Quimica de Los Coloides

COLOIDES INTRODUCCIÓN

En la naturaleza no abundan las sustancias puras, la mayor parte de las sustancias que manejamos son mezclas, algunas de las cuales cuando son homogéneas las denominamos soluciones o disoluciones. Las disoluciones son sistemas de más de un componente, en los cuales distinguimos un disolvente (sustancia generalmente en mayor proporción) y uno o más solutos. Estos sistemas son termodinámicamente estables, es decir, sistemas que se encuentran en un estado energéticamente inferior al de los componentes por separado; además en la mayoría de los casos el soluto está constituido por moléculas de un tamaño menor a 1nm. Por otra parte, si bien los solutos macromoleculares como polisacáridos, proteínas, polímeros sintéticos pueden formar verdaderas disoluciones, estos sistemas presentan comportamientos específicos que les confieren particularidades, que hacen de ellos un tipo especial de sistemas dispersos denominados sistemas coloidales.

SISTEMAS COLOIDALES Los sistemas coloidales poseen al menos dos fases, una de ellas finamente dividida en pequeñas partículas (FASE DISPERSA O FASE DISCONTINUA) rodeada completamente por la otra fase (FASE DISPERSANTE, MEDIO DE DISPERSIÓN O FASE CONTINUA). La pregunta es ¿qué significa finamente dividida? bien, resulta que estos sistemas presentan claramente propiedades de carácter coloidal cuando las dimensiones de la fase dispersa se hallan entre 1nm y 1000 nm (1 µm). Es importante mencionar que no es necesario que el tamaño coloidal (menor a 1 µm) lo posea la partícula en las tres dimensiones, ya que el comportamiento coloidal puede observarse con partículas con una sola dimensión en este margen (figura 1). La palabra coloide se deriva de la raiz griega cola (κολλα) que significa que   puede pegarse, ya que las dispersiones de este tipo de sustancias posen la propiedad de no pasar los filtros habituales. Este término fue acuñado por Gram. (1805-1869) en 1861, al estudiar la difusión de las sustancias disueltas, distinguió dos clases de solutos a los que denomino cristaloides y coloides. En el grupo de cristaloides ubicó a los que se difunden rápidamente en el agua, dializan fácilmente a través de las membranas permeables y al ser evaporadas las soluciones de que forman parte, quedan como residuo cristalino.

Elipsoides

Varilla

Disco

Estopa

Figura 1: Algunos modelos de partículas no esféricas

En el grupo de los coloides situó a los que se difunden lentamente, dializan con mucha dificultad o bien no lo hacen y al ser evaporadas las soluciones de que forman parte, quedan como residuo gomoso. Esta forma de diferenciar los coloides de los cristaloides se mantuvo en uso durante muchos años, pero en la actualidad carece del valor en lo absoluto ya que algunas sustancias, aparentemente coloidales, se comportan como cristaloides y algunos cristaloides lo hacen como coloides, dependiendo de las condiciones determinantes del sistema. Por ejemplo la albúmina del huevo, la cual es un coloide, se ha logrado obtener en forma cristalizada y el cloruro de sodio, un cristaloide, se comporta como coloide cuando se lo disuelve en benceno. En realidad lo que determina la ubicación de estas sustancias en un grupo aparte, es el grado de división en que se encuentra el soluto y como la materia en la naturaleza se presenta en forma de partículas, cuyo tamaño varía desde el de las que son visibles macroscópicamente hasta el de las que son invisibles aún con el microscopio electrónico, para definir en su justo término las soluciones coloidales es necesario contemplar la totalidad de las propiedades que les caracterizan. Esto es, afinidad por el medio dispersante, el tamaño de sus micelas, su estabilidad, efecto Tyndall, movimiento browniano, comportamiento eléctrico y adsorción.

