Clase 1. Sistemas dispersos Aspectos fundamentales-1.ppt
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Leadina Sánchez Barboza
Sistemas Dispersos: Aspectos
Fundamentales
Ubicación de la materia:
Objetivo de la materia:
Al finalizar el curso el estudiante podrá:
•Definir y diferenciar fase e interfase.•Definir que es un sistema disperso y su clasificación.•Diferenciar entre coloides y suspensiones.•Reconocer los parámetros fisicoquímicos de los cuales depende la estabilidad de coloides y suspensiones.•Comprender como se ven influenciados la estabilidad de los sistemas dispersos al introducir en el medio agentes tensoactivos.•Entender el fenómeno de adsorción de los agentes tensoactivos en la interfase sólida-líquida.
Evaluación:
Evaluación individual: Examen parcial (30 puntos) Evaluación colaborativa o grupal: se realizarán las siguientes actividades para el aprendizaje: Exposición: 25 puntosEstudio de caso: 25 puntosCo-evaluación: 10 puntosAuto-evaluación: 10 puntos
Sistemas Dispersos o Coloidales. Definiciones
Solución: Sistema homogéneo obtenido al mezclar dos sustancias el soluto y el solvente, en los cuales ambos componentes tienen moléculas con tamaños similares.
Sistemas Coloidales: Aquellos donde las partículas de la fase dispersa poseen tamaños muchos mayores que las moléculas del solvente (soluciones micelares, microemulsiones, soluciones de macromoléculas, etc).
Entre las características de los sistemas dispersos están el que presentan una gran relación de área/volumen, lo cual hace que los efectos superficiales se vean amplificados y sean quienes controlen el comportamiento del sistema.
Un sistema evolucioanará espontáneamente hacia el estado con menor energía libre (ΔG < 0)
SOLUCIONES ΔG < 0 Mezcla espontánea
DISPERSIONES ΔG > 0
Mezcla NO espontánea
Separación de las fases espontánea
Cinética? Si es lenta
Sistema estable cinéticamente
Energéticamente metaestable
Proteger a las partículas dispersadascontra la agregración
Interacciones repulsivas
Sistemas Dispersos o Coloidales. Definiciones
Sistemas Dispersos: Sistemas heterogéneos donde las partículas dispersas generalmente son de tamaño coloidal, cercano a 1 m (emulsiones, espumas, suspensiones). En estos sistemas existen partículas o gotas que constituyen la fase dispersa, las cuales deben ser dispersadas en una segunda fase, conocida como continua.Química de Superficies: El comportamiento de moléculas grandes es gobernado por la fuerza de gravedad, mientras que para objetos coloidales lo determinante es el movimiento térmico y las propiedades de superficie.
- Movimiento Browniano las partículas pueden difundir al azar debido a energía térmica
- Energía Interfacial depende de las diferencias químicas entre las fases dispersa y continua
-Sistemas Heterogéneos: fase continua/fase dispersa
Un estado especial de la materia
- Dispersiones ordinarias: Suspensiones y emulsiones con partículas mayores de 1µm (10-4 a 10-2 cm).
- Partículas de: 10-7 a 10-2 cm (polidispersidad):
- Se presentan sistemas múltiples, Ej: W/O/W
- Clasificación: Tamaño de partícula, estados de agregación, estructura e interacciones de la interfase.
- Dispersiones finas o coloides propiamente dichos: partículas menores de 1µm (10-4 a 10-7 cm).
Sistemas Dispersos o Coloidales. Generalidades
- Emulsiones / Liquído-Líquido- Suspensiones/ Sólido-Líquido
Alimentos: salsas, mayonesa, margarina, jugos
Pinturas
Cosméticos
Productos de limpieza
Fluidos petroleros
Medicamentos
-Espumas / Gas-Líquido
Cosméticos
Fluidos petroleros
Productos de limpieza
- Dispersiones / Sólido-Gas
Humos
Sistemas Dispersos en nuestro día a día
Sistemas Dispersos en nuestro día a día
Líquido Líquido Emulsión Petróleo Grasas de digestión,Medicamentos,
Leche Membranas biológicasCosméticos
Productos de limpieza
Alimentos
Líquido Gas Espumas Hidrocarburos Secreciones Cosméticos
Rios contaminados AnimalesAlimentos Gas Sólido Aerosoles Polvo volcánico PolenMedicamentos Gas Líquido Aerosoles Nubes Spray
Niebla Cosméticos,
Sólido Sólido Suspensiones Madera HuesosAgregados Sólido Líquido Material poroso Yacimientos Petroleros Perlas, nácar
Plásticos de alto impacto
Sólido Gas Espuma sólida Piedra pómez Esponjas Zeolitas
Fase dispersa y dispersante
Fase dispersa, interna o discontinua
Fase dispersante, externa o continua
No existe prácticamente ninguna actividad individual, comercial o industrial que no involucre detergencia, espumas, emulsiones, dispersiones etc., pudiéndose decir que se debe enfrentar o usar fenómenos interfaciales cada vez que estemos en presencia de una frontera bidimensional de los objetos tridimensionales que conforman nuestro mundo (Rojas y Bullon, 2007). Así por ejemplo, en las industrias cosméticas se producen un sin número de lociones, cremas, espumas, suspensiones, dispersiones, etc, en los cuales el acondicionamiento dispersado es esencial para conferirles las propiedades deseadas.
