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QUIMICA COLOIDAL
PRINCIPIOS Y APLICACIONES
PRIMERA EDICION
2014
López Dora Carolina, Rodríguez César Andrés
01/01/2014
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A nuestros padres por habernos apoyado
en el camino del conoc...
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2.7.2 COLOIDES ESFERICOS Y LAMINARES.................................................................
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4.1 MOVIMIENTO BROWNIANO.............................................................................
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PREFACIO
Dentro de la vida académica, nos vemos obligados a ser muy curiosos acerca de las
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CAPITULO1. SOLUCIONES VERDADERAS
La mayor parte de los
materiales y sustancias con las que
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1.2 CLASIFICACION DE LAS SOLUCIONES VERDADERAS
Las soluciones pueden clasificarse de diferentes fo...
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interacciones de solvente-solvente, así que el sistema necesita cierta energía para separar estas
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1.3.3 ENERGIA LIBRE DE GIBBS DE LASOLUCION
La energía libre de Gibbs de disolución me dice que ta...
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Imagen 1.3 La presión de vapor sobre una disolución formada por su disolvente volátil y un soluto...
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3. La desviación negativa ocurre cuando las fuerzas intermoleculares entre A-A y
B-B, son menores...
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Igual que en el punto de ebullición esta temperatura depende de la concentración del
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Entonces este sistema posee dos partes fundamentales, la parte hipotónica y la parte
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1.5 ELECTROLITOS EN SOLUCION
El segundo gran grupo como se había hablado anteriormente, son las d...
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CAPITULO 2. CARACTERIZACION GENERAL DE LOS SISTEMAS
COLOIDALES
Diferentes a las soluciones verdad...
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Tabla 2.1 Diferencia de tamaños (Autores)
Dispersión Grosera
Dispersión Coloidal
Solución Coloida...
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Mas tarde Freundiich desarrollo su teoría de adsorción del agente estabilizante sobre la
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Un agente estabilizante mantiene el sistema en grado de dispersión coloidal, evitando su
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En el contexto de la contaminación del aire, un aerosol se refiere a materia particular fina,
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Propiedades de lasespumas
 Las espumas son como las emulsiones en que capas de adsorción rodean ...
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agua, por lo que en parte es unaemulsión del aguaen aceite, entonces para la emulsiones agua en
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el medio, así que son muy liofilicos (Issa Katime, 1991), pues estas macromoléculas forman
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orgánicos. Los coloides esféricos tienen partículas globulares mas o menos compactas, mientras
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Por esta razón las micelas son conglomerados de muchas moléculas pequeñas o grupos de
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En la Imagen 2.9 se muestra como una micela en una dispersión W/O, las moléculas del
surfactante ...
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2.8.2 FUERZAS ELECTROSTATICAS
La mayor causa de la estabilidad de un coloide se basa en la existe...
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2.8.3 REPULSION ESTERICA
Gracias a la geometría molecular o a macromoléculas, depende totalmente ...
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Tabla 2.4 Comparación entre propiedades de partículas liofilicas yliofobicas. (Autores)
Propiedad...
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2.12 DESESTABILIZACION DE COLOIDES HIDROFOBICOS POR ADICION DE
ECELTROLITOS
Para lograr la desest...
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CAPITULO 3 METODOS BASICOS DE EXPERIMENTACION Y
PURIFICACION CON COLOIDES
Las sustancias que son ...
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3.2.1 COAGULACION
La coagulación o floculación de los coloides es el aumento del tamaño de las pa...
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sulfuro arsenioso, al igual que las del hidróxido férrico, plata, gelatina, albúmina y otros colo...
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3.2.4 DIALISIS
La diálisis se utiliza para purificar coloides. Se utiliza una membrana permeable ...
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las membranas , a menudo ensuciándolas u obstruyéndolas y reduciendo su eficiencia , además
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3.3.1 METODOS DE MEDIDA
El estudio de la viscosidad de los coloides se puede basar en el mismo pa...
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 Molino de bolas
 Ultraturrax
 Ultrasonido
 Arco eléctrico de Bredig
 Emulsificación (para d...
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CAPITULO 4 PROPIEDADES CINETICAS DE LOS COLOIDES
La termodinámica se ocupa únicamente de las vari...
Quimica coloidal principios y aplicaciones
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  1. 1. QUIMICA COLOIDAL PRINCIPIOS Y APLICACIONES PRIMERA EDICION 2014 López Dora Carolina, Rodríguez César Andrés 01/01/2014
  2. 2. QUIMICA COLOIDAL 2014 2 ____________________________________ A nuestros padres por habernos apoyado en el camino del conocimiento y a nuestro profesor por habernos incentivado a superar las expectativas, exaltar nuestra curiosidad, y buscar explicación a los fenómenos naturales. UNIVERSIDAD DE CIENCIAS APLICADAS Y AMBIENTALES (U.D.C.A) FACULTAD DE QUÍMICA PRIMERA EDICION, 2014 Impreso en Bogotá – Colombia Reservados todos los derechos. Ni la totalidad ni parte de esta publicación pueden reproducirse, registrarse o tramitarse, por un sistema de recuperación de información, en ninguna forma ni por ningún medio, sea electrónico, mecánico, fotoquímico, magnético o electroóptico, por fotocopia, grabación o cualquier otro, sin permiso previo por escrito de los autores. El préstamo, alquiler o cualquier otra forma de cesión de uso de este ejemplar requerirá también la autorización de los autores.
  3. 3. QUIMICA COLOIDAL 2014 3 Contenido PREFACIO..................................................................................................................................6 CAPITULO1. SOLUCIONES VERDADERAS......................................................................................7 1.1 ¿QUÉ ES UNA SOLUCION VERDADERA................................................................................7 1.2 CLASIFICACION DE LAS SOLUCIONES VERDADERAS.............................................................8 1.3 SOLUBILIDAD Y CONCENTRACION......................................................................................8 1.3.1 ENTALPIA DE LA SOLUCION.........................................................................................8 1.3.2 ENTROPIA DE LA SOLUCION........................................................................................9 1.3.3 ENERGIA LIBRE DE GIBBS DE LA SOLUCION ................................................................10 1.3.4 FACTORES QUE AFECTAN LA SOLUBILIDAD................................................................10 1.4 PROPIEDADES COLIGATIVAS............................................................................................10 1.4.1 ABATIMIENTO O DISMINUCION DE PRESION DE VAPOR..............................................10 1.4.2 ELEVACION DEL PUNTO DE EBULLICION.....................................................................12 1.4.3 ABATIMIENTO DE PUNTO DE CONGELACION..............................................................12 1.4.4 PRESION OSMOTICA.................................................................................................13 1.5 ELECTROLITOS EN SOLUCION ..........................................................................................15 CAPITULO 2. CARACTERIZACION GENERAL DE LOS SISTEMAS COLOIDALES..................................16 2.1 HISTORIA E IMPORTANCIA DE LA QUIMICA COLOIDAL ......................................................16 2.2 DISPERSIONES COLOIDALES.............................................................................................18 2.3 PROPIEDADES ESENCIALES DE LAS DISPERCIONES COLOIDALES.........................................19 2.4 CLASIFICACION DE LAS DISPERSIONES COLOIDALES..........................................................19 2.4.1 AEROSOLES..............................................................................................................19 2.4.2 GELES ......................................................................................................................20 2.4.3 ESPUMAS.................................................................................................................20 2.4.4 EMULSIONES............................................................................................................21 2.5 SOLUCIONES DE MACROMOLECULAS...............................................................................22 2.6 COLOIDES DE ASOCIACION..............................................................................................23 2.7 CLASIFICACION DE COLOIDES. TERMINOS BASICOS EN QUÍMICA COLOIDAL.......................23 2.7.1 COLOIDES ORGANICOS E INORGANICOS ....................................................................23
  4. 4. QUIMICA COLOIDAL 2014 4 2.7.2 COLOIDES ESFERICOS Y LAMINARES.......................................................................... 23 2.7.3 COLOIDES MOLECULARES ......................................................................................... 24 2.7.4 COLOIDES MICELARES .............................................................................................. 24 2.8 ESTABILIDAD COLOIDAL..................................................................................................26 2.8.1 FUERZAS DE VAN DER WAALS................................................................................... 26 2.8.2 FUERZAS ELECTROSTATICAS...................................................................................... 27 2.8.3 REPULSION ESTERICA ............................................................................................... 28 2.9 SOLVATACION DE LOS COLOIDES..................................................................................... 28 2.9.1 CARGA Y SOLVATACION............................................................................................ 28 2.10 COLOIDES LIOFOBICOS Y LIOFILICOS.............................................................................. 28 2.11 GRUPOS HIDROFILICOS E HIDROFOBICOS.......................................................................29 2.12 DESESTABILIZACION DE COLOIDES HIDROFOBICOS POR ADICION DE ECELTROLITOS......... 30 2.12.1 COMPRESION DE LA DOBLE CAPA............................................................................ 30 2.12.2 NEUTRALIZACION DE SU CARGA.............................................................................. 30 2.12.3 ATRAPAMIENTO EN UN PRECIPITADO .....................................................................30 2.12.4 FORMACION DE PUENTES INTERPARTICULAS........................................................... 30 CAPITULO 3 METODOS BASICOS DE EXPERIMENTACION Y PURIFICACION CON COLOIDES............ 31 3.1 COLOIDES ...................................................................................................................... 31 3.2 PREPARACION DE COLOIDES........................................................................................... 31 3.2.1 COAGULACION......................................................................................................... 32 3.2.2 FILTRACION Y ULTRAFILTRACION .............................................................................. 32 3.2.3 CLASES DE MEMBRANAS PARA LA FILTRACION .......................................................... 33 3.2.4 DIALISIS................................................................................................................... 34 3.2.5 ELECTRODIALISIS......................................................................................................34 3.2.6 DIFUSION ................................................................................................................ 35 3.3 VISCOSIDAD................................................................................................................... 35 3.3.1 METODOS DE MEDIDA ............................................................................................. 36 3.4 PREPARACION DE SOLES COLOIDALES.............................................................................. 36 3.5 EXPERIMENTOS CON PREPARACIONES DE COLOIDES........................................................ 37 CAPITULO 4 PROPIEDADES CINETICAS DE LOS COLOIDES............................................................ 38
  5. 5. QUIMICA COLOIDAL 2014 5 4.1 MOVIMIENTO BROWNIANO............................................................................................38 4.2 SIGUE LA HISTORIA DE EINSTEIN......................................................................................39 4.3 DESCRIPCION EMPIRICA DEL MOVIMIENTO BRWNIANO ...................................................40 4.4 ESTADISTICA DEL MOVIMIENTO BROWNIANO..................................................................41 4.5 DESCRIPCION MICROSCOPICA.........................................................................................46 4.6 DINAMICA DE LAS PARTICULAS A MUY BAJA TEMPERATURA.............................................49 4.7 DIFUSION.......................................................................................................................52 4.8 ALGO SOBRE PROCESOS IRREVERSIBLES...........................................................................54 4.9 SEDIMENTACION............................................................................................................55 4.10 PRESION ONCÓTICA......................................................................................................57 4.11 LAS LEYES DE LA TERMODINAMICA................................................................................57 4.12 TEORIA CINETICA..........................................................................................................59 CAPITULO 5 FENOMENOS DE LA INTERFACE..............................................................................60 5.1 ORIGEN Y DEFINICION DE LA TENSION SUPERFICIAL..........................................................60 5.2 MEDICION DE LA TENSION SUPERFICIAL...........................................................................62 5.2.1 MÉTODO DEL ASCENSO CAPILAR...............................................................................62 5.2.2 MEDICIÓN DE GOTAS Y BURBUJAS ............................................................................63 5.2.3 MÉTODO DE LA GOTA PENDIENTE.............................................................................63 5.2.4 MÉTODO DEL ANILLO DE ADHESIÓN..........................................................................64 5.3 ADSORCION Y TENSION SUPERFICIAL DINÁMICA Y ESTÁTICA.............................................64 5.3.1 TENSION SUPERFICIAL DEL AGUA Y DE SOLUCIONES DE SUSTANCIA DE LA SUPERFICIE ACTIVA.............................................................................................................................65 5.3.2 ESPARCIMIENTO DE LA SUSTANCIA SOBRE LA SUPERFICIE DE LOS LÍQUIDOS................65 5.3.3 FENÓMENO DE HUMECTACIÓN.................................................................................66 5.4 TENSION SUPERFICIAL DE LAS SOLUCIONES COLOIDALES..................................................67 5.4.1 IMPORTANCIA DE LA TENSIÓN SUPERFICIAL..............................................................68 5.5 SUPERFICIE DE LA FASE DISPERSA. FENÓMENO DE ADSORCIÓN ........................................68 6. BIBLIOGRAFÍA ......................................................................................................................71 7. GLOSARIO........................................................................................................................75
  6. 6. QUIMICA COLOIDAL 2014 6 PREFACIO Dentro de la vida académica, nos vemos obligados a ser muy curiosos acerca de las múltiples opciones que nuestros educadores nos dan día a día, es deber de los estudiantes enriquecerse de los conocimientos que los profesores aportan y aplicarlos a la vida cotidiana, durante el desarrollo de este texto trataremos de mostrar la química desde el aspecto coloidal, ilustrando con ejemplos prácticos este campo de la química, el cual hemos encontrado fascinante y provocativo a las mentes ávidas de conocimiento. Este trabajoes el resultado de arduo esfuerzoen nuestra búsqueda del conocimientoen el campo de los coloides, la química microscópica, y el estudio de sus propiedades, se explican conceptos claves, generalidades y algunas particularidades que creemos concernientes y relevantes en el campo de la química coloidal. Tratamos de ser lo más claros y prácticos, utilizando un esquema diseñado para ver la química coloidal en la carrera de química pura como la base de un interesante grupo de compuestos que por su comportamiento, propiedades y características merece la pena ser elucidado mediante esta recopilación bibliográfica y catedrática del presente trabajo manuscrito. El texto se organiza por capítulos, cada una con aspectos específicos de cada tema, las tablas se enumeran en orden creciente como Tabla 1.1, Tabla 1.2…, etc. Donde el primer número esta dado por el capitulo o unidad al que pertenece, y el siguiente corresponde al número asignado a la sistematización organizacional dentro de ese capítulo. Las imágenes e ilustraciones se enumeran como Imagen 1.1, Imagen 1.2…, etc. Y las figuras y diagramas como Figura 1.1, Figura 1.2..., etc. Manejando el mismo sistema numérico de orden en todas. En el glosario se encuentran palabras de difícil comprensión o que no se usan con demasiada costumbre y que se han desarrollado a través de los capítulos en el texto. Y la bibliografía se encuentra citada bajo las normas APPA de la sexta edición, tanto imágenes, tablas, figuras y texto fueron citadas bajo estas normas especificas. Este material fue realizado por dos estudiantes de Química de la Universidad de Ciencias Aplicadas y Ambientales U.D.C.A, en el 10 semestre de carrera para obtener un material de recopilación de bases de la química industrial y su aplicación.
