Dispersión (química)

Una dispersión es un sistema en el que partículas distribuidas de un material se encuentran dispersas 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 diversas maneras, según el tamaño de las partículas en relación con las de la fase continua, la presencia o ausencia de precipitación y el movimiento browniano . En general, las dispersiones de partículas lo suficientemente grandes como para sedimentar se denominan suspensiones , mientras que las de partículas más pequeñas se denominan coloides y disoluciones.

Se suele asumir que las dispersiones no presentan estructura; es decir, se supone que las partículas (o, en el caso de las emulsiones, las gotitas) dispersas en la matriz líquida o sólida (el "medio de dispersión") se distribuyen estadísticamente. Por lo tanto, para las dispersiones, generalmente se asume que la teoría de la percolación describe adecuadamente sus propiedades.

Sin embargo, la teoría de la percolación solo puede aplicarse si el sistema que describe se encuentra en equilibrio termodinámico o cerca de él . Existen algunos estudios sobre la estructura de las dispersiones (emulsiones), ^{[ 3 ]} aunque son muy diversas y se utilizan en todo el mundo en innumerables aplicaciones (véase más adelante). Basándose en la evidencia experimental que muestra estructuras complejas en las dispersiones, se propuso entenderlas (sistemas coloidales en general) como sistemas fuera del equilibrio. ^{[ 4 ]}

A continuación, solo  se analizarán las dispersiones con un diámetro de fase dispersa inferior a 1 μm. Para comprender la formación y las propiedades de dichas dispersiones (incluidas las emulsiones), es necesario considerar que la fase dispersa presenta una "superficie" que está cubierta ("humedecida") por otra "superficie" diferente, las cuales, por lo tanto, forman una interfaz (química) . Ambas superficies deben crearse (lo que requiere una gran cantidad de energía), y la tensión interfacial (diferencia de tensión superficial) no compensa el aporte energético, si es que lo hace.

La evidencia experimental sugiere que las dispersiones tienen una estructura muy diferente a cualquier tipo de distribución estadística (que sería característica de un sistema en equilibrio termodinámico ), sino que, por el contrario, muestran estructuras similares a la autoorganización , que puede describirse mediante la termodinámica del no equilibrio . ^{[ 5 ]} Esta es la razón por la que algunas dispersiones líquidas se convierten en geles o incluso sólidos a una concentración de una fase dispersa por encima de una concentración crítica (que depende del tamaño de partícula y la tensión interfacial). Además, se ha explicado la aparición repentina de conductividad en un sistema de una 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 molecular y la convección . ^{[ 6 ]}

En lo que respecta a la difusión molecular, la dispersión se produce como resultado de una concentración desigual del material introducido en todo el medio. Cuando el material disperso se introduce por primera vez en el medio, la región donde se introduce presenta una concentración mayor que cualquier otro punto. Esta distribución desigual genera un gradiente de concentración que impulsa la dispersión de partículas en el medio, de modo que la concentración se mantiene constante en todo el volumen. En cuanto a la convección, las variaciones de velocidad entre las trayectorias de flujo en el medio facilitan la distribución del material disperso.

Aunque ambos fenómenos de transporte contribuyen a la dispersión de un material en el seno del medio, el mecanismo de dispersión está impulsado principalmente por la convección en casos donde existe un flujo turbulento significativo en el seno del medio. ^{[ 7 ]} La difusión es el mecanismo dominante en el proceso de dispersión en casos de poca o ninguna turbulencia en el seno del medio, donde la difusión molecular puede facilitar la dispersión durante un período prolongado. ^{[ 6 ]} Estos fenómenos se reflejan en eventos comunes del mundo real. Las moléculas en una gota de colorante alimentario agregada al agua eventualmente se dispersarán por todo el medio, donde los efectos de la difusión molecular son más evidentes. Sin embargo, remover la mezcla con una cuchara creará flujos turbulentos en el agua que aceleran el proceso de dispersión a través de la dispersión dominada por la convección.