COLOIDES HIDROFÍILOS Y COLOIDES HIDROFÓBOS Una subdivisión de los coloides los clasifica según la afinidad por el medio dispersante en liófobos y liófilos (la partícula lio viene del griego λιοσ que

quiere decir disolver). Si el medio de dispersión es agua, como es en la mayoría de los casos, se les llama hidrófobos cuando hay repulsión por el agua e hidrófilos cuando hay atracción por el agua.

Figura 2: Suspensión coloidal hidrófila. Todos los grupos que se muestran pueden interaccionar con el agua.

Los coloides hidrófilos son disoluciones que contienen moléculas muy grandes como proteínas. En fase acuosa una proteína se pliega de tal manera que la parte hidrófila de la molécula, es decir la parte que es capaz de interaccionar favorablemente con el agua a través de fuerzas de ión dipolo o mediante formación de puentes de hidrógeno, se encuentra en la parte externa (Figura 2) Los coloides hidrófobos, por lo general, no son estables en agua y sus partículas tienden a formar conglomerados, como gotas de aceite en agua, que se distribuyen en una película oleosa en la superficie del agua. Sin embargo, se pueden estabilizar los coloides hidrófobos, una manera es por  adsorción de iones en la superficie de la partícula (Figura 3). Estos iones adsorbidos interactúan con el agua estabilizando así el coloide, al mismo tiempo la repulsión electrostática impide que se junten.

Figura 3. Estabilización de coloides hidrófobos por adsorción de iones negativos sobre la superficie de las partículas coloidales.

Otra forma de estabilización de los coloides hidrófobos es por la presencia de otros grupos hidrófilos en su superficie, formando micelas (Figura 4)

Figura 4. Formación de una micela con moléculas de estearato de sodio (jabón).

FORMAS EN QUE SE PRESENTA EL ESTADO COLOIDAL Las soluciones coloidales son sistemas heterogéneos polifásicos, pues contienen al menos dos fases distintas: la dispersa, finamente dividida, y la dispersante. En general, cuando las dispersiones coloidales se encuentran en estado líquido se dice que forman un sol. Si tienen forma consistente poseyendo alguna de las propiedades elásticas o plásticas de los cuerpos sólidos, aunque el medio dispérsame sea líquido se dice que constituyen un gel. El fenómeno de la gelificación puede ser reversible o irreversible. En el primer caso las micelas, una vez separadas del disolvente, pueden ser llevadas nuevamente a su condición de sol, sea por un simple contacto con el medio dispersante o bien con otra sustancia, distinta de éste, en cuyo caso se dice que el coloide es reversible por peptización. Por el contrario, si el gel no puede ser disuelto nuevamente es que ha gelificado en forma irreversible, proceso denominado coagulación y caracterizado por que en él, las micelas se reúnen formando flóculos grandes tal como sucede con la sangre que contiene coloides circulando en solución (es un sol) pero, en determinadas condiciones y mediante un mecanismo algo complicado, se transforma en un gel irreversible, es decir coagula.

CLASIFICACIÓN DE LAS DISPERSIONES COLOIDALES. Las soluciones coloidales se clasifican de acuerdo con el estado de agregación en que se presentan el soluto y el solvente y, corno los estados de la materia son tres, de sus posibles combinaciones se podrían obtener 9 tipos de soluciones coloidales. Si no fuera porque la novena posibilidad (de gas en gas) es imposible de realizar por cuanto los gases no pueden existir uno junto a otro sin mezclarse. Por ello los tipos de dispersiones coloidales son ocho y se resumen en la Tabla 1.