  7. 7. QUIMICA COLOIDAL 2014 7 CAPITULO1. SOLUCIONES VERDADERAS La mayor parte de los materiales y sustancias con las que interactuamos en la vida cotidiana son las mezclas. Una solución es una mezcla formada por al menos un soluto y un solvente. Generalmente la gran clasificación que se les da a estas mezclas es homogénea y heterogénea, las mezclas homogéneas son aquellas que tienen sus componentes en una sola fase,es decir son miscibles entre sí de manera uniforme a nivel molecular, como se muestra en la Imagen1.1. Mientras que las soluciones heterogéneas se encuentran separadas en dos o más fases, pues sus componentes no poseen una gran afinidad molecular, lo que separa sus componentes al ser inmiscibles. Las soluciones pueden formarse a partir de gases, líquidos o sólidos, el disolvente es el agente que solubiliza y está en mayor proporción en la mezcla y los solutos son los demás componentes, aunque existen varias clases de solutos; estos se dividen en dos grandes grupos los iónicos y los noiónicos. (Brown, LeMay, & Bursten, 2004) 1.1 ¿QUÉ ES UNA SOLUCION VERDADERA Las soluciones verdaderas son soluciones homogéneas también denominadas disoluciones, son formadas al dispersar moléculas del soluto enel disolvente de manera uniforme. Esto se logra únicamente cuando las fuerzas de atracción intermoleculares creadas entre el soluto y el solvente son de una magnitud comparable con las existentes entre el soluto puro o mucho mayores. Existen infinidad de estas mezclasen la naturaleza, un ejemplo es el agua de mar, es una disolución acuosa compleja, formada por su mayoría de cloruro de sodio (NaCl), muy difícil de separar su componente soluto del disolvente. Otro ejemplo es el aire que respiramos, es una mezcla de gases en el cual el Nitrógeno es e solvente al estar en mayor proporción y los demás gases de la mezcla son los solutos, pero en proporción el Oxigeno es el soluto más presente en la solución, enla Tabla 1.1 se muestran más ejemplos de estas disoluciones. Tabla 1.1 Ejemplos de disoluciones (Brown, LeMay, & Bursten, 2004) Estado de la disolución Estado del disolvente Estado del soluto Ejemplo Gas Gas Gas Aire Líquido Líquido Gas Oxigeno en agua Líquido Líquido Líquido Alcohol en agua Líquido Líquido Sólido Sal en agua Sólido Sólido Gas Hidrogenoen paladio Sólido Sólido Líquido Mercurio en plata Sólido Sólido Sólido Plata en oro Imagen 1.1 Solución de permanganato de potasio en agua.
  8. 8. QUIMICA COLOIDAL 2014 8 1.2 CLASIFICACION DE LAS SOLUCIONES VERDADERAS Las soluciones pueden clasificarse de diferentes formas, además de las ya mostradas en la Tabla 1.1, en donde se las clasificaba por el estado del soluto, el solvente y la disolución, pueden también tomarse por concentración, en este caso hay tres tipos de soluciones por concentración, las insaturadas, las saturadas y las sobresaturadas. Las soluciones insaturadas son aquellas en las que hay menos soluto del necesario para formar la disolución, por esto hay mucha mayor presencia del disolvente en la mezcla así que hay poca concentración de soluto en la disolución, por el contrario en las disoluciones saturadas se encuentra la cantidad de soluto máxima que acepta el disolvente para establecer la disolución, y en el tercer caso las sobresaturadas, las cuales tienen un exceso en la concentración del soluto dentro de la disolución (Atkins, 1998). 1.3 SOLUBILIDAD Y CONCENTRACION La solubilidad de las partículas del soluto en el disolvente para formar la disolución depende de diversos factores, uno de ellos es la concentración, como se veía anteriormente en las soluciones insaturadas, la concentración del soluto era muy baja, este es un factor determinante en la solubilidad del soluto, pues al haber menor cantidad de partículas de este, el disolvente podrá disolver con mayor facilidad estas moléculas separándolas al crear nuevas interacciones intermoleculares entre el soluto y el solvente. Estas interacciones que se forman y todo el proceso de la disolución están ligados directamente en la energía que el sistema gasta o absorbe para llevar a cabo la mezcla, así que desde el punto termodinámico se debe analizar la entalpia, la entropía y la energía libre de gibbs de la disolución (Brown, LeMay, & Bursten, 2004). 1.3.1 ENTALPIA DE LA SOLUCION La entalpia es la energía que el sistema aporta o requiere para llevar a cabo el proceso de disolución. Esta energía está dada por tres entalpias internas, como si muestra en la Imagen 1.2, la primera entalpia (ΔH1) es la energía que el sistema requiere para separar las partículas del disolvente, la segunda entalpia (ΔH2) es la energía necesaria que se necesita el sistema para separar las partículas del soluto, y la tercera entalpia (ΔH3) esla energía aportada al formarse lasinteracciones entre el soluto y el disolvente. Al sumar las tres entalpias tenemos la entalpia de la disolución. El ΔH1 y el ΔH2 son procesos endotérmicos, pues al estar unidas por fuerzas intermoleculares se requiere introducir energía o formar nuevas interacciones para separar estas fuerzas entre las sustancias puras. Es decir, que las interacciones que existen entre las moléculas de soluto-soluto son muy fuertes, de igual manera las Imagen 1.2 Contribuciones entalpicas al calor de disolucion total de un soluto. (Garcia Garcia, 2014)
  9. 9. QUIMICA COLOIDAL 2014 9 interacciones de solvente-solvente, así que el sistema necesita cierta energía para separar estas moléculas, es ahí donde entra la tercera entalpia ΔH3, pues se forman fuerzas intermoleculares entre soluto-solvente, si estas interacciones que se crean son más fuertes que la de las sustancias puras, la entalpia total de la disolución será negativa, es decir que será un proceso exotérmico muy espontaneo, pero si estas interacciones no poseen la suficiente fuerza o similitud, no será fácil separar las moléculas tanto de soluto como de solvente, así que su entalpia será menor que la de las sustancias puras y la suma de entalpias será positiva, y por tanto un proceso endotérmico no espontaneo(Ver Figura 1.1). Figura 1.1 Análisis de los cambios de entalpia que acompañan el proceso de dilución. El diagrama de la izquierda ilustra el proceso exotérmico neto (ΔHdisoln =<0), el de la derecha muestro un proceso endotérmico neto (ΔHdisoln =>0). (Brown, LeMay, & Bursten, 2004) 1.3.2 ENTROPIADE LA SOLUCION La entropía es el desorden de un sistema, cuando se mezcla un soluto y un solvente, las partículas interactúan cambiando su estado inicial, en la solución estarán ubicadas aleatoriamente, por tal razón, una solución homogénea, donde sus partículas se encuentran en una sola fase, aumentara el desorden, pues los procesos en los que el contenido de energía del sistema disminuye tienden a ser exotérmicos y espontáneos, así que si la entropía del sistema es positiva se mezclaranlos componentes de la solución con facilidad. Cuando se juntan moléculas de diferentes tipos, el mezclado y el consecuente aumento del desorden de las partículas será espontaneo a menos que las moléculas sean detenidas por fuerzas intermoleculares suficientemente intensas o por barreras físicas. Por ello, los gases se mezclan y expanden espontáneamente si sus recipientes nolos detienen, eneste caso, las fuerzas intermoleculares son demasiado débiles para detener a las moléculas. En cambio, a causa de los fuertes enlaces que mantienen unidos los iones sodio y cloruro, el cloruro de sodio no se disuelve espontáneamente en gasolina. (Brown, LeMay, & Bursten, 2004)
  10. 10. QUIMICA COLOIDAL 2014 10 1.3.3 ENERGIA LIBRE DE GIBBS DE LASOLUCION La energía libre de Gibbs de disolución me dice que tan posible es que se forme una solución, y como veíamos antes relaciona los conceptos de entropía y entalpia de solubilidad, cuando un proceso era espontaneo, la entalpia debía de ser negativa, para que el proceso fuera exotérmico, mientras que desde el punto de vista entrópico está perdida de energía generaba mas desorden, por tanto era espontaneo con ΔS positivo, así que cuando la energía libre de Gibbs es positiva el proceso esespontaneo si se sigue la siguiente ecuación: 1.3.4 FACTORES QUE AFECTAN LA SOLUBILIDAD El grado en que una sustancia se disuelve en otra depende de la naturaleza tanto del soluto como del solvente. Pero también de factores físicos como la temperatura y la presión en el caso de los gases, si analizamos detalladamente son cuatro factores principales: Interacciones soluto-disolvente: Entre mayor sea la afinidad de las moléculas más fácil podrán formar interacciones que les permitan mezclarse y formar la solución, por ejemplo cuando tenemos solutos polares, solubilizan fácilmente en agua, que es el disolvente polar, entonces las fuerzas intermoleculares son fuertesentre líquidos polares, por su carácter iónico. Aumento de la temperatura: La temperatura posee dosefectos segúnel soluto manejado, por ejemplo los solutos sólidos no volátiles como las sales, solubilizan de forma más rápida al aumentar la temperatura, pero con solutos gaseosos volátiles, disminuye la solubilidad, pues si aumenta la temperatura a la solución el soluto pasa a su fase gaseosa con más rapidez. Efectos de presión: La solubilidad de sólidos y líquidos no se ve afectadaen gran parte por la presión, pero para los gases entre mas se ejerza una presión más fácil mente se solubilizaran, pues su fase gaseosa en la disolución disminuye en gran proporción a medida que aumenta la temperatura. (Brown, LeMay, & Bursten, 2004) 1.4 PROPIEDADES COLIGATIVAS Las propiedades coligativas o también llamadas propiedades colectivas, se presentan cuando se realiza una mezcla entre soluto y solvente, es decir cuando se forma la solución, y son aquellas que dependen únicamente del número de partículas del solutoen la disolución y no de la naturaleza de las mismas. Son cuatro, el abatimiento de la presión de vapor, el aumento del punto de ebullición, la disminución del punto de congelación y la presión osmótica. 1.4.1 ABATIMIENTO O DISMINUCION DE PRESION DE VAPOR La presión de vapor, es una presión que ejerce las moléculas de gas de la sustancia sobre la misma sustancia liquida a una temperatura dada, en un sistema cerrado, cuando se alcanza el equilibrio dinámico. Teniendo esto en cuenta, cuando se forma la disolución esta presión de vapor disminuye, pues ahora hay menos moléculas de gas del solvente presentes en estado gaseoso, porque ahora se encuentra en una mezcla de partículas, que además posee unas nuevas fuerzas intermoleculares formadas con el soluto, así que las partículas poseen una menor interacción entre las moléculas superficiales del disolvente liquido y su fase de vapor, al encontrarse con moléculas de soluto presentes enla mezcla, como se muestra en la Imagen 1.3. Si se analiza este fenómeno desde el punto de vista de la composición, se encuentra que desde la Ley de Raoult, la presión de vapor es directamente proporcional a la fracción molar de la disolución, entonces como la fracción molar disminuyo con respecto al disolvente puro, su presión de vapor también desciende (Burdge, 2009).
