión se produce como resultado de una concentración desigual del material introducido en todo el medio a granel. Cuando el material dispersado se introduce por primera vez en el medio a granel, la región en la que se introduce tiene una concentración más alta de ese material que cualquier otro punto del material a granel. Esta distribución desigual da como resultado un gradiente de concentración que impulsa la dispersión de partículas en el medio de modo que la concentración es constante en todo el volumen. Con respecto a la convección, las variaciones de velocidad entre las trayectorias del flujo en la masa facilitan la distribución del material disperso en el medio.
Aunque ambos fenómenos de transporte contribuyen a la dispersión de un material en la masa, el mecanismo de dispersión es impulsado principalmente por la convección en los casos en que hay un flujo turbulento significativo en la masa. [5] La difusión es el mecanismo dominante en el proceso de dispersión en casos de poca o ninguna turbulencia en la masa, donde la difusión molecular es capaz de facilitar la dispersión durante un largo período de tiempo. [4] Estos fenómenos se reflejan en eventos comunes del mundo real. Las moléculas de una gota de colorante alimentario añadida al agua acabarán dispersándose por todo el medio, donde los efectos de la difusión molecular son más evidentes. Sin embargo, agitar la mezcla con una cuchara creará flujos turbulentos en el agua que acelerarán el proceso de dispersión a través de una dispersión dominada por convección.
El término dispersión también se refiere a la propiedad física del grado en que las partículas se agrupan formando aglomerados o agregados. Si bien los dos términos a menudo se usan indistintamente, según las definiciones de nanotecnología ISO, un aglomerado es una colección reversible de partículas débilmente unidas, por ejemplo, por fuerzas de van der Waals o entrelazamiento físico, mientras que un agregado está compuesto de partículas fusionadas o unidas irreversiblemente, por ejemplo. ejemplo a través de enlaces covalentes . [6] Una cuantificación completa de la dispersión implicaría el tamaño, la forma y el número de partículas en cada aglomerado o agregado, la intensidad de las fuerzas entre partículas, su estructura general y su distribución dentro del sistema. Sin embargo, la complejidad normalmente se reduce comparando la distribución de tamaño medida de las partículas "primarias" con la de los aglomerados o agregados. [7] Cuando se habla de suspensiones de partículas sólidas en medios líquidos, el potencial zeta se utiliza con mayor frecuencia para cuantificar el grado de dispersión, y las suspensiones que poseen un valor absoluto alto de potencial zeta se consideran bien dispersas.
Una solución describe una mezcla homogénea donde las partículas dispersas no se asentarán si la solución se deja sin alterar durante un período de tiempo prolongado.
Un coloide es una mezcla heterogénea donde las partículas dispersas tienen al menos en una dirección una dimensión aproximadamente entre 1 nm y 1 µm o que en un sistema se encuentran discontinuidades a distancias de ese orden. [8]
Una suspensión es una dispersión heterogénea de partículas más grandes en un medio. A diferencia de las soluciones y los coloides, si no se tocan durante un período prolongado de tiempo, las partículas suspendidas se sedimentarán de la mezcla.
Aunque las suspensiones son relativamente sencillas de distinguir de las soluciones y los coloides, puede resultar difícil distinguir las soluciones de los coloides ya que las partículas dispersas en el medio pueden ser demasiado pequeñas para ser distinguidas por el ojo humano. En cambio, el efecto Tyndall se utiliza para distinguir soluciones y coloides. Debido a las diversas definiciones de soluciones, coloides y suspensiones proporcionadas en la literatura, es difícil etiquetar cada clasificación con un rango de tamaño de partícula específico. La Unión Internacional de Química Pura y Aplicada intenta proporcionar una nomenclatura estándar para coloides como partículas en un rango de tamaño que tiene una dimensión aproximadamente entre 1 nm y 1 µm. [9]
Además de la clasificación por tamaño de partícula, las dispersiones también se pueden etiquetar por la combinación de la fase dispersa y la fase media en la que están suspendidas las partículas. Los aerosoles son líquidos dispersos en un gas, los soles son sólidos en líquidos, las emulsiones son líquidos dispersos en líquidos (más específicamente una dispersión de dos líquidos inmiscibles) y los geles son líquidos dispersos en sólidos.
La leche es un ejemplo comúnmente citado de emulsión , un tipo específico de dispersión de un líquido en otro líquido donde los dos líquidos son inmiscibles. Las moléculas de grasa suspendidas en la leche proporcionan un modo de transporte de importantes vitaminas y nutrientes liposolubles de la madre al recién nacido. [10] El tratamiento mecánico, térmico o enzimático de la leche manipula la integridad de estos glóbulos de grasa y da como resultado una amplia variedad de productos lácteos. [11]
La aleación reforzada con dispersión de óxido (ODS) es un ejemplo de dispersión de partículas de óxido en un medio metálico, que mejora la tolerancia del material a altas temperaturas. Por lo tanto, estas aleaciones tienen varias aplicaciones en la industria de la energía nuclear, donde los materiales deben soportar temperaturas extremadamente altas para mantener su funcionamiento. [12]
La degradación de los acuíferos costeros es un resultado directo de la intrusión de agua de mar y su dispersión en el acuífero tras un uso excesivo del mismo. Cuando un acuífero se agota para uso humano, se repone naturalmente con agua subterránea que llega desde otras áreas. En el caso de los acuíferos costeros, el suministro de agua se repone tanto desde el límite terrestre de un lado como desde el límite marítimo del otro. Después de una descarga excesiva, el agua salina de la frontera marítima entrará en el acuífero y se dispersará en el medio de agua dulce, amenazando la viabilidad del acuífero para uso humano. [13] Se han propuesto varias soluciones diferentes a la intrusión de agua de mar en los acuíferos costeros, incluidos métodos de ingeniería de recarga artificial y la implementación de barreras físicas en la frontera marítima. [14]
Los dispersantes químicos se utilizan en derrames de petróleo para mitigar los efectos del derrame y promover la degradación de las partículas de petróleo. Los dispersantes aíslan eficazmente los charcos de petróleo que se encuentran en la superficie del agua en gotas más pequeñas que se dispersan en el agua, lo que reduce la concentración general de petróleo en el agua para evitar una mayor contaminación o impacto en la biología marina y la vida silvestre costera. [15]