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ANTECEDENTE HISTORICO

En 1861, Thomas GRAHAM encontró que mientras algunas sustancias se difunden rápidamente en solución y atraviesan sin dificultad membranas animales y vegetales, otras difunden muy lentamente y son incapaces de atravesar las membranas. A la primera clase de sustancias, que pueden obtenerse fácilmente en forma cristalina, GRAHAM las denomino cristaloides; y a la otras como almidón, la goma, el caramelo y las proteínas, que en general no pueden obtenerse en forma cristalina, las llamo coloides.

Como en condiciones equivalentes, la velocidad de difusión es proporcional a la presión osmótica del soluto, Se infiere que la presión osmótica de los coloides en solución es muy pequeña y que por consiguiente, sus masas moleculares relativas son muy elevadas. ya GRAHAM había sugerido que el diferente comportamiento de las dos clases de sustancias tenía que estar relacionado con el tamaño de las partículas, mayor en los coloides que en los cristaloides en solución.

En solución ordinaria el soluto esta dispersado molecularmente en el solvente. En ciertos casos hasta iones. En una solución coloidal el soluto se presenta en agregados de algunos cientos o moles de molécula. Sin embargo a simple vista no se puede distinguir una solución coloidal de una solución molecular o iónica. Las partículas coloidales consistiendo de miles de moléculas, pasan a través del papel del filtro y no se puede observar al microscopio.

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DEFINICION

Los sistemas coloidales son sistemas no homogéneos en los que las partículas constituyentes de uno o varios de sus componentes (fase dispersa o dispersoide) tienen tamaño comprendido entre 10 a 2000 ºA, mientras que los restantes componentes están constituidos con partículas con tamaño inferior a 10ºA (fase dispersante o medio de dispersión).

Los sistemas coloidales se denominan también, indistintamente, “estado coloidal” “coloide” “dispersión coloidal” “sol”.

TIPOS DE SISTEMAS COLOIDALES

Dependiendo del tipo de partículas y los átomos o moléculas del fluido, los coloides se clasifican de diferentes maneras. Así, se tienen entre otros, aerosoles, geles, espumas y emulsiones.

A continuación describiremos algunas características de estos sistemas. En todos los casos, las partículas grandes realizan movimiento browniano.

EMULSIONES:

Se llama emulsión al sistema o dispersión coloidal en el que tanto el fluido como las partículas son líquidos que no se mezclan, es decir, inmiscibles. Se puede preparar agitando una mezcla de los líquidos o, de preferencia, pasando la muestra por un molino coloidal llamado homogeneizador. Tales emulsiones no suelen ser estables y tienden a asentarse en reposo, para impedirlo, durante su preparación se añaden pequeñas cantidades de sustancias llamadas agentes emulsificantes o emulsionantes, que las estabilizan. Por lo general son jabones de varias clases, sulfatos y ácidos sulfúricos de cadena larga o coloide liófilos.

Como ejemplo de emulsión podemos mencionar gotitas de aceite en agua, como se ve en la figura 1. La agitación mecánica de una mezcla de agua con gotas de aceite forma una emulsión que no es estable. Después de cierto tiempo, estas sustancias se separan, quedando el aceite sobrenadando en el agua. Para lograr una emulsión estable es necesario añadir, como ya se mencionó, un emulsionante.

Las aplicaciones de las emulsiones son muy bastas, se les encuentra con mucha frecuencia en artículos farmacéuticos, alimenticios o cosméticos. Por ejemplo ciertas cremas y ungüentos son emulsiones. También son las mayonesas y las

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margarinas; estas últimas son emulsiones de partículas de agua dentro de aceite, estabilizadas con aceite de soya al 1%

Figura 1

Emulsión de gotas de aceite en agua.

SOLES:

Las soluciones coloidales que presentan un medio de dispersión líquido se dividen en dos clases: soles liófobos (que repelen los líquidos), y los liófilos (que atraen líquidos). Si el agua es el medio, se emplean los términos hidrófobo o hidrófilo.

Los soles liófobos son relativamente inestables (o metaestables); a menuda basta una pequeña cantidad de electrolito o una elevación de la temperatura para producir la coagulación y la precipitación de las partículas dispersas.

Los soles liófilos tienen una inestabilidad considerable. Al evaporar un sistema liófobo, se tiene un sólido que no puede convertirse de nuevo en sol por adición del disolvente; pero los soles liófilos siguen siendo en esencia sistemas moleculares dispersos y son reversibles en este respecto. Son ejemplos típicos de soles liófobos lo de metales, azufre, sulfuros metálicos y otras sales. Los soles de goma, almidones, proteínas y muchos polímeros sintéticos elevados son de índice lófilo.