  11. 11. QUIMICA COLOIDAL 2014 11 Imagen 1.3 La presión de vapor sobre una disolución formada por su disolvente volátil y un soluto no volátil, la izquierda es el disolvente puro con mas interacción entre sus moléculas, que en el de la derecha (Disolución) (Delgado, 2014). Así la Ley de Raoult para una solución formada por A y B se tiene: Como la suma de las fracciones molares es 1 se reemplaza en la fracción molar de A, y se halla el cambio de la presión de la solución: Para una solución ideal la presión total es la suma de sus presiones parciales multiplicadas por su fracción molar: Para expresar las fracciones molares de A y B en su fase de vapor se tendría una relación entre su presión total y la presión que aporta cada uno a la solución: Desviaciones de la Ley de Raoult 1. La solución es ideal si la estructura de los líquidos es similar, y sus fuerzas intermoleculares entre A-A y B-B, son del mismo orden que las de A-B. 2. La desviación positiva ocurre cuando las fuerzas intermoleculares entre las moléculas del mismo tipo A-A y B-B, son mayores que las fuerzas intermoleculares entre A-B. En este caso las moléculas de A y B escapan con mayor facilidad a la fase gaseosa y la presión total es mayor que la esperada según la Ley de Raoult.
  12. 12. QUIMICA COLOIDAL 2014 12 3. La desviación negativa ocurre cuando las fuerzas intermoleculares entre A-A y B-B, son menores que las fuerzas intermoleculares entre A-B. En este caso las moléculas de A y B se mezclan con facilidad, la solubilidad aumenta y disminuye la tendencia a la evaporación de las moléculas, como consecuencia la presión total es menor que laesperada segúnla Ley de Raoult. 1.4.2 ELEVACION DEL PUNTO DE EBULLICION El punto de ebullición de una solución es la temperatura a la cual su presión de vapor iguala la presión externa, para los sistemas abiertos su presión externa es la atmosférica, mientras que para los cerrados la presión que posee el recipiente en el que esta contenido. Al disminuir su presión de vapor la temperatura de ebullición debe aumentar de forma proporcional, pues sus moléculas se han separado, y el sistema necesita más energía para que sus moléculas igualen la presión de su fase gaseosa. Entonces su cambio en el punto de ebullición se ve afectado por la concentración del soluto en la solución, y la constante ebulloscopica, que muestra la naturaleza del disolvente puro, en la Tabla 1.2 se muestran varios disolventes, con su punto de ebullición normal y su constante ebulloscopica. Tabla 1.2 Constantes mólales de elevación de punto de ebullición y abatimiento de punto de congelación (Brown, LeMay,& Bursten, 2004) (Tatiana, 2014) (Delgado, 2014) Solvente Punto de ebullición normal (°C) Kb (°C/m) Punto de congelación normal (°C) Kf (°C/m) Acetona C3H6O 56.5 1.72 -94.82 2.4 Ácido acético CH3COOH 118.0 2.93 16.7 3.9 Ácidofórmico HCOOH 101.0 2.40 8.0 2.77 Agua H2O 100.0 0.52 0.0 1.86 Alcanfor C10H16O 208.3 5.95 178.4 37.7 Alcohol etílico C2H5OH 78.4 1.22 -114.6 1.99 Alcohol metílico CH3OH 64.7 0.80 -97.0 1.85 Benceno C6H6 80.1 2.53 5.5 5.12 Cloroformo CHCl3 61.2 3.63 -63.5 4.68 Éter etílico (C2H5)2O 34.6 2.11 -116.3 1.79 Fenol C6H5OH 181.4 3.56 42.0 7.27 Tetracloruro de carbono CCl4 76.8 5.02 -22.3 29.8 1.4.3 ABATIMIENTODE PUNTO DE CONGELACION El punto de congelación, es la temperatura a la cual la disolución cambia de estado de liquido a solido, es decir, de un estado desordenado a uno ordenado. Esta temperatura disminuye pues las moléculas del mismo tipo en la disolución están en forma desorganizada muy alejadas entre sí, por tanto el sistema requiere liberar más energía para acercar y ordenar estas partículas y así quedar en estado sólido.
  13. 13. QUIMICA COLOIDAL 2014 13 Igual que en el punto de ebullición esta temperatura depende de la concentración del soluto en la solución y en este caso involucra una constante crioscopica dada por la naturaleza del disolvente, los valores normales de punto de congelación y la constante crioscopica para los disolventes se muestran enla Tabla 1.2. Figura 1.2 Diagramas de fase para un disolvente puro y para una disolución de un soluto no volátil. (Brown, LeMay, & Bursten, 2004) Si analizamos un diagrama de fases entre el disolvente puro y la disolución formada, como se ve en la Figura 1.2, apreciamos el aumento en el punto de ebullición y la disminución del punto de congelación, por tanto el punto triple (convergencia entre el estado sólido, liquido y gaseoso), disminuye dentro de la misma curva de fases trazada. 1.4.4 PRESION OSMOTICA La osmosis es el paso selectivo de fluidos a través de una membrana semipermeable desde una solución diluida a una de mayor concentración, pero si ponemos en un recipiente una solución diluida y una concentrada, conectadas por una membrana semipermeable con vástagos en cada una de las soluciones (Imagen 1.4), se crea una presión que impide que ocurra la osmosis, esta se denomina presión osmótica, y es igual a la diferencia de presiones de vapor. Imagen 1.4 Osmosis entre una solución diluida (Hipotónica) y una concentrada (Hipertónica) (Castillo, 2014)
  14. 14. QUIMICA COLOIDAL 2014 14 Entonces este sistema posee dos partes fundamentales, la parte hipotónica y la parte hipertónica, la parte hipotónica es una solución diluida, mientras que la hipertónica es la solución concentrada, como la presión osmótica impide que ocurra la osmosis, esta va a actuar en la solución hipertónica obstaculizando que las moléculas de la diluida pasen a la concentrada, tal y como se muestra en la Imagen 1.5. Si tomamos la ecuación de los gases ideales, podemos expresar en función de la presión del sistema la presión osmótica de una solución, y vemos que depende de igual forma de su concentración, peroen forma Molar de la constante de los gases yla temperatura del sistema. Imagen 1.5 Dirección de la presión osmótica en el sistema de soluciones (Delgado, 2014) En la Imagen 1.6 se muestran los procesos de osmosis en una célula humana, donde la diferencia de concentraciones externa e interna, otorga un cambio en la forma y el contenido de la célula generando procesos físicos de crenacion donde la célula está en una solución hipertónica, haciendo que el agua salga de la célula hacia la solución de mayor concentración, y la hemolisis donde la célula se hincha (expande) la recibir el agua de una solución hipotónica externa. Todo esto gracias a la osmosis de la membrana celular y la diferencia de concentraciones adentro y fuera del sistema celular. Imagen 1.6 Osmosis a través de la membrana semipermeable de un glóbulo rojo: (a) crenacion causada por el movimiento del agua hacia afuera de la célula y (b) hemolisis causada por el movimiento del agua hacia la célula. (Brown, LeMay, & Bursten, 2004)
  15. 15. QUIMICA COLOIDAL 2014 15 1.5 ELECTROLITOS EN SOLUCION El segundo gran grupo como se había hablado anteriormente, son las disoluciones que poseen como soluto un electrolito, estas especies pueden ser de dos tipos, electrolitos fuertes que son los que se disocian completamente al interactuar con el disolvente, y los electrolitos débiles, que por el contrario solo disocian en cierta cantidad, esto depende de la interacciones físicas y químicas que llegue a formar entre las mismas moléculas de soluto y las del disolvente. Así que dependiendo del electrolito con el cual se esté trabajando se debe tener en cuenta la cantidad de disociación de esta especie. Porque si tenemos un mol de cloruro de sodio en agua, esta se disociara en un mol de ion cloruro y un mol de ion sodio, para un total de dos moles de iones que aportan un mol de electrolito fuerte al disolverse en agua, como se muestra en la Imagen 1.7. Imagen 1.7 Disociación del electrolito en el disolvente (Diego, 2014) En los arreglos para cada una de las propiedades coligativas se debe tener en cuenta el coeficiente de Van’t Hoff el cual mide el porcentaje de disociación de una especie, como se vio en el ejemplo el NaCl se disocia en su totalidad, es decir en un 100%, pero los electrolitos débiles varían el porcentaje de disociación y por tanto el coeficiente en cada una de las propiedades de la solución verdadera formada(McMurry & Fay, 2008). Tabla 1.3 Factores de Van’t Hoff para varias sustancias a 25°C (Brown, LeMay, & Bursten, 2004) Compuesto Concentración 0.100 m 0.010 m 0.001 m Valor limitante Sacarosa 1.00 1.00 1.00 1.00 NaCl 1.87 1.94 1.97 2.00 K2SO4 2.32 2.70 2.84 3.00 MgSO4 1.21 1.53 1.82 2.00 En la Tabla 1.3 se muestra los diferentes valores de a diferentes concentraciones para diferentes sustancias, donde la sacarosa al no ser unelectrolito siempre va a tener un valor de 1.
  16. 16. QUIMICA COLOIDAL 2014 16 CAPITULO 2. CARACTERIZACION GENERAL DE LOS SISTEMAS COLOIDALES Diferentes a las soluciones verdaderas anteriormente mostradas, los soluciones coloidales son soluciones de estados intermedios y transitorios, muy comunes en el mundo que nos rodea, como la gelatina que es un coloide de tipo alimenticio muy conocido por su consistencia Imagen 2.1, generalmente se ven caracterizados por su gran área superficial, su carga eléctrica adquirida y sus propiedades ópticas particulares. Además de sufrir procesos de adsorción, diálisis, coagulación, humectación, tensión superficial, cohesióny adhesión. 2.1 HISTORIA E IMPORTANCIA DE LA QUIMICA COLOIDAL La química coloidal nació gracias a Thomas Graham en 1861 (Graham, 1861), gracias al estudio de la difusión de las sustancias disueltas, distinguió dos clases de solutos diferentes por su difusión, a los que llamo cristaloides y coloides, los cristaloides dializan fácilmente a través de una membrana semipermeable, y al evaporar la solución estos quedan como residuo formando cristales. Mientras que los coloides no dializan por la membrana semipermeable, y al evaporar quedan como un coagulo o cola. Entonces Thomas Graham fue el primero en estudiar fenómenos de coloides, y el primero en acuñar una definición para estas moléculas. La palabra coloide deriva del término griego “kolla” que significa pegamento y “eides” que tiene el aspecto de, así que un coloide tiene el aspecto de un pegamento. Actualmente no se acepta esta clasificación, puesto que en un mismo cuerpo puede ser coloide y cristaloide a la vez; por ejemplo, la albumina de huevo se ha obtenido en forma cristalizada, igualmente, el cloruro de sodio se lo ha obtenido como una dispersión coloidal, todo depende de la clase de solvente que se utilice. Por ello a través de la historia se han dado diferentes definiciones que se complementan unas a otras. Una definición que tiene en cuenta la elevada relación entre el área y su masa, la define como una ciencia que estudia el comportamiento físico y químico de las superficies, pero este término no profundiza mucho en otras propiedades importantes, como lo es por ejemplo el tamaño de partícula. Si queremos hacer referencia a esta propiedad se lo define al estado coloidal como un estado de la materia, en la cual el diámetro de la partícula está entre una decima y una milésima de micra y no puede ser visible a simple vista Tabla 2.1. Imagen 2.1 Sistema coloidal de gelatina. Imagen 2.2 Thomas Graham, químico británico que introdujo el termino coloide gracias a su estudio de la difusión de los líquidos (Graham, 1861).