Tabla 1. Tipos de dispersiones coloidales Fase dispersa Sólido

Fase dispersante Sólido

Sólido

Líquido

Nombre Suspensión sólida Sol, suspensión coloidal, pasta

Ejemplo Plásticos pigmentados Suspensiones de almidón, pinturas, tinta, dentrífico

(alta concentración de sólido)

Sólido

Gas

Aerosol sólido

Humo, polvo

Líquido

Sólido

Jaleas, queso, ópalo

Líquido Líquido Gas

Líquido Gas Sólido

Emulsión sólida o Gel Emulsión Aerosol líquido Espuma sólida

Gas

Líquido

Espuma

Leche, mayonesa Nubes, niebla,spray Lava, piedra pómez, poliestireno Espumas del jabón, Nata batida

EL EFECTO TYNDALL- TURBIDEZ Las soluciones 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 groseras presentan un aspecto turbio que se debe a la facilidad con que se visualizan las partículas suspendidas en el medio líquido. En general todos los materiales son capaces de dispersar la luz en alguna medida (efecto Tyndall). La notable turbidez asociada a muchas dispersiones coloidales es una consecuencia de la intensa dispersión de la luz . Solamente un sistema perfectamente homogéneo no dispersaría la luz, en efecto, cuando un rayo luminoso atraviesa un recipiente transparente que contiene una solución verdadera, es imposible visualizarlo a través de ella, así  también líquidos puros y gases libres de polvo son tan sólo ligeramente turbios.

Por otra parte, si dicho rayo penetra en una habitación oscura, su trayectoria estará demarcada por una sucesión de partículas de polvo que, al reflejar y refractar las radiaciones luminosas, se conviertan en centros emisores de luz. Esto es lo que pasa exactamente con las soluciones coloidales, sus micelas gozan de la propiedad de reflejar y refractar la luz, de este modo, la trayectoria que sigue el rayo luminoso en una solución coloidal es visualizada gracias a las partículas coloidales, convertidas en centros emisores de luz. Una solución de algún material macromolecular puede parecer ser perfectamente clara al ser examinadas de una manera especial se comportan de forma muy singular, de hecho presentan turbidez a causa de la débil dispersión. Esto fenómeno se conoce con el nombre de Efecto Tyndall (Figura 5) y es tanto más intenso cuanto menor sea la longitud de onda del rayo incidente; de ahí que del conjunto de los colores que constituyen el espectro solar, el azul y el violeta son los preferentemente difractados, lo que explica el color azul que tienen la atmósfera y el mar. Asimismo, es tanto más pronunciado cuanto mayor sea el tamaño de las partículas coloidales. La turbidez de un material está definida por la expresión: I /I t o = exp –(τl) Donde Io es la intensidad del haz incidente It es la intensidad del haz transmitido l es la longitud de la muestra y τ es la turbidez.

Figura 5. Efecto Tyndall. La luz pasa por una suspensión coloidal.

La propiedad dispersante de la luz de que gozan las micelas ha posibilitado su visualización mediante un dispositivo especial llamado ultramicroscopio. El método consiste en iluminar lateralmente las partículas coloidales ubicadas 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. MOVIMIENTO BROWNIANO

Las micelas están animadas de un incesante movimiento de rotación en forma de trepidación. Este movimiento errático, fue observado por el botánico Robert Brown en 1827 al estudiar el movimiento de las esporas flotando en el agua y es por ello que se le llamo movimiento browniano. Este movimiento se debe a los choques no compensados de las moléculas del medio dispersante sobre las partículas coloidales y es independiente de todos los factores externos. Cuanto más pequeña sea la micela y menos viscoso el medio, mayor será el bombardeo. Este efecto se ha observado en todos los tipos de suspensiones coloidales (sólido en líquido, líquido en líquido, gas en líquido, sólido en gas y líquido en gas). El primero en tratar satisfactoriamente la teoría del movimiento Browniano fue Albert Einstein en 1905. En su trabajo de investigación Einstein estableció las bases para la descripción de las fluctuaciones de las partículas.

