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Coloide

Un coloide es una mezcla en la que una sustancia, compuesta por partículas insolubles microscópicamente dispersas , se encuentra suspendida en otra sustancia. Algunas definicion...

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Un coloide es una mezcla en la que una sustancia, compuesta por partículas insolubles microscópicamente dispersas , se encuentra suspendida en otra sustancia. Algunas definiciones especifican que las partículas deben estar dispersas en un líquido , [ 1 ] mientras que otras extienden la definición para incluir sustancias como aerosoles y geles . El término suspensión coloidal se refiere inequívocamente a la mezcla global (aunque un sentido más restringido de 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).

Imagen de microscopio electrónico de barrido de un coloide

Algunos coloides son translúcidos debido al efecto Tyndall , que es la dispersión de la luz por las partículas que los componen. 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 con Francesco Selmi , [ 2 ] [ 3 ] [ 4 ] [ 5 ] quien las denominó pseudosoluciones, y posteriormente fue ampliado por Michael Faraday [ 6 ] [ 7 ] y Thomas Graham , quien acuñó el término coloide en 1861. [ 8 ]

Definición

Definición de la IUPAC

Coloide : Sinónimo abreviado de sistema coloidal . [ 9 ] [ 10 ]

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. [ 9 ] [ 10 ] [ 11 ]

Dado que la definición de coloide es tan ambigua, la Unión Internacional de Química Pura y Aplicada (IUPAC) formalizó una definición moderna de coloides:

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 comprendida entre 1 nanómetro y 1 micrómetro , o que en un sistema se encuentran discontinuidades a distancias de ese orden. No es necesario que las tres dimensiones estén en el rango coloidal… Tampoco es necesario que las unidades de un sistema coloidal sean discretas… Los límites de tamaño mencionados anteriormente no son rígidos, ya que dependerán en cierta medida de las propiedades consideradas. [ 12 ]

Esta definición de la IUPAC es particularmente importante porque resalta la flexibilidad inherente a los sistemas coloidales. Sin embargo, gran parte de la confusión en torno a los coloides surge de simplificaciones excesivas. La IUPAC deja claro que existen excepciones y que la definición no debe considerarse una regla rígida. D.H. Everett, el científico que redactó la definición de la IUPAC, enfatizó que los coloides suelen comprenderse mejor mediante ejemplos que mediante definiciones estrictas. [ 13 ]

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 , espumas coloidales , dispersiones coloidales o hidrosoles .

hidrocoloides

Los hidrocoloides describen ciertas sustancias químicas (principalmente polisacáridos y proteínas ) que se dispersan coloidalmente en agua . Al volverse efectivamente "solubles", modifican la reología del agua aumentando su viscosidad y/o induciendo la gelificación. Pueden proporcionar otros efectos interactivos con otras sustancias químicas, en algunos casos sinérgicos y en otros antagónicos. Gracias a estas características, los hidrocoloides son sustancias químicas muy útiles, ya que en muchos ámbitos de la tecnología  —desde alimentos hasta productos farmacéuticos y de cuidado personal, pasando por 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 hidrocoloides tienen funcionalidad adicional en forma seca si, tras la solubilización, se les elimina el agua  , como en la formación de películas para tiras nasales, tripas artificiales para embutidos y fibras para apósitos (algunas más compatibles con la piel que otras). Existen muchos tipos diferentes de hidrocoloides, cada uno con diferencias en su estructura, función y utilidad. La idoneidad del compuesto más adecuado para un área de aplicación específica puede depender del control de la reología y de la modificación física de la forma y la textura. Algunos hidrocoloides, como el almidón de maíz y la caseína, son alimentos útiles, además de modificadores de la reología; otros tienen un valor nutricional limitado, generalmente aportando fibra dietética . [ 16 ]

El término hidrocoloide también puede referirse a un tipo de apósito para heridas , diseñado para retener la humedad en la piel y ayudar al proceso natural de curación de la piel, para reducir las cicatrices, el picor y el dolor.