  17. 17. QUIMICA COLOIDAL 2014 17 Tabla 2.1 Diferencia de tamaños (Autores) Dispersión Grosera Dispersión Coloidal Solución Coloidal Solución Verdadera Cristaloide Tamaño de partícula << 1μ Tamaño de partícula 1μ - 10Å Tamaño de partícula > 10Å Visible por el ojo humano. Visible por ultramicroscopio y microscopioelectrónico. No se puede ver ni siquiera por el microscopioelectrónico. No difunden. No pasan a través de una membrana semipermeable. Difusión rápida. Sin embargo también esta definición por tamaño de partícula tiene limitaciones, pues tiene en cuenta que las partículas son esféricas y su diámetro está clasificado dentro de los rangos de tamaño dados, por tanto las macromoléculas fibrosas y lineales no esféricas salen de este comportamiento, sin embargo algunas de estas se comportan como dispersiones coloidales, por eso se dice que este rango no es siempre fijo, que suslímites pueden variar. En la segunda guerra mundial se uso la albumina en medicamentos (Burns, 2003), Faraday también hizo trabajos con los coloides de oro estudiando sus propiedades ópticas, al pasar un haz de luz a través de el sol de oro, y al ser observado lateralmente se observo una trayectoria blanca. Luego esto se demostró que era una característica de todos los sistemas coloidales, llamado efecto Tyndall. En la actualidad James William McBain (McBain, 1956) dijo que un sistema coloidal está constituido por partículas dispersas en su medio dispersante por acción de un agente estabilizante, y es una de las definiciones más utilizadas hoy en día por su descripción de la dispersión coloidal. Mas a través de la historia se realizaron varios aportes también importantes para la química coloidal, como Wolfgang Ostwald (Hauser, 1955), donde mostro la importancia de los coloides en los colorantes, el cuero, el acero y el papel. Tambien Richard Adolf Zsigmondy con colaboración de Heinrich Siedentopf (Miguel Ruiza, 2014), que inventaron el ultramicroscopio, y observo por primera vez las partículas colídales, clasificándolas como parte de la materia. Albert Einstein (D., 1995) explico la teoría cinético molecular de los gases, y el calor responsable de la existencia de las moléculas. Otro aporte importante fue el de Svedberg (Guevara, 2014), quien invento la ultracentrífuga y permitió determinar tamaño y peso de las partículas coloidales. Langmuir también fue muy importante para el avance de la química coloidal, pues estudio los procesos de adsorción superficiales y la formación de películas superficiales de adsorción (Muntaner, 1972). Luego uno de los aportes más relevantes fueron las reglas del científico Von weiman (Weimar, 2014), que son las reglas más usadas pues se aplican a las sustancias coloidales, y no han sido refutadas hastael momento, estas cinco reglas son:  Las propiedades fisicoquímicas son iguales independientemente de la forma como se obtuvo el coloide.  Todas las sustancias solidas al disolverse pueden pasar al estado de solución coloidal.  Todas las sustancias solidas al cristalizar pueden pasar al estado de solución coloidal.  En el proceso de cristalización se pueden generar las condiciones tales que permitan que las suspensiones coloidales permanezcan en ese estado durante fracciones de segundos, años y aun centurias.  Para cada sustancia solida es posible elegir un disolvente y la temperatura que favorezcala formación del estado coloidal.
  18. 18. QUIMICA COLOIDAL 2014 18 Mas tarde Freundiich desarrollo su teoría de adsorción del agente estabilizante sobre la superficie de la partícula coloidal. Y luego se empezó la clasificación de las sustancias coloidales, uno de los primeros en aportar a esta clasificación fue Staudinger, el cual los clasifico por el número de átomos presentes como se muestra en la Tabla 2.2: Tabla 2.2 Clasificación por tamaño de átomos (Autores) Dispersión Grosera > 109 átomos Dispersión Coloidal 103 - 109 átomos Dispersión de bajo peso molecular 2 – 103 átomos 2.2 DISPERSIONES COLOIDALES Las dispersiones coloidales han sido definidas tradicionalmente como una suspensión de pequeñas partículas en un medio continuo. Las partículas coloidales tienen la capacidad de dispersar la luz visible. Un haz ruinoso delgado que pasa a través de un coloide en un gas o en un líquido. Puede observarse a ángulos rectos debido a la dispersión. Como resultado de las fuerzas superficiales cualquier gas, vapor o líquido tiende a adherirse a cualquier superficie de un cuerpo. Las propiedades esenciales de las dispersiones coloidales pueden a atribuirse al hecho de que la relaciónentre la superficie y el volumen de las articulas es muy grande. En una solución verdadera, el sistema consiste en una sola fase y no hay superficie real de separación entre las partículas moleculares del soluto y del solvente. Las dispersiones coloidales son sistemas de dos fases, y para cada partícula existe una superficie definida de separación. Las dispersiones pueden ser de dos tipos, según el tamaño de las partículas: suspensiones o soluciones. Las suspensiones pueden ser emulsiones o suspensiones coloidales. Son emulsiones las suspensiones de un líquido en otro líquido; son suspensiones coloidales las partículas sólidas y gaseosas suspendidas en un líquido o en un gas (Atkins, 1998). Están constituidas por básicamente tres componentes: Fase dispersa: Esta es la que se denomina partícula coloidal y puede estar constituida por más de una molécula,en cualquier estado físico, el tamaño de esta partícula puede variar desde el nivel molecular hasta conglomerados visibles a simple vista, para el orden de dispersión coloidal no es más que un soluto que se encuentra en un rango de tamaño de partícula entre 10Å y 1μm y esto le confiere propiedades especificas a la dispersión. Puede hallarse en forma de cristal cuando es sólido, en gotas cuando es líquido o en burbujas cuando es gaseoso. Y existen en la naturaleza como agregados sueltos como el agua turbia y el humo, o como estructuras mayores como la leche, pueden actuar de forma independiente o agrupada como estructuras organizadas. Medio dispersante o continuo: Puede estar en cualquier estado físico: tanto solido, liquido o gaseoso. Este es irrumpido por las partículas coloidales mediante la interfase, pero si las partículas están lo suficientemente juntas este medio desaparece, tal como el vidrio o el papel. Si este medio continuo es polar, gracias a la formación de fuerzas electrostáticas solvatan la fase dispersa separándola en la dispersión, y cuando es de carácter no polar solvatan gracias a fuerzas de Vander Waals y de London. Agente estabilizante: Este componente debe tener doble naturaleza química, que le permita tener afinidad tanto con la fase dispersa como con el medio dispersante, y sirve de enlace o puente de las dos fases. Puede ser un compuesto tensoactivo, que por su doble naturaleza tiene una parte hidrofilica y otra hidrofobica, una macromolécula puente entre las partículas, un agente que recubre la partícula, estabilizándola al darle carga eléctrica, o agentes emulsificantes, que permiten la mezcla de agua y aceites.
  19. 19. QUIMICA COLOIDAL 2014 19 Un agente estabilizante mantiene el sistema en grado de dispersión coloidal, evitando su precipitación o flotación. 2.3 PROPIEDADES ESENCIALES DE LAS DISPERCIONES COLOIDALES Las dispersiones coloidales por lainteracción de sus tres componentes poseen unas ciertas características, que les dan un comportamiento particular frente a fuerzas físicas y químicas como lo sonlas siguientes:  Las partículas coloidales adquieren fácilmente carga eléctrica y esta afecta el sistema coloidal.  La elevada área superficial de los coloides facilita los procesos de adsorción sobre la superficie de las partículas coloidales.  Las partículas coloidales presentan coalescencia, conservando la individualidad que lleva a la formación de estructuras mayores, hasta formar jaleaselásticas.  Debido a su generación de carga eléctrica sobre la superficie de la partícula coloidal y la formación de la doble capa eléctrica entre la partícula coloidal y los iones (capa de contraiones).  Efectos de electrolitos sobre la carga eléctrica de la partícula coloidal y como consecuencia de ella, afectación de los procesos de osmosis, diálisis, así como de estabilidad del coloide.  Del tamaño de la partícula coloidal depende de su capacidad para atravesar poros de filtros de papel, membranas semipermeables y ultrafiltros.  Capacidad para dispersar laluz llamada efecto Tyndall, presente en todoslos coloides. 2.4 CLASIFICACION DE LAS DISPERSIONES COLOIDALES Las dispersiones coloidales pueden estar clasificadas o agrupadas teniendo en cuenta una de sus propiedades, componentes, características químicas y demás, a continuación se esquematizan diferentes agrupaciones sistematizadas por diferentes propiedades, la más generalmente usada esla clasificación por el estado físico, como se muestraen la Tabla 2.3: Tabla 2.3 Clasificación por estado físico de los componentes (Brown, LeMay, & Bursten, 2004) Fase Dispersa Medio Dispersante Nombre Ejemplo Gas Líquido Espuma liquida Crema batida Sólido Espuma solida Malvavisco Líquido Gas Aerosol Niebla Líquido Emulsión Leche Sólido Gel Gelatina Sólido Gas Aerosol sólido Humo Líquido Sol (hidro, órgano) Pintura Sólido Sol solido Vidrio Rubí 2.4.1 AEROSOLES Un aerosol es un conjunto de partículas microscópicas, sólidas o gaseosas, que se encuentran en suspensión en un gas, cuando la partícula coloidal es un sólido se habla de aerosol solido, mientras que con una partícula gaseosaes un aerosol (Pedrero, 1996).
  20. 20. QUIMICA COLOIDAL 2014 20 En el contexto de la contaminación del aire, un aerosol se refiere a materia particular fina, de tamaño mayor que una molécula pero lo suficientemente pequeña como para permanecer en suspensión enla atmósfera durante al menos unas horas. Entre las fuentes naturales de aerosoles se encuentran las partículas de sal procedentes de la espuma del mar, el polvo o las partículas de arcilla procedentes de la erosión de las rocas. Las actividades humanas también son el origen de ciertos aerosoles, que con frecuencia se consideran contaminantes. Los aerosoles desempeñan un papel importante en la atmósfera, principalmente en la condensación de gotas de agua y cristales de hielo, en varios ciclos químicos yen la absorción de la radiación solar. Los aerosoles pueden influir sobre el clima de una manera doble. Pueden producir calentamiento al absorber radiación o pueden provocar enfriamiento al reflejar parte de la radiación que incide enla atmosfera. 2.4.2 GELES La palabra gel viene del latín “gelu” que es frio, congelado, inmóvil o helado, y como su nombre lo indica es un sistema coloidal donde la fase continua es sólida y la dispersa es líquida, cuando la fase dispersa es agua se habla de un hidrogel, pero cuando es un compuesto orgánico se habla de órganogel, el estado coloidal opuesto al gel es el sol, en el cual es un sólido en un liquido, y posee la misma característica cuando el liquido es agua se denomina hidrosol, y cuando el liquido es un compuesto orgánico este es un organosol. Los geles presentan una densidad similar a los líquidos, sin embargo su estructura asemeja más a la de un sólido como se ve en la Imagen 2.3. El ejemplo más común es la gelatina comestible. Ciertos geles presentan la capacidad de pasar a el estado coloidal de sol, cambiando su relación de cantidad entre el liquido y el sólido, pero también poseen la característica de cambiar de estado liquido cuando están siendo agitados, a solido cuando permanecen inmóviles, esta característica se denomina tixotropía. Y el proceso para formar el gel se denomina gelación. Muchas sustancias pueden formar geles cuando se añade un agente gelificante. Esto suele ser utilizado en la manufactura de diversos productos, desde comida a pinturas, pasando por adhesivos. Por ejemplo en los cables de fibra óptica se utiliza gelatina derivada del petróleo para envolver una o varias fibras. Este gel sirve para lubricar y mantener las fibras en el interior del cable flexible (Remington, 1992). 2.4.3 ESPUMAS Es una capa de líquido globular enclaustrado en un gas. Ni es un líquido ni un gas, en lugar de ello es una interface coloidal entre los dos estados, como se muestra enla Imagen 2.4, la crema de afeitar es una espuma, la cual posee una consistencia y apariencia que depende en gran medida del gas atrapado en el liquido, pero hay otras solidas en las cuales son gases atrapados en sólidos. Si notamos un fenómeno natural de espuma podemos encontrarlas en la espuma de mar, en las cuales son burbujas formadas en la superficie de los líquidos. Imagen 2.3 apariencia de un coloide de gel para el cabello (Hosting, 2014).