COMPORTAMIENTO ELÉCTRICO DE LOS COLOIDES Las micelas están cargadas de electricidad, lo que se puede demostrar introduciendo dos electrodos conectados a una fuente de corriente continua en una dispersión coloidal, en cuyo caso las partículas se mueven según el signo de su carga, sea hacia el ánodo (anaforesis) o hacia el cátodo (cataforesis), originando un fenómeno conocido con el nombre de electroforesis. La velocidad de desplazamiento de las micelas, por unidad de intensidad del campo, es variable y depende de su carga y de la resistencia que le opone el disolvente. La electroforesis se usa para separar los componentes de una solución coloidal, por ejemplo, las proteínas de la sangre, para ello se arma un dispositivo donde, en la parte inferior del tubo, se ubica la solución coloidal

constituida por una mezcla de sustancias coloidales que so cubre con una solución "buffer". Al cerrarse el circuito, las partículas coloidales se van desplazando en las ramas del tubo, dejando entre ellas y el "buffer" y entre los distintos coloides que la constituyen, una superficie de separación perfectamente nítida. Si la mezcla contiene, por ejemplo, dos o más proteínas diferentes y como cada una de ellas tienen su propia velocidad de desplazamiento, se forman distintos frentes de avance, uno por cada prótido.

Figura 6. Esquema de la separación electroforética de dos proteinas .

En la figura 6, se ha esquematizado la técnica seguida para separar electroforéticamente dos proteínas; en A se observa el tubo con las dos proteínas mezcladas y el frente 1 que las separa de la solución "buffer". En B ya iniciado el experimento, so han formado dos niveles de avance, el 2, que pertenece a los dos coloides, y el 3 a uno solo de ellos; y en C se ha representado el valor del índice de refracción de la solución a lo largo del eje de la cubeta; ε0 corresponde al de la solución "buffer", ε1 al de la zona en que sólo existe un solo coloide, y ε2 al que contiene los dos. Por último, en D se resume la variación del índice de refracción a lo largo de la cubeta. A cada frente de separación le corresponde un determinado índice de refracción, representado por una punta o diente en la curva. El origen de la carga eléctrica de la micela puede encontrarse en una de estas posibilidades: a. las micelas, debido a su enorme superficie, adsorben algunos iones existentes en la solución, lo que, al unirse a la partícula

b.

coloidal le comunican su carga en cuyo caso los iones de signo opuesto, que quedan en exceso rodean a las micelas formando de este modo una doble capa eléctrica (figura 7) algunas micelas, al entrar en solución se disocian separando un ión de carga positiva o negativa, mientras el resto queda cargado de electricidad y convertido en un electrolito coloidal.

Figura 7. Doble capa eléctrica de las micelas

PROPIEDADES DE ADSORCIÓN DE LOS COLOIDES La adsorción es un fenómeno de superficie, que tiene lugar entre las distintas partículas que forman una solución. De ahí que las micelas coloidales, de gran superficie, gocen de la propiedad de adsorber los iones del medio que las rodean. Este fenómeno explica, por ejemplo, lo ya dicho sobre la carga de las micelas, o bien la estabilidad de los coloides, que se aumenta agregando a la solución coloidal una pequeña cantidad de electrólito, suficiente para formar alrededor de la micela una envoltura o capa eléctrica de mismo signo.

LIOFOBIA Y LIOFILIA La afinidad de las micelas por el medio dispersante puede ser muy acentuada (liofilia) o bien pequeña o nula (liofobia). Cuando el medio de dispersión, es el agua, esta propiedad se denomina hidrofilia e hidrofobia. La hidratación de los coloides se debe a, la atracción recíproca que tiene lugar entre las partículas coloidales, cargadas eléctricamente, y las

moléculas de agua. En efecto, consideradas éstas como un dipolo con sus cargas positiva y negativa ubicadas una en cada extremidad, al enfrentarse con una micela, también cargada de electricidad, se atraen, mutuamente por sus cargas de signo contrario, hasta llegar a unirse. Este fenómeno de la fijación de agua por las micelas coloidales recibe el nombre de imbibición o gelificación y se demuestra introduciendo un trozo de gelatina o agar agar en un recipiente con agua; casi inmediatamente comienza a hincharse, aumentando sensiblemente su volumen y adquiriendo un aspecto blando y elástico. La pérdida del disolvente por parte del coloides es el proceso inverso a la imbibición se denomina sinéresis. Se debe a que la mayor cantidad de la fase dispersa, en unión de una pequeña porción del disolvente se deposita en forma de una masa gelatinosa de notable viscosidad; el coloide se separa así de del disolvente, transformándose en una jalea o gel.