Componentes

Los hidrocoloides contienen algún tipo de agente gelificante, como carboximetilcelulosa sódica (NaCMC) o gelatina. Normalmente se combinan con algún tipo de sellador, como poliuretano, para adherirse a la piel.

Comparado con la solución

Un coloide tiene una fase dispersa y una fase continua, mientras que en una disolución , el soluto y el disolvente constituyen una sola fase. En una disolución, el soluto son moléculas o iones individuales , mientras que las partículas coloidales son más grandes. Por ejemplo, en una disolución 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 un coloide tiene múltiples fases, posee propiedades muy diferentes a las de una disolución continua completamente mezclada. [ 17 ]

Interacción entre partículas

Las siguientes fuerzas juegan un papel importante en la interacción de partículas coloidales: [ 18 ] [ 19 ]

  • Repulsión por volumen excluido : Esto se refiere a la imposibilidad de cualquier superposición entre partículas duras.
  • Interacción electrostática : Las partículas coloidales suelen tener carga eléctrica y, por lo tanto, se atraen o 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 influyen en esta interacción.
  • Fuerzas de van der Waals : Se deben a la interacción entre dos dipolos, ya sean permanentes o inducidos. Incluso si las partículas no poseen un dipolo permanente, las fluctuaciones de la densidad electrónica generan un dipolo temporal en una partícula. Este dipolo temporal induce un dipolo en las partículas cercanas. El dipolo temporal y los dipolos inducidos se atraen entre sí. Esta fuerza 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 atractiva.
  • Fuerzas estéricas : Fuerza estérica repulsiva que suele producirse debido a la adsorción de polímeros que recubren la superficie de un coloide.
  • Fuerzas de agotamiento : Una fuerza entrópica atractiva que surge de un desequilibrio de presión osmótica cuando los coloides están suspendidos en un medio de partículas o polímeros mucho más pequeños llamados agentes de agotamiento.

Velocidad de sedimentación

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

El campo gravitatorio terrestre 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); si son menos densas, flotarán ( elevarán a la superficie). Las partículas más grandes también tienden a sedimentarse con mayor facilidad debido a que su movimiento browniano es menor, lo que dificulta contrarrestar este movimiento.

La velocidad de sedimentación o cremado se obtiene igualando la fuerza de arrastre de Stokes con la fuerza gravitatoria :

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

dónde

metroAgramo{\displaystyle m_{A}g}es el peso arquimediano de las partículas coloidales,
η{\displaystyle \eta }es la viscosidad del medio de suspensión,
r{\displaystyle r}es el radio de la partícula coloidal,

yv{\displaystyle v}es la velocidad de sedimentación o cremado.

La masa de la partícula coloidal se calcula mediante:

metroA=V(ρ1−ρ2){\displaystyle m_{A}=V(\rho _{1}-\rho _{2})}

dónde

V{\displaystyle V}es el volumen de la partícula coloidal, calculado utilizando el volumen de una esferaV=43πr3{\displaystyle V={\frac {4}{3}}\pi r^{3}},

yρ1−ρ2{\displaystyle \rho _{1}-\rho _{2}}es la diferencia de densidad de masa entre la partícula coloidal y el medio de suspensión.

Al reorganizar, la velocidad de sedimentación o cremado es:

v=metroAgramo6πηr{\displaystyle v={\frac {m_{A}g}{6\pi \eta r}}}

Existe un límite superior en el diámetro de las partículas coloidales, ya que las partículas mayores de 1 μm tienden a sedimentarse; por lo tanto, la sustancia ya no se consideraría una suspensión coloidal. [ 20 ]

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

Preparación

Existen dos formas principales de preparar coloides: [ 21 ]

Estabilización

La estabilidad de un sistema coloidal se define por la cantidad de partículas que permanecen suspendidas en solución y depende de las fuerzas de interacción entre las partículas. Estas incluyen las interacciones electrostáticas y las fuerzas de van der Waals , ya que ambas contribuyen a la energía libre total del sistema. [ 22 ]