No es posible trazar una línea de separación entre los soles liófilos y liófobos; así, por ejemplo, las soluciones coloidales de varios hidróxidos metálicos y sílice hidratado (sólidos de ácido sílico) poseen propiedades intermedias. En estos casos, la fase dispersa probablemente tiene una estructura molecular análoga a la de un polímero elevado.de algunos soles liófilos o liófobos puede obtenerse un gel, sistema que tiene ciertas propiedades elásticas o incluso son rígidos.

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Figura 2

Algunos objetos de uso cotidiano están hechos de soles de goma.

AEROSOLES:

Son definidos como sistemas coloidales que consisten en partículas liquidas o sólidas muy finamente subdivididas, dispersas en un gas. En pocas palabras, son suspensiones en gases.

Si las partículas suspendidas son sólidas, entonces el aerosol se identifica como humo o polvo.

La diferencia entre estas sustancias es solamente cuestión del tamaño de las partículas: las del humo son mucho más pequeña que las del polvo.

Si, por otro, las partículas suspendidas son liquidas, el aerosol se identifica como niebla.

Entre los aerosoles más comunes o que podemos observar se encuentra el llamado esmog (vocablo formado por las palabras en ingles que denotan “humo” y “niebla”) en el que partículas tanto liquidas como sólidas se encuentran suspendidas en el aire.

Otras suspensiones de este tipo son cúmulos de bacterias, virus, mohos en el aire, todas de mucha importancia sanitaria.

Los aerosoles farmacéuticos incluyen soluciones, suspensiones, emulsiones, polvos y preparaciones semisólidas.

Figura 3

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GELES:

En este tipo de coloides las partículas, tanto liquidas como solidas, están suspendidas en un liquido. Se forman geles cuando se intenta preparar soluciones relativamente concentradas de grandes polímeros lineales. La formación de geles se llaman gelacion , y ocurre por ejemplo cuando se enfrian algunos soles liófilos: gelatinas, pectinas, o una solucion medianamente concentrada de jabon. Cuando se agregan electrolitos en condiciones adecuadas a ciertos soles liófobos: óxido férrico hidratado,óxido alumínico hidratado o sílice, todo el sistema se cuaja, formando una jalea aparentemente homogénea que recibe el nombre de gel.en general, la transicion de sol a gel es un proceso gradual. Por supuesto, la gelacion va acompañada por un aumento en la viscosidad que no es repentino sino gradual. En muchas ocasiones, debido a que las paraticulas brownianas estan cargadas electricamente hay interacción entra ellas. Esto da lugar a que se forme una “cuasi-red” cristalina, es decir, se forma una estructura regular, lo que les da una consistencia que no es rigida como un cristal, pero tampoco la del fluido que corresponde al líquido.

Como ejemplo de geles se pueden mencionar las gelatinas, algunos jabones, ciertas arcillas, determinadas pastas como masillas, masas, barro,etcétera. Las gelatinas se emplean en la fotografia, ciertos comesticos, en alimentos,etcétera.

Tipos de geles Existen geles de muchos tipos y no es posible llevar a cabo una clasificación sencilla. En general, se dividen en elásticos o no elásticos o rígidos. En realidad, todos los geles possen elasticidad apreciable, y la division citada se refiere particularmente a la propiedad del producto obtenido cuando el gel se seca. La deshidratación parcial de un gel elástico, como un gel de delatina, conduce a la formación de un sólido elástico, por medio del cual se puede regenrarse el sol original añadiendose el disolvente adecuado. Estos solidos secos o semisecos se llaman xerogeles. Los precipitados gelatinosos de los óxidos metálicos hidratados en realidad no tienen una estructura diferente de la de los geles no elásticos correspondientes. La diferencia esencial estriba en que estos tienen todo el líquido de dispersión incluido en la estructura semisólida, lo cual no courre en el precipitado gelatinoso. Si las condiciones son tales que las partículas coloidales se juntan lentamente, es posible que se forme un gel, pero la coagulación rápida irá acompañada por la formacion de un precipitado. Se ha propuesto otra clasificación para los geles, basada en el efecto del calor si el cambio producido clanetnado es invertido por enfriamiento, se dice que el gel es termicamente reversible; en el caso contrario, el gel es irreversible. Pertenecen al primer grupo la nitrocelulosa en diversos líquidos orgánicos y la gelatina en agua; en el segundo se encuentran los sitemas de albúmina de huevo y sílice hidratada de agua. La diferencia entre los dos tipos sedebe a cambio químicos, como la formación del enlace de

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hidrógeno que se produce cuando se calientan geles térmicamente irreversibles.