PROPIEDADES PARTICULARES DE LOS COLOIDES Si bien las separación de los coloides sobre la base de la afinidad de sus micelas por el disolvente no es absoluta, por cuanto muchos soles, como los óxidos hidratados, se sitúan en un grupo intermedio entre los hidrófobos y los hidrófilos, antiguamente se acostumbraba a diferenciarlos en suspensoides y emulsoides, para lo cual se tomaba como base al estado en que se presenta el soluto. Si era sólido se estaba en presencia de un suspensoide y si era líquido de un emulsoide, siempre el disolvente era líquido. Hoy se prefiere utilizar hidrófobos e hidrófilos. El comportamiento de los coloides hidrófobos e hidrófilos es, en general, muy diferente y para poder ubicarlos en su justo término, es preciso tener en cuenta la viscosidad, tensión superficial, efecto Tyndall, presión oncótica, estabilidad y precipitación de cada uno de ellos. La viscosidad y la tensión superficial de los coloides hidrófobos son similares a las del medio dispersante; asimismo, y debido a la gran división y pequeño diámetro de sus micelas, presentan intensamente el efecto Tyndall. Por el contrario, la viscosidad de los hidrófilos, a causa de su avidez por el agua, es sensiblemente superior a la de la fase dispersante, mientras que su tensión superficial es inferior a la misma, y con el agregado de que estos coloides son batótonos, esto es, que descienden la tensión superficial del solvente y de otras soluciones, Los coloides hidrófilos no presentan el efecto Tyndall o lo hacen muy débilmente, lo que se explica por su hidrofilia que impide una distinción óptica entre las fases dispersa y dispersante, por lo que son de difícil observación mediante el ultramicroscopio.

PRESIÓN ONCÓTICA La presión osmótica de las soluciones verdaderas depende de la concentración particular del soluto. Por ello, los coloides hidrófobos, de concentración particular muy débil, desarrollan muy escasa presión osmótica. En cambio, en los coloides hidrófilos concentrados, la presión osmótica adquiere valores mayores que los que se podría esperar si ella dependiera únicamente de la concentración del soluto, lo que se debe a que la hidrofilia de las micelas incrementa su avidez por el disolvente, originando una presión de retención muy superior a la osmótica y a la que se ha denominado oncótica. En estos casos, las micelas de los coloides hidrófilos retienen el disolvente en función de dos procesos: osmosis y óncosis que, si bien confluyen en un mismo fin difieren en su esencia. Así, mientras la primera representa la tendencia a diluirse que tiene la solución, en la óncosis el disolvente es fuertemente retenido por las micelas gracias a su hidrofilia. En las soluciones muy diluidas, la presión osmótica de los coloides se confunde con la oncótica porque, en estos casos, el número de las micelas, o sea su concentración particular, es muy pequeño y la hidrofilia está en relación a él.

ESTABILIDAD DE LOS COLOIDES Es muy grande y difiere según se trate de los coloides hidrófobos o hidrófilos. La estabilidad de los primeros depende de la carga eléctrica de sus micelas, que siendo de un misino signo para cada clase de coloides se mantienen en solución mediante un proceso de repulsión continua; la estabilidad de los hidrófilos depende del grado de hidratación de sus micelas.