Un coloide es estable si la energía de interacción debida a las fuerzas de atracción entre sus partículas es menor que kT , donde k es la constante de Boltzmann y T es la temperatura absoluta . En tal 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, las fuerzas atractivas prevalecerán y las partículas coloidales comenzarán a agruparse. Este proceso se conoce generalmente como agregación , pero también como floculación , coagulación o precipitación . [ 23 ] Si bien estos términos se usan a menudo indistintamente, para algunas definiciones tienen significados ligeramente diferentes. Por ejemplo, la coagulación puede usarse para describir la agregación irreversible y permanente donde las fuerzas que mantienen unidas las partículas son más fuertes que cualquier fuerza externa causada por la agitación o la mezcla. La floculación puede usarse para describir la agregación reversible que involucra fuerzas atractivas más débiles, y el agregado generalmente se llama flóculo . 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. [ 20 ] La agregación causa sedimentación o cremado, por lo tanto, el coloide es inestable: si ocurre cualquiera de estos procesos, el coloide dejará de ser una suspensión.

Ejemplos de una dispersión coloidal estable y de una inestable.

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

  • La estabilización electrostática se basa en la repulsión mutua de cargas eléctricas iguales. La carga de las partículas coloidales se estructura en una doble capa eléctrica , donde las partículas se cargan en la superficie, pero luego atraen contraiones (iones de carga opuesta) que rodean la partícula. La repulsión electrostática entre partículas coloidales en suspensión se cuantifica más fácilmente en términos del 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 . [ 24 ] Un método común para estabilizar un coloide (convertirlo 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 polímero o surfactante sobre las partículas para evitar que se acerquen lo suficiente como para generar fuerzas de atracción. [ 20 ] El polímero está formado por cadenas unidas a la superficie de la partícula, y la parte de la cadena que sobresale es soluble en el medio de suspensión. [ 25 ] Esta técnica se utiliza para estabilizar partículas coloidales en todo tipo de disolventes, incluidos los orgánicos. [ 26 ]

También es posible una combinación de ambos mecanismos (estabilización electrostérica).

Estabilización estérica y de la red de gel.

Un método denominado estabilización por red de gel representa la principal vía para 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 rigidez de la matriz polimérica donde quedan atrapadas las partículas dificulta la sedimentación [ 27 ] , y las largas cadenas poliméricas pueden proporcionar una estabilización estérica o electroestérica a las partículas dispersas. Ejemplos de estas sustancias son la goma xantana y la goma guar .

Desestabilización

La desestabilización puede lograrse mediante diferentes métodos:

  • Eliminación de la barrera electrostática que impide la agregación de las partículas. Esto se puede lograr añadiendo sal a una suspensión para reducir la longitud de apantallamiento de 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. 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. [ 28 ]
  • Adición de un floculante polimérico cargado. Los floculantes poliméricos pueden unir partículas coloidales individuales mediante interacciones electrostáticas atractivas. Por ejemplo, las partículas coloidales de sílice o arcilla con carga negativa pueden flocularse mediante la adición de un polímero con carga positiva.
  • Adición de polímeros no adsorbidos, denominados agentes de agotamiento , que provocan agregación debido a efectos entrópicos.

Las suspensiones coloidales inestables de baja fracción volumétrica forman suspensiones líquidas agrupadas, donde los grupos individuales de partículas sedimentan si son más densos que el medio de suspensión, o forman una crema si son menos densos. Sin embargo, las suspensiones coloidales de mayor fracción volumétrica 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 este cesa. Por esta razón, la pasta de dientes se puede exprimir del tubo, pero permanece en el cepillo de dientes después de su aplicación.

Monitoreo de la estabilidad

Principio de medición de la dispersión de luz múltiple acoplada al escaneo vertical.