  21. 21. QUIMICA COLOIDAL 2014 21 Propiedades de lasespumas  Las espumas son como las emulsiones en que capas de adsorción rodean la fase dispersa en ambos sistemas. Sin embargo, las espumas difieren de las emulsiones en dos aspectos: la fase dispersa es un gas en las espumas y un líquido en las emulsiones; las burbujas de gas de las espumas son mucho más grandes que los glóbulos en lasemulsiones.  Las espumas son sistemas coloidales por la delgadez de las capas que rodean las burbujas de gas,estas son de dimensiones coloidales o las capas tienen propiedades coloidales.  La espuma que se puede observar en los océanos, y sobre todo, al romper las olas e la costa, es la aglomeración de burbujas que persiste durante un corto tiempo en la superficie del mar, agitada por causas mecánicas.  La formación de la espuma marina se facilita por varios factores químicos o físicos: una diferencia muy grande entre el aire y el agua, la alcalinidad del agua, el contenido de esta en coloides disueltos, etc.  Recientemente ha cobrado interés la espumacion de las escorias. La espumacion de la escoria está causada principalmente por la generación de burbujas de gas monóxido de carbono, dióxido de carbono, vapor de agua, dióxido de azufre, oxigeno e hidrogeno en el interior de la escoria, que se hace espumosa como si fuera agua jabonosa. Las espumas son usadas para la extinción de incendios pues generan manto cohesivo que flota sobre los líquidos, previniendo y extinguiendo su combustión mediante la exclusión del aire y el enfriamiento del combustible. También previene su reignicion mediante la supresión de la formación de vapores inflamables. Otro tipo de espumas existentes son las limpiadoras que son de uso exclusivo externo para superficies, que por su acción emulsificante desintegra las grasas, el cochambre yla suciedad, sin afectarla estructura molecular de los objetos. 2.4.4 EMULSIONES La emulsión es un proceso que consiste en la mezcla de dos líquidos diferentes que no se puedan mezclar, es decir, que sean inmiscibles entre sí, y un agente emulsificante que permite la estabilidad del coloide. Uno de los líquidos se encontrará formando la fase, conocida con el nombre de dispersa, que se encontrará constituida por el líquido que será dispersado dentro del otro líquido que conforma la mezcla, el cual será el formador de la fase conocida como, continua, o también, dispersante. Gran parte de las emulsiones se hacen entre el agua y el aceite, u otras grasas de uso común, como es el caso de la mayonesa, la leche y su crema, la mantequilla y la margarina, etc. Por ejemplo, en el caso de la mantequilla/margarina, la grasa se encuentra rodeando las gotas de Imagen 2.4 Espuma de afeitar (Sonia, 2014).
  22. 22. QUIMICA COLOIDAL 2014 22 agua, por lo que en parte es unaemulsión del aguaen aceite, entonces para la emulsiones agua en aceite se denominan W/O por su siglas en ingles water in oil, y para las emulsiones de aceite en agua O/W de oil in wáter (Lachman L., 1986). Imagen 2.5 formación de emulsiones W/O y O/W (Lachman L., 1986). El magma también es una emulsión, donde en algunos casos, encontramos gotas o glóbulos de ferroníquel en estado líquido, dispersos dentro del silicato líquido, que es el constituyente de la fase continuaen dicha mezcla. El proceso en el cual se realizan las emulsiones, se conoce con el nombre de emulsificación. Las emulsiones forman parte también, de un grupo más grande de materia que se divide al igual, en dos fases, dentro de la química coloidal. Así, es frecuente que los términos coloide y emulsión, se suelan confundir, no son lo mismo, pues cuando hablamos de emulsiones, nos estamos refiriendo a una mezcla donde las dos fases se implican en conseguir una mezcla lo más homogénea posible, y en el caso de los coloides, aunque también formados por dos fases con igual nombre, la fase continua en este caso suele ser fluida y en cambio la fase dispersa, es sólida, encontrándose siempre en menor cantidad (Lachman L., 1986). Cuando hablamos de emulsiones de agua en aceite (muy frecuentes), o viceversa, influye en gran medida el volumen de cada fase, así como el tipo de emulsificador utilizado. Así, se suele aplicar una regla conocida con el nombre de “regla de Bancroft”, donde los emulsificadores, así como las partículas emulsificadas, suelen tender a incrementar la dispersión de la fase en la cual no se suelen realizar una disolución óptima. Un ejemplo clásico para este tipo de emulsiones, puede ser el caso de las proteínas, las cuales se disuelven fácilmente en agua, pero no en aceite, por lo cual tienen a formar emulsiones de aceite en el agua. El color que suelen tener las emulsiones, es el blanco. Cuando una emulsión es diluida, la luz se dispersa, siguiendo el efecto Tyndall. En el caso de que estemos hablando de un concentrado, el color más frecuente será el amarillo, pues el color se habrá distorsionado hacia este tono. Hablamos de emulsionantes, también conocidos como emulgentes, cuando nos referimos a una sustancia que consigue estabilizar a una emulsión, generalmente se trata de sustancias surfactantes. 2.5 SOLUCIONES DE MACROMOLECULAS Las soluciones de macromoléculas son soluciones verdaderas tan grandes o muy complejas, que quedan dentro del intervalo coloidal pues se caracterizan por una fuerte interacción con el agua, por lo que generan el coloide espontáneamente cuando se introducen en
  23. 23. QUIMICA COLOIDAL 2014 23 el medio, así que son muy liofilicos (Issa Katime, 1991), pues estas macromoléculas forman puentes de hidrogeno con las moléculas de agua, gracias a los grupos funcionales polares que poseen. Un ejemplo de estas son las soluciones acuosas de proteínas, almidón, caucho. Estas son termodinámicamente estables. 2.6 COLOIDES DE ASOCIACION Los coloides de asociación consisten en soluciones de sustancias solubles y de relativo bajo peso molecular, las cuales, para una concentración particular según el caso, se asocian formando agregados de tamaño coloidal, al reducir su área superficial por la formación de micelas gracias a un surfactante, es decir que dependen de las propiedades de partícula que le confiere la formación de micelas. Son termodinámicamente metaestables (Arnaiz, 2010). 2.7 CLASIFICACION DE COLOIDES. TERMINOS BASICOS EN QUÍMICA COLOIDAL Los coloides poseen características fundamentales que los hacen muy útiles en cuanto a su comportamiento termodinámico, cinético y óptico, en cuanto a su comportamiento óptico existen dos propiedades claves para su diferenciación, la primera es su tamaño y la segunda la dispersión de laluz que ellos presentan: 1. Microscopia electrónica: se obtienen imágenes de las partículas para observar el tamaño, forma y estructura de las partículas coloidales. 2. Dispersión de la luz (Light scattering): depende del efecto Faraday-Tyndall y se utiliza para determinar el peso molecular de coloides. La dispersión se describe en función de la turbidez, τ, descenso fraccional en intensidad debido a la dispersión de la luz incidente que atraviesa a través de 1 cm de disolución como se ilustra en la Imagen 2.6. 2.7.1 COLOIDES ORGANICOS E INORGANICOS Otra forma de clasificarlas es por su naturaleza química, en la cual tenemos dos grupos grandeslas sustancias orgánicas ylas sustanciasinorgánicas. Sustancias orgánicas: La dispersión coloidal está compuesta por componentes carbonados, y da lugar a soles homopolares, hidrosoles, organosoles y soles heteropolares. Sustancias inorgánicas: Cuando por el contrario sus componentes contienen elementos metálicos, óxidos, hidróxidos, sales, geles y emulsiones de tipoinorgánico. 2.7.2 COLOIDES ESFERICOS Y LAMINARES Clasificando la dispersión por la forma de la partícula coloidal, se agregan en dos grandes grupos, los globulares esféricos, y los lineales fibrosos, que pueden ser tanto inorgánicos como Imagen 2.6 el efecto tyndall en la solución A es un coloide que dispersa la luz que pasa por el, mientras que la solución B es una solución verdadera que no dispersa la luz.
  24. 24. QUIMICA COLOIDAL 2014 24 orgánicos. Los coloides esféricos tienen partículas globulares mas o menos compactas, mientras que los coloides lineales poseen unidades largas y fibrosas. La forma de las partículas coloidales influye en su comportamiento aunque sólo puede determinarse de manera aproximada, en la mayoría de los casos puede ser muy compleja. Como primera aproximación se puede reducir a formas relativamente sencillas, como la esfera que además representa muchos casos reales. Es la forma que adquieren las partículas esencialmente fluidas, como las gotitas de un líquido dispersas en otro para formar una emulsión. Las dispersiones de plásticos y caucho en agua (látex), así como en muchos negros de carbono son casi esféricas, al igual que en ciertos virus. Si la forma se desvía de la esférica, podemos considerar como modelos los elipsoides de revolución, como en muchas proteínas. Los elipsoides pueden ser oblatos (discos) o prolatos (forma de cigarro puro). Si la partícula se aplana mucho, se asemejará a un disco caracterizado por su radio y espesor. Si se alarga mucho, tomará la forma de una barra de longitud y radio dados. Si las partículas se aplanan y alargan, su forma será de tablillas o cintas. Cuando se alargan mucho en comparación con las otras dos dimensiones, se forma un filamento (polietileno y caucho) (Petrucci, Harwood, & Herring, 2007). 2.7.3 COLOIDES MOLECULARES También se pueden estudiar los coloides de acuerdo al tamaño de sus partículas como coloides moleculares, que son macromoléculas unidas por el enlace químico, a su vez estos coloides pueden ser orgánicos o inorgánicos, o fibrosos o laminares. Las partículas de los coloides moleculares son macromoléculas sencillas y su estructura es esencialmente la misma que la de estructura de pequeñas moléculas, los átomos están unidos por ligaduras químicas verdaderas, a estos coloides moleculares se los llama coloides verdaderos. A este grupo de coloides moleculares pertenece la mayoría de los coloides orgánicos de nitrocelulosa, almidón, cloruro de polivinilo, caucho. Los esferocoloides también pueden ser moleculares. 2.7.4 COLOIDES MICELARES La estructura de los coloides micelares es distinta, las partículas de estos no son moléculas, sino conglomerados de muchas moléculas pequeñas o grupos de átomos que son mantenidos juntos por valencias secundarias o por fuerzas de cohesión o de van der Walls. Muchos coloides inorgánicos, emulsiones, los jabones y detergentes, forman coloides micelares. Estas sustancias pueden formar soluciones verdaderas o de tipo coloidal, dependiendo de las condiciones. En general una micela es menos estable que una macromolécula, pero se forma gracias a que estos surfactantes son compuestos orgánicos que poseen una cadena carbonada larga de carácter no polar, y una cabeza o grupo funcional polar, así que pueden tener interacción con los dos tipos de moléculas (Imagen 2.7), ayudando a formar las dispersiones coloidales. Imagen 2.7 tensoactivo con grupo funcional polar (cabeza) y cadena carbonada apolar (cola).