Definiciones
Zona de transición donde las propiedades cambian desde su valor en una fase hasta el valor que adquieren en otra, región tridimensional de contacto entre dos fases.
Mínima cantidad de trabajo requerida para crear una interfase.
Es una medida de la energía libre interfacial por unidad de área.
Sustancia química que tiene la habilidad de adsorberse en una interfase, modificando la energía libre interfacial.
ENERGIA LIBREINTERFACIAL:
TENSIÓNINTERFACIAL:
SURFACTANTE:
INTERFASE:(ZONA INTERFACIAL)
FASE: Porción homogénea de la materia, con lo cual se desea significar que sus propiedades (p.e. P, T, Ci) no varíen con el tiempo de una zona a otra. Aquella parte del sistema que es en su conjunto química y físicamente idéntica.
Es cualquier parte homogénea y físicamente distinta, en un sistema, que está separada de las otras partes del sistema por una superficie limítrofe definida.
Conceptos Básicos • Las moléculas en el interior de la masa de un líquido son atraídas por igual en todas las direcciones
• Las moléculas en la superficie de un líquido son atraídas hacia el interior debido a un desbalance de fuerzas
• Las moléculas en la superficie poseen más energía que aquellas en el interior de la masa líquida
• Se requiere realizar trabajo para llevar una molécula desde el interior de la masa del líquido hasta la superficie
• Se requiere realizar trabajo para crear una interfase o expandir una existente
VAPOR
LIQUIDO
TENSIÓN SUPERFICIAL
Sistemas Dispersos o Coloidales. Generalidades
• Las dispersiones se caracterizan por poseer un
área interfacial relativamente grande, por lo
cual se requiere cierta cantidad de energía
para formarlas y mantenerlas.
• Las dispersiones son sistemas
termodinámicamente inestables, no obstante,
manejando principios de química coloidal y
fenómenos interfaciales, se pueden hacer
cinéticamente estables.
dG = dA > 0
Energía Superficial o Interfacial
dG = dA dG: cambio en la energía libre de Gibbs de exceso
dw = dA: tensión interfacial dw: trabajo requerido para crear la nueva superficie, proporcional a la cantidad de moléculas movidas a la superficie
reducir área superficialPara minimizar Energía libre de Gibbs (aumentar tamaño gotas)
o el Trabajo disminuir tensión (agregar surfactante)
Conceptos Básicos
dG=dw dG=dWdG = dw para un sistema cerrado a P y T constantes
Propiedades Básicas
-Capacidad de adsorberse en las interfases
-Tendencia a asociarse para formar estructuras organizadas
Aceite
Surfactantes
Grupo Apolar o Hidrofóbico
Grupo Polar o Hidrófilo
Sección lipofílica
Sección hidrofílica
H
CC
CC C CC
C C
C
CC
C
C CC C C
HH H H H
HH
HH H H
H
H
HH H
HH
HH
H
S
O
O
O
Na
Representación general
Cola lipofílica Cabeza hidrofílica
Surfactante Sol. acuosa
Cosurfactante
Aceite
Surfactante Sol. acuosa
Cosurfactante
Aceite
Protocolo de Mezcla
Formación de Micelas y Emulsificación
Micelas Microemulsiones
Emulsiones
Surfactante
en Sol. acuosa
Aceite
Fenómenos relacionados con la adsorción de surfactante en la
interfase
Sistemas Dispersos o Coloidales. Estabilidad
• Se entiende por inestabilidad, cualquier
fenómeno que promueva cambios
reversibles o irreversibles, en las
propiedades de los sistemas en estudio.
• La estabilidad y propiedades reológicas
de los sistemas dispersos, son
severamente afectados por la
distribución y el diámetro promedio de
gotas.