La técnica más utilizada para monitorear el estado de dispersión de un producto, y para identificar y cuantificar fenómenos de desestabilización, es la dispersión múltiple de luz acoplada con escaneo vertical. [ 29 ] [ 30 ] [ 31 ] [ 32 ] Este método, conocido como turbidimetría , se basa en medir la fracción de luz que, después de ser enviada a través de la muestra, es retrodispersada por las partículas coloidales. La intensidad de retrodispersión es directamente proporcional al tamaño promedio de partícula y a la fracción de volumen de la fase dispersa. Por lo tanto, se detectan y monitorean cambios locales en la concentración causados ​​por sedimentación o cremado, y aglomeración de partículas causada por agregación. [ 33 ] 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 su velocidad de difusión. Este método consiste en dirigir 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 se debe al movimiento browniano de las partículas. Si el tamaño aparente de las partículas aumenta debido a su agrupación por agregación, el movimiento browniano se ralentizará. Esta técnica puede confirmar que se ha producido agregación si el tamaño aparente de la partícula se encuentra fuera del rango de tamaño típico para partículas coloidales. [ 22 ]

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 se requieren métodos de aceleración adicionales para que el formulador pueda desarrollar un nuevo diseño de producto en un plazo razonable. 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 la viscosidad, sino también la tensión interfacial en el caso de tensioactivos no iónicos o, más generalmente, las fuerzas de interacción dentro del sistema. Almacenar una dispersión a altas temperaturas permite simular las condiciones reales de un producto (por ejemplo, un tubo de crema 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. Estas someten al producto a diferentes fuerzas que empujan las partículas/gotas entre sí, lo que ayuda al drenaje de la película. Algunas emulsiones nunca se coalescen en gravedad normal, mientras que sí lo hacen bajo gravedad artificial. [ 34 ] Se ha destacado la segregación de diferentes poblaciones de partículas cuando se utiliza centrifugación y vibración. [ 35 ]

Como sistema modelo para átomos

En física , los coloides son un sistema modelo interesante para los átomos . [ 36 ] 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 rigen la estructura y el comportamiento de la materia, como las interacciones de volumen excluido o las fuerzas electrostáticas, rigen la estructura y el comportamiento de las suspensiones coloidales. Por ejemplo, las mismas técnicas utilizadas para modelar gases ideales pueden aplicarse para modelar el comportamiento de una suspensión coloidal de esferas duras. Las transiciones de fase en suspensiones coloidales pueden estudiarse en tiempo real utilizando técnicas ópticas, [ 37 ] y son análogas a las transiciones de fase en líquidos. En muchos casos interesantes, la fluidez óptica se utiliza para controlar suspensiones coloidales. [ 37 ] [ 38 ]

Los coloides también se utilizan como sistemas modelo para estudiar la transición vítrea , porque las suspensiones coloidales densas pueden mostrar una dinámica vítrea similar a la de los líquidos formadores de vidrio . Las simulaciones de dinámica molecular de partículas elipsoidales anisotrópicas que interactúan a través del potencial de Gay-Berne han reportado un comportamiento líquido-vítreo relacionado con experimentos en coloides elipsoidales de PMMA , [ 39 ] [ 40 ] donde el movimiento rotacional se detiene mientras que el movimiento traslacional permanece similar al de un fluido.

Cristales

Un cristal coloidal es una matriz altamente ordenada de partículas que se pueden formar en un rango muy largo (típicamente del orden de unos pocos milímetros a un centímetro) y que parecen análogas a sus contrapartes atómicas o moleculares. [ 41 ] 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 compactos de esferas coloidales amorfas de dióxido de silicio (o sílice , SiO 2 ). [ 42 ] [ 43 ] Estas partículas esféricas precipitan en depósitos altamente silíceos en Australia y otros lugares, y forman estas matrices altamente ordenadas después de años de sedimentación y compresión bajo fuerzas hidrostáticas y gravitacionales. Las matrices periódicas de partículas esféricas submicrométricas proporcionan matrices similares de huecos intersticiales , que actúan como una red de difracción natural para las ondas de luz visible , particularmente cuando el espaciado intersticial es del mismo orden de magnitud que la onda de luz incidente . [ 44 ] [ 45 ]