  25. 25. QUIMICA COLOIDAL 2014 25 Por esta razón las micelas son conglomerados de muchas moléculas pequeñas o grupos de átomos, cuyo diámetro se encuentra entre 0.1 a 0.001 de micra. Cuando se dice una micela, se sobrentiende que se opera enel estado coloidal (Hiememenz & Rajagopalan, 1997). La forma y tamaño de la micela es función de la geometría molecular y de las moléculas de surfactante, y de las condiciones de la disolución como se ve en la Imagen 2.8, en donde la concentración de surfactante, temperatura, pH y fuerza iónica, son las que determinan la forma micelar. Las micelas se forman a concentraciones superiores a una concentración límite, llamada concentración critica de micela (CMC), y por encima de una temperatura determinada, la temperatura de Krafft, La formación de micelas es espontanea. En agua el efecto hidrofobico es el mayor efecto en la formación de micelas. A pequeñas concentraciones de lípido solo el monómero está presente en disolución. A medida que la concentración de monómero aumenta la interacción hidrofobica domina sobre los factores entrópicos. Desde un punto de vista intrínseco, sin tener en cuenta al disolvente, la entropía de las moléculas de surfactante se reduce cuando se forma la micela. Por encima de la CMC, el impedimento entrópico del surfactante se compensa por la atracción hidrófoba de las cadenas hidrocarbonadas de los surfactantes. El efecto de caja creado por las moléculas de disolvente favorece la formación micelar. La formación micelar reduce también las repulsiones electrostáticas entre las partes cargadas de los surfactantes (Whitten, Gailey, & Davis, 2005). Se utilizan para transportar la materia (grasa) en agua, después de que la grasa se disuelve en su interior hidrófobo. Se utilizan también como detergentes, como transportadores moleculares (por ejemplo: productos farmacológicos), en síntesis orgánica, son importantes también en la flotación de espumas y en la recuperación de petróleo. Las vesículas con forma de bicapa son como una doble micela con un gran interés bioquímico. Imagen 2.9 en la parte izquierda se muestra un sistema W/O, y en la parte derecha un sistema O/W (Alda, 2014). Imagen 2.8 Formas de las micelas en estado coloidal (Alda, 2014).
  26. 26. QUIMICA COLOIDAL 2014 26 En la Imagen 2.9 se muestra como una micela en una dispersión W/O, las moléculas del surfactante rodean las gotas de agua por las cabezas polares, mientras que las colas no polares se sitúan hacia el aceite, lo contrario que pasa con las dispersiones O/W, en las cuales los grupos polares se sitúan hacia la parte acuosa, y las colas no polares hacia el interior de la gota de aceite. Así que esta formación de micelas le da estabilidad a las partículas coloidales para permanecer en estado coloidal. 2.8 ESTABILIDAD COLOIDAL En la química coloidal la estabilidad del sistema coloidal es la parte más importante, como hacer que un sistema que normalmente es inestable termodinámicamente, se estabilice al evitar que as partículas al moverse choquen y se forme la floculación, coagulación o coalescencia de las partículas dispersadas. La estabilidad del estado coloidal está dada por variosfactores:  Los coloides presentan una gran superficie.  A mayor superficie menor estabilidad.  Los coloides son cinéticamente no-labiles y termodinámicamente inestables.  Cinéticamente a distancias largas existe una fuerza de largo alcance que tiende a colapsar el coloide.  Se produce una doble capa eléctrica que estabiliza cada partícula de coloide. Esta ayuda a que las partículas de coloide se repelan electrostáticamente.  Las unidades de surfactante se agrupan para formar micelas por encima de una concentración (CMC) y temperatura (de Krafft) criticas, yestoestabiliza el coloide.  Los surfactantes iónicos forman clusters menores que los no-iónicos, puesto que existen repulsionesentre las cabezas más polares de los primeros.  Las fuerzas de solvatación debido a los cambios en las cantidades de disolvente adsorbido sobre las proximidades de las partículasvecinas. 2.8.1 FUERZAS DE VANDER WAALS Las fuerzas de Van der Waals se estudian en base a la teoría de Deryagin, Landau, Verwey y Overbeek (DLVO), que sirve satisfactoriamente para explicar cuantitativamente la estabilidad de las suspensiones hidrofóbicas. Las fuerzas de van der Waals son siempre atractivas. En base a la aditividad de las energías de van der Waals entre moléculas vecinas, así que para que en un sistema haya estabilidad coloidal las fuerzas de Van der Waals deben ser muy pequeñas para que las partículas no tengan lugar a encuentros tan cercanos como para que el sistema desestabilice. Así que si las fuerzas de Van der Waals son muy altas lo más seguro es que el coloide sea muy poco estable. Imagen 2.10 Barrera energética para superar la desestabilización del sistema, para evitar la coagulación, el punto máximo muestra el sistema estable, con gran distancia entre las partículas (Hiememenz & Rajagopalan, 1997).
  27. 27. QUIMICA COLOIDAL 2014 27 2.8.2 FUERZAS ELECTROSTATICAS La mayor causa de la estabilidad de un coloide se basa en la existencia de carga eléctrica en su superficie, la cual se denomina doble capa eléctrica en las partículas coloidales. Y se debe a una carga eléctrica que adquiere la partícula gracias a la ionización de los grupos superficiales o a la adsorción de iones sobre esta. La doble capa está formada por dos capas: 1. La primera fija y adsorbida a la superficie del coloide. Caracterizada por su radio. 2. La segunda móvil, formada por iones móviles. El potencial electrodinámico caracteriza al potencial eléctrico, potencial zeta ζ, desde el radio de la primera capa a cualquier punto del seno del líquido. La teoría se basa en el equilibrio entre la fuerza de repulsión entre las cargas de la doble capa entre partículas vecinas y las interacciones de atracción de tipo Van der Waals entre las moléculas de las diferentes partículas coloidales. Toda partícula coloidal está cargada eléctricamente, dependiendo de la naturaleza del material coloidal esta se cargara negativamente o positivamente, pero generalmente las partículas coloidales se cargan negativamente, como se muestra en la imagen 2.11, esta carga superficial tiene un potencial llamado potencial de Nernst, y a ella se le van a agregar una cierta cantidad de contraiones, es decir de carga positiva, pues como su nombre lo dice tienen carga contraria a la partícula coloidal, y esta capa de contraiones en la superficie genera el potencial de Stern, el cual como se muestra en la imagen 2.11, se encuentra a mayor distancia de la superficie, seguido de estos se agrupa otra capa de contraiones, y también de coiones (capa de iones de igual carga a la partícula coloidal, negativos) los cuales se ubican en la llamada capa difusa o móvil, y la cual genera el potencial Zeta, y van a existir la cantidad necesaria de contraiones para neutralizar la carga negativa de la partícula (Hiememenz & Rajagopalan, 1997). El potencial zeta es el único potencial que se puede medir de la partícula coloidal, y se realiza por medio de una diferencia de potencial, y dos electrodos, uno funcionando como cátodo y otro como ánodo, se hace genera un campo eléctrico donde las partículas migran hacia el polo de carga opuesta (electroforesis),el potencial que se genera esel conocido Zeta potencial. Así que por tanto esta creación de la doble capa eléctrica ayuda que las partículas coloidales se repelan entre sí, pues ambas quedan con una capa de iones positivos que generan una fuerza de repulsión al acercarse. Si la fuerza iónica es grande se puede producir una agregación aunque la concentración de surfactante sea menor que la solubilidad. Se llama floculación. Se puede dispersar por agitación. La coagulación se produce por una aglomeración irreversible de las partículas coloidales, también por agregación. Ocurre cuando la separación entre partículas es pequeña. Imagen 2.11 doble capa eléctrica de la partícula coloidal, el potencial de superficie, el potencial de Stern y el Zeta potencial, reflejados en la distancia de la superficie de la partícula.
  28. 28. QUIMICA COLOIDAL 2014 28 2.8.3 REPULSION ESTERICA Gracias a la geometría molecular o a macromoléculas, depende totalmente de la interacción de las moléculas en la interface de la partícula coloidal, pues al chocar no pueden flocular o coagular, al no poseer una interacción apropiada, es decir si dos partículas chocan por grupos funcionales opuestos estos no se van a juntar, sino al contrario van a generar una repulsión, entre ellas obligándolas a estabilizarse (Burdge, 2009). 2.9 SOLVATACION DE LOS COLOIDES La solvatación es la unión del medio continuo sobre la superficie de una partícula, depende de la afinidad del medio continuo y la superficie de la partícula coloidal. 2.9.1 CARGA Y SOLVATACION Los coloides hidrofilicos fácilmente se solvatan, o en el caso del agua hidratan, esta capa de hidratación protege la partícula coloidal de la coagulación, es decir, le confiere estabilidad. Por el contrariolos hidrofobicos no sufren hidratación y por ello son inestables. Entre más pequeña sea la partícula coloidal, mayor solvatación de la misma y mayor estabilidad, pero entra más pequeñas las partículas coloidales mayor área superficial, y por consiguiente mayor energía superficial, generando una mayor atracción entre las partículas. Termodinámicamente la energía superficial siempre tiende a disminuir y esto se logra con el aumento del tamaño de las partículas, que se traduce en la desestabilización, por ello los coloides son termodinámicamente inestables. El balance de estas dos fuerzas determina la estabilidad o inestabilidad del sistema (Atkins, 1998). 2.10 COLOIDES LIOFOBICOS Y LIOFILICOS Los coloides liófobos coagulan y precipitan debido a la perdida de la carga, cuando se les añade una pequeña cantidad de un electrolito son coloides irreversibles. Además son termodinámicamente metaestables, que existen por cierto periodo de tiempo por una estabilidad cinética baja, por lo cual es difícil regenerarlos una vez destruidos por eliminación del solvente. Los coloides liófilos en estos sistemas se encuentran una gran afinidad entre el soluto y el solvente. Por ejemplo cuando al coloide se lo somete a calentamiento, se evapora el solvente y se obtiene un polvo seco. Ejemplos de soles liófilos son las disoluciones de almidón, jabón, de gomas, de proteínas. Se regeneran muy fácilmente al añadir solvente, y son coloides termodinámicamente estables (García, 1999). Las dispersiones que espontáneamente se forman de fases macroscópicas, y que son termodinámicamente estables con respecto tanto al ensanchamiento de las partículas cuando se agregan como a la desintegración a moléculas individuales. Además poseen diferencias en la viscosidad, la solvatación de las partículas, sus procesos reversibles y formación de espumas. En la Tabla 2.4 se muestra la diferencia entre las propiedades que poseen los coloides liofobicos y liofilicos en cuanto a estabilidad, solvatación y otras características físicas (Petrucci, Harwood, & Herring, 2007). Imagen 2.12 solvatación por moléculas de agua sobre la partícula (Brown, LeMay, & Bursten, 2004).
  29. 29. QUIMICA COLOIDAL 2014 29 Tabla 2.4 Comparación entre propiedades de partículas liofilicas yliofobicas. (Autores) Propiedad Liófilas Asociación Liófobas Partículas Moléculas orgánicas Micelas: moléculas individuales son subcoloides Moléculas inorgánicas oro, plata Solvatación Solvatadas Porción Solvatada correspondiente Baja o nula Formación Espontanea Espontanea, concentración debe exceder CMC No espontanea Efecto de electrolitos Estable en presencia de electrolitos Reducción en CMC Inestable en presencia de electrolitos Viscosidad Aumenta cuando es mayor (fase dispersa) Aumenta cuando es mayor (anfifilico) Viscosidad no afectada Espuma Forman espuma al agitarlos Aumenta con la tensión superficial No forman espuma 2.11 GRUPOS HIDROFILICOS E HIDROFOBICOS En cuanto a afinidad al medio, el agua es el medio dispersante mas usado, y por tanto cuando el solvente es agua, no se habla de liófilo, sino de hidrófilo, y tampoco se habla de liófobo sino de hidrófobo. Los grupos hidrofilicos como las proteínas, forman generalmente soles hidrófilos, cuando se dispersan en soluciones acuosas de los fluidos biológicos del plasma sanguíneo. Y son afines con el agua gracias a la formación de puentes de hidrogeno entre la partícula coloidal y el agua. Mientras que los coloides hidrofobicos no generan estas interacciones con el agua, pues son cadenas carbonadas sin grupos funcionales polares. Que no pueden existir sin la presencia de agentes emulsificantes, que recubran las partículas de la fase dispersa e impidan la coagulación. Y esto da existencia a el balance hidrofilico-lipofilico (HLB), que muestra enla Imagen 2.13, gracias a los agentes estabilizantes como los tensoactivos, hacia donde tiene más afinidad el sistema, si a el agua o a el aceite, los sistemas con un bajo HLB poseen una alta afinidad a los aceites, y los de alto HLB una alta afinidad al agua. Imagen 2.13 balance hidrofilico-lipofilico (HLB) para una emulsión entre agua y aceite (Rafael Alcalde García, 2011).
