Cátedra de Química General e Inorgánica Prof. Dra. Susana Llesuy Coloides.

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1 Cátedra de Química General e Inorgánica Prof. Dra. Susana Llesuy Coloides

2 Mezcla Soluto Solvente Soluto Solución Heterogéneas (soluciones coloidales y suspensiones) Homogéneas ( soluciones verdaderas)

3 Historia Francesco Selmi (1843),, fue el primero en estudiar los coloides, preparó soluciones coloidales de azufre, azul de Prusia y caseína,; llegó a la conclusión de que estas no eran soluciones verdaderas, sino suspensiones en agua de pequeñas partículas. Thomas Graham (1861): investigó la difusión de diferentes sustancias encontrando que algunas tenían alta velocidad de difusión, pero otras lo hacían muy lentamente. De acuerdo a la velocidad de difusión, clasificó a las sustancias en dos grupos: cristaloides y coloides, los primeros podían ser fácilmente cristalizados, mientras que los coloides no. La diferencia entre ambos era mayor si la sustancia era disuelta en agua y separada del solvente puro por una membrana semipermeable, los cristaloides pasarían a través de la membrana, mientras que los coloides no (diálisis). Michael Faraday:, preparó soluciones estables de oro coloidal en 1857.Fue el primer nanomaterial creado. También estudió algunas de sus propiedades ópticas. Observó que un haz de luz al pasar al pasar a través del sol de oro, aparecía como una trayectoria blanca; esto era causado por las partículas de oro, que dispersaban la luz Schulze: trabajó en la estabilidad de los coloides, demostrando que estos podían ser precipitados muy fácilmente. Freindlich: investigó los fenómenos de adsorción y estableció la “Ley de adsorción”, en 1903. Siedentopf y Zsigmondy : inventaron el ultramicroscopio. Smoluchowsky (1906), Svedberg (1906), Perrin (1908) y Einstein (1908): realizaron importantes descubrimientos sobre el tamaño y movimiento de las partículas coloidales.

4 Adsorción Adsorción: es el fenomeno de superficie en donde se observa un proceso mediante el cual un sólido poroso (a nivel microscópico) es capaz de retener partículas de un fluido( liquidos o gases) en su superficie tras entrar en contacto con éste. No debe confundirse con absorción que es la penetración de una sustancia dentro de otra. Los adsorbentes son sustancias con gran superficie activa. Ej: carbón activado que adsorbe colorantes, silica gel adsorben vapores de agua, hidróxido de aluminio adsorbe partículas en suspensión en estado coloidal para purificar agua de rio, tierras de Fuller, tierras de infusorios, bentonitas para purificar vinos.

5 Concepto de dispersión

6 Que es un coloide? solucióncoloidesuspensión Mezcla homogénea partículas: molecular ( 0,1-1 nm) Mezcla heterogénea partículas: visible de 1000 nm o mayores partículas: invisibles, quedan suspendidas Tamaño 1- 1000 nm

7 Coloides: Definición Un coloide es un sistema formado por partículas de una sustancia finamente dividida (fase dispersa) en una fase macroscópica continua (fase dispersante). Concepto de coloide :Soluciones viscosas, lentamente difusibles, que no atraviesan membranas semipermeables (Graham, 1861).

8 Diferencia entre disoluciones y sistema coloidal Molécula soluto Molécula solvente Solución verdadera o cristaloide Fase dispersa Fase dispersante (continua) Solución coloidal

9 Diferencia entre suspension y coloide Suspension En este coloide, las partículas de SiO 2 que tienen carga (–), genera repulsion

10 Propiedad Solución Coloide Suspensión Tamaño de partícula 0.1-1.0 nm 1-100 nm > 100 nm Homogeneidad Es homogénea En el límite Es heterogénea Acción de la gravedad No sedimenta Puede sedimentar sedimenta Filtrabilidad Pasa papel Pasa papel Se separa de filtro de filtro mediante papel ordinario ordinario filtro ordinario. Dispersión de la luz No dispersa la luz Dispersa la luz Dispersa la luz Ejemplo de la vida salmuera, agua albúminasangre Cotidiana azucarada Diferencia entre suspension y coloide

11 Coloides Los coloides constituyen un grupo heterogéneo e incluyen: Partículas de sólidos (Au°, AgCl) Macromoléculas (proteínas, ácidos nucleicos, polisacáridos) Agregados moleculares (micelas) Organismos (virus) Emulsiones (dispersiones W/O y O/W).