Figura 4

Tipos de geles

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CLASIFICACION DE LOS COLOIDES

Los sistemas coloidales pueden clasificarse, atendiendo al estado físico de sus componentes, de la manera que se indica en la TABLA 1.

CLASIFICACIÓN DE LOS SISTEMAS COLOIDALES ATENDIENDO AL ESTADO FÍSICO DE SUS COMPONENTES

DENOMINACIÓN

USUAL

COMPONENTES EJEMPLOS FASE

DISPERSA FASE

DISPERSANTE

SOL

SOLIDO

LIQUIDO

JABÓN Y

DETERGENTES EN AGUA.

GEL

LIQUIDO

SOLIDO

GELATINA, ÓPALO.

AEROSOL

SOLIDO

GAS

HUMO, POLVO DE CARBÓN EN AIRE.

LIQUIDO

GAS

NIEBLA, BRUMA,

NUBES.

EMULSION

LIQUIDO

LIQUIDO(NO MISCIBLE)

ACEITE DE HÍGADO DE BACALAO EN

AGUA, MAYONESA, LECHE

HOMOGENEIZADA, TINTAS DE LAPICERO,

LUBRICANTES, PINTURAS.

OTRAS

GAS

LIQUIDO

ESPUMAS, CREMAS

BATIDAS.

GAS

SOLIDO

LAVA, PASTA DENTÍFRICA.

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PROPIEDADES DE LOS COLOIDES

A continuación mencionaremos las principales propiedades de los sistemas coloidales:

MOVIMIENTO BRONIANO:

El movimiento browniano es el movimiento aleatorio que se observa en algunas

partículas microscópicas que se hallan en un medio fluido. Recibe su nombre en

honor al escocés Robert Brown, biólogo y botánico que descubrió este fenómeno

en 1827 y observó que pequeñas partículas de polen se desplazaban en

movimientos aleatorios sin razón aparente. En 1785, el mismo fenómeno había

sido descrito por Jan Ingenhousz sobre partículas de carbón en alcohol.

El movimiento aleatorio de estas partículas se debe a que su superficie es

bombardeada incesantemente por las moléculas del fluido sometidas a una

agitación térmica.

Este bombardeo a escala atómica no es siempre completamente uniforme y sufre

variaciones estadísticas importantes. Así, la presión ejercida sobre los lados

puede variar ligeramente con el tiempo, y así se genera el movimiento observado.

Tanto la difusión como la ósmosis se basan en el movimiento browniano.

Movimiento Browniano en tres dimensiones

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EFECTO TYNDALL

El efecto Tyndall es el fenómeno físico que hace que las partículas coloidales en una disolución o un gas sean visibles al dispersar la luz. Por el contrario, en las disoluciones verdaderas y los gases sin partículas en suspensión son transparentes, pues prácticamente no dispersan la luz. Esta diferencia permite distinguir a aquellas mezclas homogéneas que son suspensiones coloidales. El efecto Tyndall se observa claramente por ejemplo cuando se usan los faros de un automóvil en la niebla o cuando entra luz solar en una habitación con polvo, y también es el responsable de la turbidez que presenta una emulsión de dos líquidos transparentes como son el agua y el aceite de oliva. El científico irlandés John Tyndall estudió el efecto que lleva su apellido en1869.

Soluciones y Dispersiones

Las disoluciones verdaderas son claras y transparentes y no es posible distinguir

ni macroscópica ni microscópicamente sus partículas disueltas de la fase

dispersante. En cambio, las dispersiones presentan un aspecto turbio que se debe

a la facilidad con que se visualizan las partículas suspendidas en el medio líquido.

En las soluciones coloidales pasa exactamente lo mismo; sus micelas gozan de la

propiedad de reflejar y refractar la luz, y además la luz dispersada está polarizada.

De este modo, el trayecto que sigue el rayo luminoso en una disolución coloidal es

visualizado gracias a las partículas coloidales, convertidas en centros emisores de

luz.

El efecto Tyndall no debe ser confundido con la fluorescencia, con la que tiene una

apariencia análoga y de la que se diferencia porque al iluminar las soluciones

fluorescentes con un haz de luz en el que se han eliminado los colores azul y

violeta, desaparece su aspecto turbio, lo que no sucede con los coloides. Además,

la luz dispersada por las micelas está polarizada y la de las fluorescentes no. Por

ejemplo, cuando la luz atraviesa la gelatina, su sombra es del mismo color.