  30. 30. QUIMICA COLOIDAL 2014 30 2.12 DESESTABILIZACION DE COLOIDES HIDROFOBICOS POR ADICION DE ECELTROLITOS Para lograr la desestabilización de un coloide es necesario destruir su estructura y formar coágulos a agregados de muchas partículas, los cuales si son sedimentables. Para esto es necesario que las partículas se aproximen a una distancia menor que la existente entre el centro del coloide y la cresta de la resultante o barrera de energía. La ubicación de la barrera de energía varía con el pH. Los coloides se aproximan a esta distancia cuando el potencial Zeta baja hasta un punto llamado “punto isoeléctrico” donde Z=0, lo que sucede si se neutraliza la carga o se represa incrementandoel número de ionesen la solución (Everett, 1988). 2.12.1 COMPRESIONDE LADOBLE CAPA Al aumentar la concentración del electrolito, se incorporan contraiones en la capa difusa, con lo cual esta se represa y se disminuye la magnitud de las fuerzas repulsivas, permitiendo la eliminación de la barrera de energía. La adsorción de contraiones puede ser un fenómeno electrostático o un fenómeno químico. En el primero los iones más pequeños podrían acercarse más a la superficie y no se fijan en puntos de adsorción determinados, sino que flotan a su alrededor. La precipitación de un coloide es afectada por aquel ion del electrolito añadido que tenga una carga opuesta en signo a la de las partículas coloidales (Everett, 1988). 2.12.2 NEUTRALIZACION DE SU CARGA Los coloides liofobicos pueden neutralizarse por cambio en la concentración de los iones que determinan el potencial del coloide. Por adsorción de iones que tengan una carga opuesta a los iones, que determinan el potencial y que sean capaces de reemplazarlos en la capa de Stern. 2.12.3 ATRAPAMIENTO EN UN PRECIPITADO Se puede atrapar en un precipitado cuando se agrega una concentración de coagulante tan alta que excede el límite de la solubilidad de este compuesto en el agua. Cuando la adsorción de contraiones es debida a fuerzas químicas, se establece un puente químico, este puente son enlaces de hidrogeno covalentes, iónicos, etc. Las moléculas adsorbidas y las superficies de los coloides (Conceptos basicos de quimica coloidal, 2004). 2.12.4 FORMACION DE PUENTES INTERPARTICULAS Las moléculas poliméricas de alto peso molecular pueden ser adsorbidas químicamente en las partículas coloidales y cada rama del polímero podrá ser adsorbida por otra partícula coloidal, formando puentes moleculares, aglutinando partículasy formando un floc . Imagen 2.14 polímero con ramificaciones adsorbidas en las partículas coloidales aglutinándolas (Conceptos basicos de quimica coloidal, 2004).
  31. 31. QUIMICA COLOIDAL 2014 31 CAPITULO 3 METODOS BASICOS DE EXPERIMENTACION Y PURIFICACION CON COLOIDES Las sustancias que son atraídas por el disolvente y que se disuelven con facilidad en el (coloides liófilos), no requieren normalmente procedimientos especiales para dispersarlas, pero aquellas otras que no son atraídas por el medio con tanta facilidad (sustancias liofobas) precisan, con el fin de pasar al estado coloidal y distribuirse en un medio de dispersión, uno de los métodos generales de preparación: el de condensación o el de dispersión, el proceso para preparar soles coloidalesliofoboses el que se muestra enla Imagen 3.1. Imagen 3.1 Preparación de soles liofobos. 3.1 COLOIDES Una sustancia posee un conjunto de propiedades físicas y químicas que no dependen de su historia previa o del método de separación de la misma. Las mezclas pueden variar mucho en su composición química, sus propiedades físicas y químicas varían según la composición y pueden depender de la manera de preparación. Los coloides son mezclas intermedias entre las soluciones y las suspensiones. Las partículas en los coloides son más grandes que las moléculas que formanlas soluciones. Para clasificar una sustancia como coloidal, las dimensiones de las partículas del soluto están comprendidas entre 10 y 100 nm (1 nanómetro = 1x10-9 m) mientras que las moléculas en solución estánentre 0.1 y 10 nm. 3.2 PREPARACION DE COLOIDES Muchas sustancias sólidas forman dispersiones coloidales al ser puestas en contacto, o calentadas en un medio de dispersión adecuado, a este tipo de coloides se los llama coloides intrínsecos, y son compuestos de macromoléculas, este tipo de coloides por lo general tiene un carácter liófilo. Se llama coloides extrínsecos a las dispersiones de pequeñas partículas de materiales insolubles de bajo peso molecular. Este tipo de dispersiones son casi invariablemente soles liófobos y deben ser preparados mediante métodos especiales que produzcan partículas de tamaño adecuado (Herrera Palacios, 2010). Muchos coloides moleculares son producidos naturalmente en reacciones bioquímicas, menos sencilla es la preparación de los coloides inorgánicos, que en su mayoría son liofóbicos, debido a que las sustancias son insolubles en agua. Algunas de estas sustancias se disuelven en ácidos pero en tales soluciones cambian químicamente por completo dando lugar a la formación de soluciones verdaderas en lugar de soluciones coloidales, a continuación se hace una descripción de los métodos que se pueden utilizar para preparar dispersiones de coloides. Imagen 3.2 imagen visual de un tipo de coloide (Ojeda., 2010).
  32. 32. QUIMICA COLOIDAL 2014 32 3.2.1 COAGULACION La coagulación o floculación de los coloides es el aumento del tamaño de las partículas en un sol, por el cual generalmente se enturbia y hasta puede precipitarse. Hay muchas maneras de producir la coagulación, una de ellas es la acción de los electrolitos, también esta la radiación y el calor. Algunos soles son muy estables a la acción de electrolitos, mientras que otros pueden ser floculados muy fácilmente. Se han realizado muchos experimentos sobre los efectos precipitantes de varios electrolitos sobre diferentes soles; los resultados dependen de las condiciones en que se efectúan, pero se pueden sacar dos conclusiones: primero, el ion que produce la precipitación de un sol es aquel cuya carga es de signo opuesto al de las partículas coloides; segundo, el efecto precipitante aumenta notablemente al aumentar la valencia del ion. Cuando se agrega una sustancia liófila a un sol liófobo, este se vuelve menos sensible al efecto precipitante de loselectrolitos; este es un ejemplo de acción protectora, siendo la sustancia liófila un coloide protector. Entonces el coloide protector confiere a los soles liófobos estabilidad en presencia de electrolitos (Mas, 1996). Tiene como fundamento la agrupación de átomos, iones o moléculas hasta alcanzar el tamaño de la micela. Por ejemplo el coloide se sulfuro de arsénico se prepara haciendo burbujear gas acido sulfhídricoen una solución concentrada de anhídrido arsenioso. 3H2S + As2O3 → As2S3 + 3H2O El coloide de hidróxido férrico que se prepara con una solución concentrada y a temperatura ambiente de cloruro férrico, al que se añade pequeña cantidad de agua hirviente, se forma el hidróxido férrico coloidal FeCl3 + 3 H2O + calor → Fe(OH)3 + 3HCl 3.2.2 FILTRACION Y ULTRAFILTRACION Estos procedimientos se basan en la subdivisión de las partículas o masas grandes hasta alcanzar el diámetro de la micela lo cual puede realizarse mediante procedimientos mecánicos, eléctricos, etc. Por ejemplo, cuando se desea preparar pigmentos para la fabricación de pinturas o polvos para cosméticos, fragmentos considerables se los tritura en molinos coloidales, luego se tamiza y se obtiene el coloide (Imagen 3.3). La leche y el café coloidal se preparan deshidratando el producto al vacio y luego moliéndolos, también mediante fuertes aparatos atomizadores. La tinta china, es un coloide preparado con carbón en agua, a la que se añade goma. Los coloides metálicos como oro, plata, se preparan por el método ideado por Bredig, por el cual se introducen en agua dos electrodos del metal cuyo coloide se desea preparar, se hace pasar la corriente eléctrica y entre los doselectrodos y se dispersanen el liquido:en farmacia se prepara así el coloide de plata, llamado comercialmente Argirol de uso en afecciones a los ojos. Con experimentos simples de filtración que muchos coloides pasan a través de papeles filtros comunes. Las partículas no son retenidas ni aun por las clases más finas de papel filtro. Los filtros finos tienen un diámetro de poro de 0.0009-0.0016 mm; puesto que las partículas del sol de Imagen 3.3 Partículas del pigmento de un esmalte.
  33. 33. QUIMICA COLOIDAL 2014 33 sulfuro arsenioso, al igual que las del hidróxido férrico, plata, gelatina, albúmina y otros coloides, pasan a través de estos filtros se nota que dichas partículas son más pequeñas que los poros del filtro. Si las partículas corren a través de un filtro, son más pequeñas que los poros, y si son retenidas no se puede concluir en que son más grandes que los poros, ya que algunas veces pueden ser absorbidas en las superficies del filtro, y así ocluir los poros; en ese caso, se estudiarán las partículas de la sustancia filtrada, y si difiere de la solución original, se dirá que son mas gruesas que los poros del filtro. Las partículas coloidales, son más o menos completamente retenidas por ultrafiltros, es decir, filtros extremadamente finos cuyas membranas son geles sólidos. La estructura de la membrana es la misma que la del papel, pero el tamaño del poro es mucho más pequeño. Uno de los mejores materiales “ultrafiltro” es el papel celofán, a través de este la filtración es muy lenta, pero luego de cierto tiempo, el líquido penetra una membrana y una gota de líquido es formada debajo del celofán, finalmente el examen de estas gotas dirá si las partículas penetran en la membrana o no. Otro buen material para hacer ultrafiltros es el es el colodión, que es una solución 4% de nitrocelulosa en una mezcla de alcohol y éter; los filtros de vidrio poroso o los crisoles de porcelana no esmaltada son los mejores soportes para las membranas de colodión. Estas son formadas en la evaporación parcial de la mezcla alcohol-éter; el colodión es prácticamente es vertido en un filtro de vidrio poroso o filtro crisol, a un espesor de varios mm y aguardado hasta que se solidifica. Otro método es el de impregnar papel filtro con colodión, el tamaño de los poros de este ultrafiltros depende del grado de secado de la capa de colodión, mientras más seca, más pequeños son los capilares. Existen sustancias como las dextrinas, que penetran los ultrafiltros muy lentamente, se las conoce como semicoloides (Herrera Palacios, 2010). 3.2.3 CLASES DE MEMBRANAS PARA LA FILTRACION Las membranas pueden construirse de sólidos físicos (metal, cerámica, etc.), películas homogéneas (polímeros, metal, etc.), sólidos heterogéneos (mezcla de polímeros, vidrios mezclados, etc.), soluciones(usualmente polímeros), estructuras asimétricas ylíquidos. Las membranas de cerámica son de gran importancia debido a que las cerámicas microporosas son la principal barrera en la separación de UF6. Las películas homogéneas se transforman en elementos microporosos mediante, por ejemplo,la dilatación. Las membranas líquidas representan una especialidad, tanto adsorbidas en capilares como emulsionadas, aunque encuentran una aplicación práctica pequeña. Las membranas poliméricas dominan el campo de separación por membranas porque están muy desarrolladas y son muy competitivas desde el punto de vista económico y de comportamiento. Su forma usual es la del tipo de fibras con huecos, o capilares o como lámina plana, incorporadas a un módulo grande como muestra la Imagen 3.4 (Luengo., 1993). Imagen 3.4 Filtración de coloide por variación del tamaño de membrana.