12 Clasificación 1- según el estado de agregación de fase dispersa y dispersante. 2- según la estabilidad 3- según la afinidad de fases

13 Fase dispersa (soluto) Medio de dispersión (solvente) Tipo de dispersión Ejemplos GasenGas Liquido Sólido ----- Espuma ------ Olores Crema batida, espuma de afeitar Esponja, piedra pómez, pan LiquidoenGas Liquido Sólido Aerosol Emulsión Gel Nieblas, spray, nubes Leche, mayonesa, crema Gelatina, queso, mantequilla SólidoenGas Liquido Sólido Aerosol sólido Sol ------ Humo, partículas en suspensión Leche de magnesia, pintura Gemas coloreadas, vidrios de colores 1. Clasificación de los coloides según el estado de agregación de fase dispersa y dispersante

14 Geles Se denominan geles a los coloides transparentes, ricos en líquidos, de naturaleza semisólida. Cuando se coagula un coloide liófilo se puede obtener una masa semirrígida gelatinosa que incluye toda la fase dispersante. Se dividen en: -Irreversibles (gel de silice) -Reversibles

15 Geles Reversibles: Tixotropía Se denomina tixotropía al fenómeno mediante el cual los geles reversibles pueden pasar al estado de Sol cuando se los agita vigorosamente y vuelven al estado de gel en reposo. Gel Sol agitación reposo Cuando la gelatina está dispersa en agua caliente forma lo que se llama sol. Al enfriarse forma un gel, un líquido disperso en un sólido, en este caso las partículas coloidales de gelatina están en contacto entre sí formando una red tridimensional, la cual engloba al líquido, como en albercas microscópicas.

16 2. Clasificacion en base a la estabilidad Cinética Termodinámica (TD) Dispersion coloidal TD inestables Elevada area interfacial Factores que previenen la agregación de las partículas : DOBLE CAPA ELECTRICA Las partículas tardan mucho tiempo en agregarse y sedimentarse Disolución de macromoléculas : TD estable Coloides asociados: TD metaestables, se forman por reducción del área superficial Estabilidad

17 3. Clasificación de los coloides en función de la afinidad de fases LiófilosLiófobos Alta afinidad por la fase dispersante Ej: gelatina en agua Baja afinidad por la fase dispersante Ej: AgCl en agua (Termodinámicamente estables) (Termodinámicamente inestables)

18 3- Clasificación de los coloides cuando la fase dispersante es agua Hidrófilos Hidrófobos Las moléculas como las proteínas se orientan con su parte hidrofílica hacia el agua logrando una interacción favorable. Las partículas se agrupan entre si, estabilizándose por adsorción de cargas en su superficie o por la presencia de grupos hidrofílicos. Ej: Los jabones (poseen una cabeza polar y un cuerpo hidrofóbico)

19 Base molecular de la formación de coloides La agregación de moléculas para formar partículas de tamaño coloidal obedece a fuerzas intermoleculares Atracción electrostática Puente de hidrógeno Atracciones de dipolos permanentes (Van der Waals) Atracciones de dipolos inducidos (London)

20 Preparación de coloides DisgregaciónCondensación Molino coloidal Emulsificación Peptizacion Suspensión Proceso Bredig Ruptura de las partículas grandes hasta alcanzar el tamaño coloidal Se promueve la agregación de las partículas desde el estado de disolución Cantidad de sustancia Viscosidad Facilidad de incorporación a la red cristalina (proteinas) Adsorción de impurezas sobre la superficie Agregación partícula-partícula. Por oxidación Por reducción Por hidrólisis

21 Disgregación - Molino coloidal Una serie de discos separados por espacios muy pequeños que giran a gran velocidad y en sentidos opuestos. Se hace pasar a través del molino el medio dispersante junto a la sustancia a dispersar, a veces con alguna algún agente estabilizante. Al cabo de un tiempo se obtiene la solución coloidal estabilizado.

22 Disgregación - Peptización La disgregación de partículas grandes, en otras más pequeñas, también se puede obtener mediante reactivos químicos; por ejemplo, una disolución acuosa de hidróxido sódico puede disgregar los granos de arcilla hasta producir una dispersión coloidal. Este proceso se llama peptización, y el activo químico que la produce, agente peptizante. La disgregación de partículas grandes, en otras más pequeñas, también se puede obtener mediante reactivos químicos; por ejemplo, una disolución acuosa de hidróxido sódico puede disgregar los granos de arcilla hasta producir una dispersión coloidal. Este proceso se llama peptización, y el activo químico que la produce, agente peptizante.

23 Disgregación - Proceso Bredig Algunos los llaman método de desintegración eléctrica y se emplea para obtener soles de metales en estado coloidal; por ej: se puede usar para obtener un sol de plata en agua. Algunos autores cuestionan que este método sea de desintegración, pues sostiene que la plata, a altas temperatura del arco voltaico, primero se volatiliza y luego en contacto con agua fría se condensa en partículas del tamaño coloidal, por esos motivos se lo puede considerar dentro de los métodos condensación.

24 Condensación - Por oxidación Sulfuro de hidrogeno con oxigeno del aires se obtiene azufre colidal que transcurren con la siguiente ecuación. SH 2 + ½ O 2 Scoloidal + H 2 O

25 Condensación - Por reducción Reduciendo un compuestos áurico ( Au 3+) como ser el cloruro áurico (AuCl 3 ) mediante un reductor adecuado se puede obtener oro coloidal. Se esquematiza Cl 3 Au Au coloidal En el del siglo XIX, el Oro Coloidal fue com ú nmente usado en los Estados Unidos para aliviar el deseo incontrolable de alcohol, y hoy se utiliza para atenuar la dependencia al alcohol, cafe í na, nicotina, y carbohidratos.