Así, se sabe desde hace muchos años que, debido a las interacciones repulsivas de Coulomb , las macromoléculas con carga eléctrica en un medio acuoso pueden presentar correlaciones de largo alcance , similares a las de los cristales , con distancias de separación entre partículas que suelen ser considerablemente mayores que el diámetro de cada partícula. En todos estos casos naturales, la misma iridiscencia brillante (o juego de colores) puede atribuirse a la difracción e interferencia constructiva de ondas de luz visible que cumplen la ley de Bragg , de forma análoga a la dispersión de rayos X en sólidos cristalinos.

El gran número de experimentos que exploran la física y la química de estos denominados "cristales coloidales" ha surgido como resultado de los métodos relativamente simples que han evolucionado en los últimos 20 años para preparar coloides sintéticos monodispersos (tanto poliméricos como minerales) y, a través de diversos mecanismos, implementar y preservar la formación de su orden de largo alcance. [ 46 ]

En biología

La separación de fases coloidal es un principio organizativo importante para la compartimentación tanto del citoplasma como del núcleo de las células en condensados ​​biomoleculares , de importancia similar a la compartimentación mediante membranas de bicapa lipídica , un tipo de cristal líquido . El término condensado biomolecular se ha utilizado para referirse a cúmulos de macromoléculas que surgen mediante la separación de fases líquido-líquido o líquido-sólido dentro de las células. El hacinamiento macromolecular potencia notablemente la separación de fases coloidal y la formación de condensados ​​biomoleculares . Las soluciones coloidales también se utilizan como herramienta para la administración intracelular rápida, sencilla y segura de diversos tipos de moléculas, como polímeros o proteínas. [ 47 ]

En el entorno

Las partículas coloidales también pueden servir como vectores de transporte [ 48 ] de diversos contaminantes en el agua superficial (agua de mar, lagos, ríos, cuerpos de agua dulce) y en el agua subterránea que circula en rocas fisuradas [ 49 ] (p. ej. , caliza , arenisca , granito ). Los radionúclidos y los metales pesados ​​se adsorben fácilmente en coloides suspendidos en el 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 radionúclidos forman coloides puros, el término " eigencoloide " se utiliza para designar fases puras, es decir, Tc(OH) ₄ , U(OH) ₄ o Am(OH) ₃ puros . Se ha sospechado que los coloides fueron responsables del transporte a larga distancia de plutonio 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 [ 50 ] debido al proceso de ultrafiltración que ocurre en la densa membrana arcillosa. [ 51 ] La cuestión es menos clara para los pequeños coloides orgánicos que a menudo se mezclan en el agua intersticial con moléculas orgánicas verdaderamente disueltas. [ 52 ]

En la ciencia del suelo , la fracción coloidal en los suelos consiste en diminutas partículas de arcilla y humus que tienen menos de 1 μm de diámetro y portan cargas electrostáticas positivas y/o negativas que varían según las condiciones químicas de la muestra de suelo, es decir, el pH del suelo . [ 53 ]

Terapia intravenosa

Las soluciones coloidales utilizadas en la terapia intravenosa pertenecen a un grupo importante de expansores de volumen y pueden utilizarse para la reposición de líquidos intravenosos . Los coloides mantienen una alta presión osmótica coloidal en la sangre, [ 54 ] 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, aún existe controversia sobre la diferencia real en la eficacia debida a esta diferencia, [ 54 ] y gran parte de la investigación relacionada con este uso de coloides se basa en una investigación fraudulenta de Joachim Boldt . [ 55 ] Otra diferencia es que los cristaloides generalmente son mucho más baratos que los coloides. [ 54 ]

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