La propiedad dispersante de la luz de tienen las micelas permite verlas mediante

un dispositivo especial llamado ultramicro. El método consiste en iluminar

lateralmente las partículas coloidales sobre un fondo oscuro: para ello se sitúa la

preparación sobre un bloque de vidrio en forma de paralelepípedo oblicuo, cuyas

caras forman con la base un ángulo de 51º. Cuando un rayo luminoso incide

normalmente sobre una de las caras oblicuas, en lugar de refractarse es

totalmente reflejado e ilumina tangencialmente las partículas que constituyen el

preparado coloidal; si en esas condiciones se examina el campo mediante

un microscopio ubicado de modo que su eje sea perpendicular a los rayos

reflejados, éstos no pueden ser visualizados, por lo cual, cualquier punto luminoso

que se enfoque con el microscopio proviene de las imágenes de difracción

formadas por las micelas coloidales cuyo aspecto, en su conjunto, recuerda al de

las estrellas resaltando sobre un campo totalmente oscuro.

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Efecto tyndall

ADSORCIÓN.- los coloides son excelentes adsorbentes debido al tamaño pequeño de las partículas y a la superficie grande. Ejemplo: el carbón activado tiene gran adsorción, por tanto se usa en los extractores de olores; esta propiedad se utiliza también en cromatografía.

CARGA ELÉCTRICA.- las partículas presentan cargas electicas positivas o negativas. Si se trasladan al mismo tiempo hacia el polo positivo se denomina anaforesis; si ocurre el movimiento hacia el polo negativo se llama cataforesis.

DIÁLISIS.- a menudo se desea remover las partículas coloidales de un medio en dispersión, como estas partículas son muy finas para ser filtradas es necesario aplicar otro tipo de procedimientos para separarlas.

FLOCULACIÓN.- la estabilidad de un sistema coloidal es una medida de su capacidad para mantener su estado y/o grado de agregación u homogeneidad en todo su volumen. En la mayoría de estos sistemas la velocidad de sedimentación de las partículas es tan lenta, que por lo general prevalece la agitación térmica sobre la acción de la gravedad, en contraste con otras partículas más grandes que sedimentan de manera espontánea. Esto ocurre porque las partículas coloidales poseen carga eléctrica y la repulsión mutua (colisiones), que se genera entre ellas, como la agitación térmica, estabiliza al sistema.

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MÉTODO DE PREPARACIÓN DE SISTEMAS COLOIDALES

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.

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 y estas últimas pueden ser obtenidas por métodos de condensación o de dispersión.

Condensación: el principio esencial de este método es que las sustancias con las cuales se preparan los soles están originariamente en solución verdadera, en estado de iones o moléculas, como resultado de la reacción química que se efectúa entre ellas. Se obtienen partículas insolubles de tamaño coloidal. Las condiciones experimentales deben ser estrictamente controladas.

En la preparación de soluciones coloidales por el método de la condensación se han empleado reacciones químicas de varios tipos; también se ha empleado la oxidación, por ejemplo, una solución acuosa de hidrógeno sulfurado se puede oxidar por oxígeno o por anhídrido sulfuroso para obtener un sol de azufre.

Dispersión: en este método se parte de una cierta cantidad de sustancia pura, por medio de dispositivos especiales se la desintegra en partículas de dimensiones coloidales que permanecen durante algún tiempo en estado disperso. Con este objeto se emplea el método de la peptización, que consiste en la desintegración directa de una sustancia en partículas de dimensiones coloidales mediante un agente agregado que se conoce como agente peptizante.

Se consigue reducir muchas sustancias al estado coloidal en el llamado molino de coloides, este consiste en una serie de discos separados por espacios muy pequeños que giran a gran velocidad en sentidos opuestos. El medio dispersante se pasa a través del molino junto con las sustancias a dispersar y el agente estabilizante, obteniéndose después de un tiempo la solución coloidal.

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PURIFICACIÓN DE LOS COLOIDES

La purificación de los coloides de los iones presentes se efectúa por dos métodos principales: ultrafiltración y diálisis.

Ultrafiltración: es el proceso de separar las partículas coloidales del solvente y de sustancia extrañas disueltas molecularmente, mediante filtros especiales que son permeables a todas las sustancia presentes, excepto a las partículas coloidales.

Diálisis: es el proceso de separación de una sustancia extraña disuelta en un sistema coloidal, por medio de difusión a través de una membrana apropiada. La marcada diferencia existente entre las proporciones de difusión de las sustancias cristalinas y coloides, permite que su separación sea relativamente fácil. Si una solución que contiene sustancias cristalinas y coloides, se separan por una membrana de colodión o celofán, del agua pura, las sales y los otros solutos cristalinos paran a través de la membrana y los coloides quedaran. Esta operación fue llamada “diálisis” por GRAHAM y el aparato “dializador”. La diálisis puede ser considerada como una operación de difusión fraccionada; no debe confundirse con la osmosis, en el cual nada más que el solvente puede pasar a través de la membrana semipermeable. Cuando se agrega un exceso de acido clorhídrico a una solución de silicato de sodio y se coloca un dializador, ocurre que el cloruro de sodio formado y el acido clorhídrico sobrante se difunden, dejando el acido silícico coloidal.