26 Condensación - Por hidrolisis Por medio de una sal cloruro ferrico (Cl 3 Fe) se puede obtener un sol de hidróxido de férrico coloidal en agua Cl 3 Fe 3 Cl - + Fe 3+

27 Separación de sustancias en solución verdadera de las soluciones coloidales o separación de las partículas coloidales del medio dispersante. Dialisis /electrodialisis Ultrafiltración Intercambio iónico Adsoción competitiva Sedimentación y centrifugación Purificación de coloides

28 Destrucción de los coloides La coagulación es método de desestabilizar los coloides generando partículas macroscópicas. Fe 2 O 3, coloidal, color rojo, obtenido por adición de FeCl 3 (aq)a agua hirviendo. Al agregar Al 2 (SO 4 ) 3 (aq), las partículas coagulan rápidamente formado un precipitado,Fe 2 O 3 (s)

29 Propiedades de la solución coloidal Propiedades eléctricas: Poseen carga eléctrica (potencial de superficie) que es esencial para la estabilidad de la dispersión. Propiedades cinéticas : movimiento browniano. Propiedades ópticas: efecto Tyndall.

30 Las partículas coloidales tienen carga eléctrica y se encuentran rodeadas de iones con la carga eléctrica opuesta, los contraiones. Se genera una doble capa eléctrica. Las partículas coloidales adquieren su carga eléctrica por (a) ionización, (geles, proteínas, ácidos nucleicos, polisacáridos, micelas) o (b) adsorción de iones (AuO, AgCl, emulsiones O/W ). Propiedades eléctricas Polimeros adsorbidos en su superficie generan dificultad para el acercamiento de otra (estabilidad estérica) Las cargas eléctricas establecen una repulsión entre las partículas que las hace estables. Las particulars pueden permanecer suspendidas de forma indefinida

31 Propiedades cineticas ( movimiento browniano) Las partículas coloidales son bombardeados por moléculas del medio de dispersión y por su pequeño tamaño y masa se mueven de manera efervescente. Este movimiento se creia debido a materia viva, pero Brown en 1827, mostró que la materia inerte también exhibía este fenómeno. Este movimiento constante y desordenado les impide a los coloides sedimentarse, aunque las partículas sean mas densas que el liquido que las rodea.

32 Propiedades opticas (efecto Tyndall) Las partículas coloidales dispersan los rayos de luz haciéndose visibles a manera de puntos brillantes. Esta propiedad se usa como base para medir la turbidez del agua o la concentración de partículas coloidales en un líquido

33 Aplicaciones de coloides en farmacia y bioquímica Industria cosmética y farmacéutica las emulsiones, los aerosoles y los geles son formas farmacéuticas muy utilizadas. Soluciones de macromoléculas (proteínas, anticuerpos, antígenos, ácidos nucleicos, polisacáridos, polímeros conteniendo drogas). Drogas que forman coloides micelares. Emulsiones O/W para alimentación parenteral Micelas con componentes farmacológicamente activos. Virus y bacterias inactivados o atenuados como vacunas. En la Farmacopea Argentina existen tres preparaciones con Ag° coloidal y el magma de hidróxido de aluminio.

34 Coloides típicos - Proteinas Moléculas muy grandes forman soluciones coloidales Conformación en 3 dimensiones, estructura terciaria Animoácidos hidrofóbicos en puntos internos Aminoácidos hidrofílicos con puntos externos

35 Coloides tipicos - Surfactantes Sal formada por una base fuerte y el acido graso Cabeza hidrofilica Cuerpo hidrofobico A baja concentración (50 - 200 mM) producen una marcada disminución de la tensión superficial.

36 Accion limpiadora del jabon 12.8

37 Las cabezas polares pueden generar puentes de hidrógeno con el agua Fuerzas de dispersion entre las colas hidrofobicas Formación de micelas Las micelas son estables cinéticamente e inestables termodinamicamente. A mayor concentración (1 - 5 mM) forman estructuras relativamente estables, llamadas micelas.

38 Micelas e interés farmacéutico Las micelas poseen un medio interior hidrofóbico Las micelas secuestran moléculas hidrofóbicas (con acción farmacológica) en el interior de la micela. Drogas, que son moléculas anfipáticas grandes ( ) en solución forman agrupamientos moleculares (micelas o microemulsiones). La formulación como microemulsión para la ciclosporina (CP) tiene mejor biodisponibilidad. [CP] plasma tiempo CP - suspensión CP - microemulsión

39 Micelas de interés fisiológico Las micelas digestivas (A) y las lipoproteínas (B) son micelas fisiológicas ácidos grasos sales biliares triglicéridos A fosfolípidos colesterol apoproteína B-100 Esteres de colesterol B lipoproteína plasmática de baja densidad (LDL)

40 Bibliografía Chang R. Química. 9 na edición. Ed Mc. Graw Hill. 2007. sllesuy@ffyb.uba.ar