PRECIPITACIÓN DE LOS COLOIDES HIDRÓFOBOS Los coloides hidrófobos son irreversibles, pues, una vez que sus micelas han sido precipitadas, no pueden ser dispersadas nuevamente. Por el contrario, los hidrófilos son reversibles, por lo cual, sus micelas, una vez que han sido precipitadas, pueden volver a mezclarse con el medio de dispersión, para regenerar el sistema coloidal en solución. Para precipitar una partícula coloidal hidrófoba lo primero que hay que hacer es neutralizar su carga eléctrica, en cuyo caso basta con agregar a la solución un electrolito de signo contrario a la carga de la micela. Este fenómeno está contemplado por la regla de Hardy-Schulze que dice: "La precipitación de los coloides hidrófobos se efectúa, por iones de signo opuesto al de la partícula coloidal, y es tanto más intensa cuanto mayor es

la valencia de dicho ión". Asimismo, cuanto mayor sea la velocidad con que se agrega el electrolito al coloide, mayor será el efecto precipitante. Los coloides hidrófobos también pueden precipitarse mutuamente, siempre y cuando sus partículas sean de signo contrario y se mezclen en proporciones convenientes, porque si uno excede al otro, la mezcla resultante se estabiliza mediante la formación de una solución coloidal cuyo signo es el del coloide en exceso. Por ejemplo, en el cuadro se resumen las proporciones en que se han mezclado dos soles hidrófobos (el hidróxido de hierro coloidal, positivo, y el sulfuro de arsénico; negativo); como se ve, al predominar uno u otro se va precipitando un exceso, y el resto se carga de la misma electricidad que el coloide predominante.

Tabla 2. Acción recíproca entre el As2S3 (negativo) y el Fe2O3 en solución (positivo) Contenido en 10 ml de la mezcla mg de Fe2O3 mg de As2S3 0,61 20,3 6,08 16,6 9,12 14,5 15,2 10,4 24,3 4,14 27,4 2,07

Aspecto de la Solución Turbio Precipitado Precipitado Precipitado Turbio Invariable

Carga de las micelas Negativa Negativa Sin carga Positiva Positiva Positiva

ACCIÓN PROTECTORA Para aumentar la estabilidad de los coloides hidrófobos, frente a los electrólitos de carga contraria, es común agregarles una pequeña cantidad de un coloide hidrófilo, cuya acción protectora se explica por uno de estos dos caminos o las partículas del primero son envueltas por las del segundo, aislándolas de las cargas del electrolito de signo contrario y, por consiguiente, evitando su neutralización, o bien el hidrófobo se adsorbe sobre el hidrófilo, reduciendo su libertad de acción. La acción protectora de un coloide sobre otro ha sido denominada por Zsigmondy número de oro, entendiéndose por tal la cantidad mínima de coloide protector, expresada en miligramo, que es necesario agregar a 10 ml de una solución de oro coloidal rojo para impedir que su color vire hacia el azul violáceo cuando se le agrega 1 ml de NaCl al 10%.

PRECIPITACIÓN DE LOS COLOIDES HIDRÓFILOS La estabilidad de los coloides hidrófilos depende de su grado de hidratación. Por ello, para hacerlos precipitar se impone, como paso previo,

la desaparición de la envoltura acuosa que se interpone entre la micela y la sustancia precipitante, lo que se consigue agregando a la solución una cierta cantidad de electrolito que, en lugar de actuar conforme a la regla de Hardy-Schulze, lo hace de acuerdo con su naturaleza en un orden determinado, conformando lo que se ha dado en llamar la serie de Hofmeister que, para los casos en que se quieren precipitar micelas de soluciones neutras o ligeramente alcalinas, adoptan la siguiente disposición: Aniones: SCN < I < NO < Cl < Acetato < Fosfato < SO 4 < Tartrato < Citrato Cationes: Cs < Rb < K < Na < Li < Ba < Sr < Ca < Mg De acuerdo con esta ordenación, los iones más activos son el citrato y el magnesio y los menos activos, el sulfocianuro y el cesio. •

Preparación y usos de los c oloides.