También los iones pueden ser extraídos mediante la operación llamada electrodiálisis. En la solución se colocan distanciadas dos membranas, que en su lado externo tienen electrodos mediante los cuales aumentan las velocidades de los iones, haciéndolos moverse bajo la influencia del campo eléctrico, los iones positivos al cátodo y los iones negativos al ánodo.

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EQUILIBRIO DE DONNAN Si a un sistema de dos compartimientos líquidos con una sal disuelta en ambos, y

separados por una membrana semipermeable y en uno de los compartimientos

colocamos un proteinato que no puede difundir a través de la membrana, la

distribución electrolítica en este sistema se realizará de una forma particular

llamada EQUILIBRIO DONNAN

Los iones se distribuirán de acuerdo a su gradiente de concentración a- si el C1-

pasará del lado B al A ya que en A no hay inicialmente CI- verificándose un

traslado de cargas negativas generándose una diferencia de potencial debido al

trabajo realizado por este ión. Paralelamente el Na+ será atraído hada el

compartimiento A debido a las cargas negativas de este compartimiento (gradiente

eléctrico) y debido a que está en mayor concentración en B que en A (gradiente

químico).

El sistema llega al equilibrio cuando la suma de los gradientes formados químicos

y eléctricos se hace cero.

Los postulados establecidos por Gibbs-Donnan se cumplen y son los siguientes:

1. El producto de cationes y aniones difusibles a ambos lados de la membrana es

igual (9 x 4 = 6x6).

2. El número de aniones difusibles del lado con proteinatos es menor que: el del

lado sin

Proteinatos 4 en A y 6 en B y el de cationes mayor 9 en A y 6 en B.

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3. En cada lado por separado el número de cationes es igual al de aniones.

4. La presión osmótica es levemente superior en el lado A que en el B por la

presencia, de los proteinatos.

5. Existe electro neutralidad en cada compartimiento por separado.

O sea que siempre que se verifique el equilibrio Donnan se produce una

diferencia de potencial generada por la distribución iónica a ambos lados de la

membrana, que se puede medir con un electrodo dentro de un compartimiento y

otro en el otro. Convencionalmente se considera potencial cero el lado extracelular

y como debido a los iones el interior es negativo, la diferencia de potencial que

medimos nos da un resultado negativo, generalmente - 70 a - 90 mV y esto es lo

que se conoce; con el nombre de potencial de membrana y como nos estamos

refiriendo a1 estado de equilibrio o de reposo, también se llama POTENCIAL DE

REPOSO.

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BIBLIOGRAFIA

Libros:

TRATADO DE FÍSICA QUIMICA

GASTON PONS MUZZO

EDITORIAL A.F.A EDITORES IMPORTADORES S.A SEXTA EDICION PAG: 504-518

QUIMICA SOLUCIONES

WILFREDO H. FLORENTINO LA TORRE

EDITORIAL MOSQUERA S.R.L. PRIMERA EDICION

PAG: 3,4

LIBROS INTERNET:

QUÍMICA LI IMELDA LUZ LEMBRINO PEREZ, JOSE S. PERATA ALATRISTE. http://books.google.com.pe/books?id=W5TUJswdefIC&pg=PA115&lpg=PA115&dq=sistemas+coloidales&source=bl&ots=Ivour1AqWP&sig=Zpo8B0B1CUkkMdp7P_eep8xcB3Y&hl=es&sa=X&ei=2Nb8T-XjNYW70QGTo-i_Bg&ved=0CFwQ6AEwCA#v=onepage&q=sistemas%20coloidales&f=false

QUÍMICA INORGÁNICA EXPERIMENTAL: UNA GUÍA DE TRABAJO DE LABORATORIO. R.E. DODD http://books.google.com.pe/books?id=U6x5TvSHP1kC&pg=PA284&lpg=PA284&dq=sistemas+coloidales&source=bl&ots=sYCBXhCqc8&sig=SZO0ad_p496PsFhuBUw7vlDXhDI&hl=es&sa=X&ei=2Nb8T-XjNYW70QGTo-i_Bg&ved=0CGIQ6AEwCQ#v=onepage&q=sistemas%20coloidales&f=false