  34. 34. QUIMICA COLOIDAL 2014 34 3.2.4 DIALISIS La diálisis se utiliza para purificar coloides. Se utiliza una membrana permeable a los iones pero no al coloide correspondiente. El proceso de migración se acelera por aplicación de un campo eléctricoexterno (electrodiálisis). El objetivo de la diálisis es liberar a un sol de los electrolitos que lo acompañan y de otras impurezas micromoleculares, los aparatos utilizados para realizar estas tareas se llaman dializadores. La diálisis también es promovida por medio de una corriente eléctrica la cual arrastra a los iones micromoleculares fuera del sol, en esta denominada electrodiálisis se facilita la separación de los electrolitos por medio de un campo eléctrico. Se efectúa en un aparato que consta de tres compartimentos: el compartimento central esta separado de cada compartimento exterior por una membrana semipermeable, el sol es vertido dentro del compartimento central, y a través de las otras dos celdas fluye agua destilada; los dos electrodos, se insertan dentro de las celdas exteriores cerca de las membranas, el potencial eléctrico creado atrae a todos los iones micromoleculares a través de las membranas hacia el agua. Por medio de esta elctrodialización es posible en un corto tiempo,liberar coloides de electrolitos micromoleculares (Leon., 2010). 3.2.5 ELECTRODIALISIS Se utiliza para separar diferentes coloides que migran en un sistema por aplicación de un campo eléctrico externo. Las diferentes partículas poseen movilidades diferentes y esto facilita su separación como se muestraen la Imagen 3.5 (Stanley E., 2007). Imagen 3.5 Mecanismo para el intercambio iónico en las celdas, el cátodo y el ánodo generan gracias a una corriente de potencial el flujo. La electrodiálisis consiste en aplicar una corriente directa a través de un reservorio o corriente de agua, separadoen capas verticales por membranas alternadamente permeables a los cationes y aniones,los cationes migran haciael cátodo y los aniones hacia el ando Cationes y aniones entran ambos en una capa de agua dejan la capa adyacente. Así, las capas de agua enriquecidas en sales se alternan con capas de las cuales se han eliminado o removido las sales. El agua en las capas enriquecidas se recircula hasta cierto grado, para prevenir la acumulaciónexcesiva de salmuera (Stanley E., 2007). El ensuciamiento causado por varios materiales puede provocar problemas en el tratamiento del agua por osmosis inversa , aunque los iones relativamente pequeños que constituyen las sales disueltas en el agua residual pasan fácilmente a través de las membranas, los grandes iones orgánicos proteínas por ejemplo y los colides cargados migran hacia la superficie de
  35. 35. QUIMICA COLOIDAL 2014 35 las membranas , a menudo ensuciándolas u obstruyéndolas y reduciendo su eficiencia , además tambiénel crecimiento o proliferación de microorganismos enlas membranas puede ensuciarlas. 3.2.6 DIFUSION Es muy difícil realizar procesos de difusión en soluciones, por eso Graham propuso observar la difusión en jaleas. La difusión de las jales está relacionada con la ultrafiltración y la diálisis; esta última se basa en el hecho de que la gran mayoría de las sustancias en solución verdadera pasan a través de una membrana, mientras que las partículas coloidales son retenidas. La membrana es un gel con poros tan diminutos que solamente sustancias micromoleculares pueden pasar; por esto a través de este método se puede estimarel tamaño de las partículas. 3.3 VISCOSIDAD De todas las propiedades de los fluidos, la Viscosidad requiere la mayor consideración en el estudio de los fluidos. La naturaleza y características de la viscosidad así como las dimensiones y factores de conversión para ambas viscosidades, absoluta y cinética. La viscosidad es aquella propiedad de un fluido por virtud de la cual ofrece resistencia al corte. La Ley de la viscosidad de Newton afirma que dada una rapidez de deformación angular en el fluido, el esfuerzo cortante es directamente proporcional a la viscosidad (Imagen 3.6). La viscosidad de un gas aumenta con la temperatura, pero la viscosidad de un líquido disminuye con la temperatura, las variaciones en las tendencias de la temperatura se pueden explicar por el examen de las causas de la viscosidad. La resistencia de un fluido al corte depende de su cohesión y de su rapidez de la transferencia de la cantidad del movimiento molecular. Un liquido, cuyas moléculas dejan espacios entre ellas mucho más cerradas que las de un gas, tienen fuerzas cohesivas mucho mayor que un gas. La cohesión parece ser la causa predominante de la viscosidad en un líquido; y ya que la cohesión decrece con la temperatura, la viscosidad decrece también. Para presiones ordinarias,la viscosidad es independiente de la presión y solo depende de la temperatura. Para presiones muy grandes, los gases y la mayor parte de los líquidos han demostrado variaciones erráticas con la presión (Ordorica., 2008). Las dimensiones de viscosidad se determinan a partir de la ley de la viscosidad de Newton: * = */(du/dy) e insertando las dimensiones F, L, T para fuerza, longitud, tiempo * = FL-2 * = LT-1 Los fluidos presentan cierta resistencia al movimiento de deslizamiento, que es una forma de friccion interna llamada Viscosidad. La cual aparece debido a la fuerza de friccion entre capas adyacentes del fluido a medida que se deslizan una sobre otra. Según Stokes, la “Fuerza de Viscosidad” roce sobre una esfera de densidad y radio, que cae con velocidad terminal Vo constante en un líquido de densidad, está dada por: F = 6**RVo Imagen 3.6 Liquido de alta viscosidad, el flujo al caer el liquido es menor que el flujo de agua al caer de la misma altura (Fernández, 2009).
  36. 36. QUIMICA COLOIDAL 2014 36 3.3.1 METODOS DE MEDIDA El estudio de la viscosidad de los coloides se puede basar en el mismo para las macromoléculas debido a sus múltiples similitudes. La presencia de un polímero en una fase continua (llamada por comodidad en adelante, solvente), suele dar como resultado un aumento grande de la viscosidad de las dispersiones (llamadas por comodidad en adelante, soluciones), aún a bajas concentraciones. Este efecto depende fuertemente de la concentración y del solvente. La viscosidad de una solución y la del solvente puro se miden en un viscosímetro de precisión. Para relacionar este incremento de viscosidad con las propiedades de la fase dispersa (soluto), se hace uso de diferentes coeficientes formales de viscosidad de la disolución, que dependen de los coeficientes de viscosidad experimentales: para el solvente puro n, y para la disolución. Estos diferentes coeficientes están definidosen la Tabla 3.1. La viscosidad intrínseca, es la magnitud que de forma más directa está relacionada con la naturaleza de las moléculas aisladas del soluto, en la cual se ha eliminado el efecto de la interacciónintermolecular de las macromoléculas, mediante extrapolación a disolución verdadera. Representa la variación relativa de la viscosidad de la disolución por unidad de concentración de soluto a dilución infinita. Las determinaciones de la viscosidad intrínseca para diferentes valores medios de la masa molecular de un polímero, conducen a la ecuación: (universidad nacional abierta y a distancia , 2012) Tabla 3.1: Definición de los distintos coeficientes de viscosidad que se obtienen de las medidas de viscosidades de solventes y de disoluciones, respectivamente no yn (universidad nacional abierta y a distancia , 2012) Nombre Definición Viscosidad relativa Viscosidad específica Viscosidad específica reducida Viscosidad intrínseca o bien , 3.4 PREPARACION DE SOLES COLOIDALES Podemos dividir en dos categorías los métodos para preparar coloides: la disgregación, la condensación y la disgregación. La disgregación consiste en romper partículas grandes hasta que se alcance el tamaño coloidal. Para lograrestoexisten diversos métodos:  Molido (para dispersiones de sólido en un líquido)
  37. 37. QUIMICA COLOIDAL 2014 37  Molino de bolas  Ultraturrax  Ultrasonido  Arco eléctrico de Bredig  Emulsificación (para dispersioneslíquido-líquido)  Suspensión El caso de suspensión es más frecuente en polimerizaciones, y lo que se suspende es un monómero, que al polimerizarse da origen a partículas que pueden ser de tamaño coloidal. En el caso del molino de bolas, las partículas alcanzan un tamaño de equilibrio muy rápidamente gracias a que las partículas tienden a agregarse. Esto debido a la carga electrostática que adquieren las partículas cuando se rompen por fuerzas mecánicas. El método del arco eléctrico de Bredig es un híbrido entre disgregación y condensación ya que muy probablemente las altas temperaturas involucradas vaporizan la futura fase dispersa, yla condensación del vapor forma las partículas coloidales. En general, los métodos de disgregación resultan en partículas en el extremo superior del intervalo coloidal y los coloides generados tienden a ser polidispersos. Para la condensación todos los métodos de condensación se basan en los fenómenos de nucleación y crecimiento, si inicialmente se forman muchos núcleos y el crecimiento es lento, resultaran partículas pequeñas. La velocidad inicial de crecimiento depende de la sobresaturación. El crecimiento depende de varios factores:  Suspensión  Cantidad de sustancia  Viscosidad  Facilidad de incorporación a la red cristalina(proteínas)  Adsorción de impurezas sobre la superficie (inhiben)  Agregación partícula-partícula 3.5 EXPERIMENTOS CON PREPARACIONES DE COLOIDES Los experimentos coloidales en su preparación sirven para observar por ejemplo como es el proceso y cuanto dura la gelacion de un gel, o cual es la velocidad de agitación para formar una emulsión de O/W, también se pueden analizar cuál es la cantidad de espuma que aportan los detergentes al actuar en agua o sobre superficies con grasas. Pero también como se vio anteriormente se pasa una linterna por un frasco con gelatina sin sabor, de la transparente... La luz tendrá que viajar en un solo sentido, y este es el funcionamiento de los faros en los puertos, cuando hay neblina (un coloide), para guiar a los barcos. La luz se reflejaría en un vaso con agua en varias direcciones en tanto que con un coloide lo hará en una sola dirección. Facilitala visibilidad de la luz misma en un sentido. Otro experimento frecuente es que se enseña a elaborar manteca que es una suspensión coloidal de 20 % de agua en 80% de grasa de leche. Para ello enfría a 0 ºC (cero grados centígrados) un pote de crema de leche (contiene 45% de grasa) dentro de un bol y bate rápidamente con una batidora eléctrica inclinando el recipiente para volcar el agua que se eliminará por sí sola durante el batido. El punto en que se convierte en manteca se define por sí solo cuando el batido se pega a las paletas de la batidora y no se cae.
  38. 38. QUIMICA COLOIDAL 2014 38 CAPITULO 4 PROPIEDADES CINETICAS DE LOS COLOIDES La termodinámica se ocupa únicamente de las variables microscópicas, como la presión, la temperatura y el volumen. Sus leyes básicas, expresadas en términos de dichas cantidades, no se ocupan para nada de que la materia esta formada por átomos. Sin embargo, la mecánica estadística, que estudia las mismas áreas de la ciencia que la termodinámica, presupone la existencia de los átomos. Sus leyes básicas son las leyes de la mecánica, las que se aplican en los átomos que forman el sistema. Las moléculas se encuentran animadas de movimiento aleatorio y obedecen las leyes de Newton del movimiento. Las moléculas se mueven en todas direcciones y a velocidades diferentes. Al calcular las propiedades del movimiento suponemos que la mecánica newtoniana se puede aplicar en el nivel microscópico. Como para todas nuestras suposiciones, esta mantendrá o desechara, dependiendo de sí los hechos experimentales indican o no que nuestras predicciones son correctas (Luoman, 2011). 4.1 MOVIMIENTO BROWNIANO Movimiento errático de las partículas, que puede ser observado con partículas de hasta unos 5 µm. La velocidad de las partículas aumenta con el descenso del tamaño de las partículas. La adición de sustancias, como la glicerina, que aumentan la viscosidad disminuye y llegan a parar el movimiento Browniano. Este movimiento se caracteriza por ser continuo y muy irregular (Imagen 4.2). La trayectoria que sigue la partícula esen zigzag. En el año de 1828 el botánico inglés Robert Brown (1773-1858) observó que en una solución de agua el polen de cierta hierba (Clarkia pulchella) realizaba un movimiento continuo, muy accidentado, en zigzag. El orden de magnitud de la longitud lineal de estas partículas de polen variaba entre 5 y 6 micras (1 micra = 0.001 mm). Brown apuntó lo siguiente: Al examinar la forma de estas partículas inmersas en agua, vi muchas de ellas evidentemente en movimiento; éste consistía no solamente en un cambio de lugar en el fluido, manifestado por alteraciones en sus posiciones relativas, sino que también, con no poca frecuencia, por un cambio en la forma de la Imagen 4.2 Trayectoria irregular que sigue una partícula browniana. Imagen 4.1 Diagrama de la teoría cinético molecular de los gases (Luoman, 2011).

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