Estabilidad de Los Sistemas Coloidales y Coagulacion

 

Semana 7,2 ESTABILIDAD DE LOS SISTEMAS COLOIDALES Y COAGULACION Estabilidad de los sistemas dispersos

El estudio de las condiciones que dan estabilidad a los sistemas coloidales es muy importante  porque de estas e stas depende su existencia. La estabilidad de estos sistemas depende d epende de varios factores, tales como, características de la fase dispersa, medio dispersor, doble capa eléctrica, moléculas de sustancias tensioactivas, pH del medio dispersor, etc. Es necesario mencionar, que la estabilidad de estos sistemas sistemas es consecuencia directa de la existencia de la superficie superficie de división de fases y del exceso ex ceso de la energía libre superficial de las partículas coloidales.

La estabilidad de de un sistema sistema disperso se puede definir definir como la capacidad que tiene este para mantener invariable en el tiempo sus parámetros fundamentales: la dispersión y la distribución uniforme de sus partículas en la fase dispersa. Se distinguen dos tipos de

estabilidad: La estabilidad sedimentacional o cinética  y la estabilidad agregativa. a) La estabilidad sedimentacional  se define como la capacidad que tienen los sistemas

dispersos para contrarrestar la sedimentación de las partículas coloidales por acción de la gravedad. La sedimentación de las partículas dispersas conduce a la destrucción del sistema disperso. En este tipo de estabilidad participan dos procesos contrarios: la difusión y la sedimentación, ambos procesos dependen del tamaño de las partículas dispersas, cuando las  partículas son grades predomina la sedimentación, en cambio para partículas muy peque pequeñas ñas  predomina la difusión y el sistema es altamente estable, estos procesos se muestran en la figura 7.1. La estabilidad del sistema se alcanza también cuando hay equilibrio entre la sedimentación y la difusión. Como ya se ha examinado anteriormente en la sedimentación

 

de las partículas influyen tres fuerzas: la fuerza de gravedad F g (que es la mayor), Arquímedes FA  y de rozamiento FR  y   y en la difusión influyen la fuerza de rozamiento y el movimiento  browniano, que es producto del movimiento térmico de las moléculas del medio dispersor.  F d  F  R

FA

Fg

 F  g

Figura 7.1 Procesos y fuerzas que influyen en la estabilidad de los sistemas dispersos: A-partículas grandes (sedimentación) y B-partículas pequeñas (difusión).

b) La estabilidad agregativa. Se define como la capacidad que tienen los sistemas dispersos para impedir la unión de las partículas dispersas. La unión entre las partículas

dispersas produce la formación de agregados. Estos agregados con el transcurso del tiempo aumentan su masa y por efecto de la gravedad precipitan, destruyéndose de esta manera la estabilidad del sistema disperso, este proceso se muestra en la figura 7.2. Se distinguen dos tipos de agregación: a ) la agregación o unión de partículas sólidas se conoce como coagulación  y b) la agregación de gotas pequeñas, que produce gotas de mayores dimensiones, se le denomina coalescencia.

 Partículas sólidas sólidas

Gotas

Coagulación

Coalescencia

 Figura 7.2 Tipos de agregación de partículas dispersas: coagulación y coalescencia

Los sistemas coloidales se caracterizan por una débil interacción entre la fase dispersa y el medio dispersor y por la tendencia a disminuir el grado de dispersión en el tiempo. La velocidad de unión entre las partículas para formar coágulos depende de diferentes factores. Así por ejemplo, un sistema coloidal formado por partículas de oro puede durar muchos años,  pero, si se le agrega

sustancias coaguladoras, c oaguladoras, puede perder su estabilidad en segundos.