Sistemas Dispersos o Coloidales. Estabilidad
Result: Analysis Table
ID: v ina 2 Run No: 1 Measured: 27/2/05 06:42a.m.File: VINA Rec. No: 2 Analysed: 27/2/05 06:43a.m.Path: C:\MISDOC~1\TAMAÑO~1\VINAGR~1\ Source: Analysed
Sampler: Measured Beam Obscuration: 12.7 %Presentation: 4_DEC Analysis: Poly disperse Residual: 1.536 %Modif ications: None
Conc. = 0.0033 %Vol Density = 0.875 g/cm 3̂ S.S.A.= 3.2316 m 2̂/gDistribution: Volume D[4, 3] = 3.18 um D[3, 2] = 2.12 umD(v , 0.1) = 1.07 um D(v , 0.5) = 2.92 um D(v , 0.9) = 5.65 umSpan = 1.570E+00 Unif ormity = 4.849E-01
Size(um)
Volume Size(um)
Volume Size(um)
Volume Size(um)
VolumeIn %
0.31 0.36
0.11
0.42 0.29
0.49 0.54
0.58 0.86
0.67 1.26
0.78 1.72
0.91 2.24
1.06 2.81
1.24 3.43
1.44 4.15
1.68 5.00
1.95 6.02
In % 1.95 2.28
7.22
2.65 8.49
3.09 9.59
3.60 10.22
4.19 10.08
4.88 9.05
5.69 7.25
6.63 5.08
7.72 2.98
9.00 1.33
10.48 0.30
12.21 0.00
In % 12.21 14.22
0.00
16.57 0.00
19.31 0.00
22.49 0.00
26.20 0.00
30.53 0.00
35.56 0.00
41.43 0.00
48.27 0.00
56.23 0.00
65.51 0.00
76.32 0.00
In % 76.32 88.91
0.00
103.58 0.00
120.67 0.00
140.58 0.00
163.77 0.00
190.80 0.00
222.28 0.00
258.95 0.00
301.68 0.00
Distribución y diámetro promedio de gotas
0
2
4
6
8
10
12
0 10 20 30 40
diámetro (m)
% v
olu
men
9000 RPM
14000 RPM
Particle D iameter (µm.)
Volume (% )
0
10
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
0.1 1.0 10.0 100.0 1000.0
Sistemas Dispersos o Coloidales. Tipos de Inestabilidad
Los tipos más comunes de inestabilidad en sistemas dispersos son:
Floculación: Las partículas dispersas se unen formando agregados tridimensionales, sin perder su individualidad. Este es un fenómeno reversible que normalmente conduce a incrementos de viscosidad.
Sedimentación/Flotación: Las partículas dispersas tienden a sedimentar o flotar debido a diferencias de densidad entre las fases. Este es un fenómeno reversible.
Coalescencia: La unión de dos o más partículas para formar una sola. Fenómeno irreversible que conduce a la separación de fases.
Sistemas Dispersos o Coloidales. Tipos de Inestabilidad
Emulsión estable
Flotación
Floculación
Coalescencia
Sedimentación
Sistemas Dispersos o Coloidales. Tipos de Inestabilidad
Sedimentación/Flotación (Creaming):
La velocidad (v) de caída o ascenso de esferas rígidas de radio (R), no deformables y no interactuantes, en un líquido de viscosidad o, viene dada por la ley de Stokes:
v = 2 g R2 / 9o
donde es la diferencia de densidades entre las fases y g la aceleración de la gravedad.
El fenómeno puede evitarse o aminorarse mediante: 1) Disminución de la diferencia de densidades 2) Disminución del diámetro de las partículas3) Incremento en la viscosidad del medio de dispersión o fase
continua.
Sistemas Dispersos o Coloidales. Tipos de Inestabilidad
Sedimentación/Flotación (Creaming):
Un análisis riguroso del fenómeno requiere considerar la deformación de las partículas.El aceite es menos denso que el agua, por lo tanto tiende a flotar.En las espumas el proceso de flotación es mucho más rápido debido a la Ej. Los refrescos
Sedimentación
Suspensión de silica gel en agua
Sistemas Dispersos o Coloidales. Tipos de Inestabilidad
Floculación: Formación de agregados tridimensionales, se observa enemulsiones y dispersiones de sólidos en líquidos. Origina variacionesde viscosidad y puede preceder a la coalescencia.
Coalescencia: Unión de varias gotas para formar una sola, se observa en emulsiones y normalmente conduce a la separación de las fases.
Ambos fenómenos pueden ser controlados mediante una barreraenergética, determinada por la magnitud de las fuerzas de atraccióny repulsión entre las partículas: Dichas fuerzas son:
- Fuerzas de atracción de Van der Waals- Fuerzas de repulsión electrostática- Fuerzas de corto alcance (atracción o repulsión)
rg