El término dispersión también se refiere a la propiedad física del grado en que las partículas se agrupan en aglomerados o agregados. Si bien ambos términos se usan a menudo 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 por partículas unidas o fusionadas irreversiblemente, por ejemplo, a través de enlaces covalentes . ^{[ 8 ]} Una cuantificación completa de la dispersión implicaría el tamaño, la forma y el número de partículas en cada aglomerado o agregado, la fuerza de las fuerzas interparticulares, su estructura general y su distribución dentro del sistema. Sin embargo, la complejidad generalmente se reduce comparando la distribución de tamaño medida de las partículas "primarias" con la de los aglomerados o agregados. ^{[ 9 ]} Al hablar de suspensiones de partículas sólidas en medios líquidos, el potencial zeta se usa con mayor frecuencia para cuantificar el grado de dispersión, y las suspensiones que poseen un alto valor absoluto de potencial zeta se consideran bien dispersas.

Una solución describe una mezcla homogénea en la que las partículas dispersas no se sedimentarán si la solución se deja en reposo durante un período 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. ^{[ 10 ]}

Una suspensión es una dispersión heterogénea de partículas grandes en un medio. A diferencia de las soluciones y los coloides, si se deja reposar durante un período prolongado, las partículas suspendidas se sedimentarán.

Aunque las suspensiones son relativamente fáciles de distinguir de las soluciones y los coloides, puede resultar difícil diferenciar las soluciones de los coloides, ya que las partículas dispersas en el medio pueden ser demasiado pequeñas para ser percibidas a simple vista. En su lugar, se utiliza el efecto Tyndall para distinguir soluciones y coloides. Debido a las diversas definiciones de soluciones, coloides y suspensiones que se encuentran en la literatura, es difícil asignar a cada clasificación un rango de tamaño de partícula específico. La Unión Internacional de Química Pura y Aplicada (IUPAC) intenta proporcionar una nomenclatura estándar para los coloides como partículas con un rango de tamaño aproximado entre 1 nm y 1 μm. ^{[ 11 ]}

Además de la clasificación por tamaño de partícula, las dispersiones también pueden clasificarse según la combinación de la fase dispersa y la fase intermedia en la que se encuentran 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 ambos líquidos son inmiscibles. Las moléculas de grasa suspendidas en la leche proporcionan un medio para el suministro de importantes vitaminas y nutrientes liposolubles de la madre al recién nacido. ^{[ 12 ]} 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. ^{[ 13 ]}

La aleación reforzada por dispersión de óxidos (ODS) es un ejemplo de dispersión de partículas de óxido en un medio metálico, lo que mejora la tolerancia del material a altas temperaturas. Por lo tanto, estas aleaciones tienen diversas aplicaciones en la industria de la energía nuclear, donde los materiales deben soportar temperaturas extremadamente altas para mantener el funcionamiento. ^{[ 14 ]}

La degradación de los acuíferos costeros es consecuencia directa de la intrusión y dispersión de agua de mar en el acuífero tras su uso excesivo. Cuando un acuífero se agota para el consumo humano, se recarga naturalmente con agua subterránea procedente de otras zonas. En el caso de los acuíferos costeros, el suministro de agua se repone tanto desde el límite terrestre, por un lado, como desde el límite marino, por el otro. Tras una descarga excesiva, el agua salina del límite marino penetra en el acuífero y se dispersa en el medio de agua dulce, poniendo en peligro la viabilidad del acuífero para el consumo humano. ^{[ 15 ]} Se han propuesto diversas soluciones para la intrusión de agua de mar en los acuíferos costeros, incluyendo métodos de ingeniería para la recarga artificial y la implementación de barreras físicas en el límite marino. ^{[ 16 ]}

Los dispersantes químicos se utilizan en derrames de petróleo para mitigar sus efectos y favorecer la degradación de las partículas de petróleo. Estos dispersantes aíslan eficazmente las acumulaciones de petróleo en la superficie del agua, dividiéndolas en gotas más pequeñas que se dispersan en el agua, lo que reduce la concentración total de petróleo y previene una mayor contaminación o impacto en la biología marina y la fauna costera. ^{[ 17 ]}