 

Entre la inestabilidad termodinámica del sistema y la velocidad de su destrucción no existe una dependencia determinada. La variación de las propiedades del sistema coloidal en el tiempo, solamente se puede apreciar a través del estudio experimentalmente del mecanismo de agrupación de las partículas coloidales en el tiempo. Existen dos mecanismos de disminución del grado de dispersión, uno de ellos es proceso de adsorción de las partículas pequeñas en la superficie de partículas grandes (proceso de recristalización) y el otro es la unión de las partículas . El último mecanismo es más frecuente en los sistemas coloidales y se denomina coagulación.  La coagulación se puede

apreciar por la variación de la turbidez del sistema o también por la variación del color. El estudio de la coagulación es de gran importancia, porque en muchas aplicaciones industriales es necesario utilizar técnicas para evitar la coagulación en cambio en otras es necesario producir la coagulación con gran rapidez. rapide z. El proceso de coagulación m más ás utilizado es el producido por acción de electrolitos y macromoléculas. Potencial de interacción entre partículas con doble capa eléctrica La forma como varía el potencial de interacción entre dos moléculas y dos partículas coloidales con doble capa eléctrica elé ctrica se muestra en la figura 7.3. 7.3 . En el caso de la interacción entre dos moléculas (figura 7.3 7.3   A) se observa que a grandes distancias se manifiesta con mayor intensidad la fuerza de atracción y a distancias cercanas a un diámetro molecular crece rápidamente la repulsión, además se tiene un valor mínimo negativo del potencial de interacción, en el cual se equilibran las fuerzas de atracción y repulsión. Para el caso de la interacción entre dos partículas coloidales ( 7.3.B) se se observa que a grandes distancias  prevalece la atracción y, a medida que las partículas se acercan se alcanza un valor mínimo, cuyo valor valor es negativo, el cual indica que las fuerzas de atracción y repulsión repulsión se equilibran. Este estado de equilibrio, en muchos casos, conduce a la formación de geles coloidales a pesar que las partículas no se encuentren unidas, este estado explica la existencia del fenómeno de tixotropía (equilibrio sol  –  gel)   gel). Después de este mínimo las fuerzas de repulsión electrostática comienzan a prevalecer impidiendo que las partículas se unan y coagulen. Si las partículas al acercarse pasan esta barrera de repulsión inevitablemente se unen formando coágulos muy compactos.

 

 

 Barrera de repulsión repulsión

 (r )  

 Repulsión  Repulsión

r

 Atracción

B

A

 Atracción

Coagulación por acción de electrolitos  Figura 7.3 Potenciales Potenciales de interacción: interacción: A-entre dos moléculas y B-entre B-entre dos partículas coloidales con doble capa eléctrica.

Los sistemas coloidales pueden coagular por la acción de diferentes factores, tales como: variación del pH del sistema coloidal, fuerza iónica de la solución, temperatura. También por acción de campos eléctricos y magnéticos, por acción de la luz y por envejecimiento del sistema coloidal. Sin embargo, uno de los factores que más más se ha estudiado es por la acción de electrolitos en el caso de suspensiones coloidales. La pérdida de estabilidad de los sistemas dispersos por acción de electrolitos se debe fundamentalmente a las variaciones que estos provocan provocan en la estructura de la doble capa eléctrica. Estas variaciones dependen del tamaño, carga y capacidad de adsorción de los iones de los electrolitos coaguladores. Del estudio de una gran cantidad de datos experimentales acumulados sobre este fenómeno se han propuesto las reglas de coagulación  por electrolitos, que se conocen con el nombre de reglas de Shultz –  Shultz  –  Hardy.  Hardy. Reglas de coagulación de Shultz-Hardy  a) Los iones que producen la coagulación son aquellos que tienen carga contraria a la carga

del ion potencial determinante de la partícula coloidal (o sea tienen la misma carga que los iones contrarios). b) La capacidad de coagulación de los iones de la misma misma valencia aumenta a medida medida que

aumenta el radio del ion o también a medida que disminuye la capa de solvatación, se tiene las siguientes series: Para cationes monovalentes  monovalentes   Li



  Na





  K      Rb





Cs



 

 

  Para cationes divalentes  divalentes   Mg 2+ < Ca2+ < Sr 2+ < Ba2+  Para aniones monovalentes  monovalentes       Cl - < Br - <  NO3 <  I    < SCN  c) La capacidad de coagulación de los iones es mayor cuanto mayor sea su valencia, se tiene

la serie: K +