PREPARACIÓN DE SITEMAS 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 ultimas 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.

Filtración y ultrafiltración: Con experimentos simples de filtración que muchos coloides pasan a través de papeles filtros comunes. Las partículas no son retenidas ni aun por las clases más finas de papel filtro. Los filtros finos tienen un diámetro de poro de 0.0009-0.0016 mm; puesto que las partículas del sol de sulfuro arsenioso, al igual que las del hidróxido férrico, plata, gelatina, albúmina y otros coloides, pasan a través de estos filtros se nota que dichas partículas son más pequeñas que los poros del filtro.
Si las partículas corren a través de un filtro, son más pequeñas que los poros, y si son retenidas no se puede concluir en que son más grandes que los poros, ya que algunas veces pueden ser absorbidas en las superficies del filtro, y así ocluir los poros; en ese caso, se estudiarán las partículas de la sustancia filtrada, y si difiere de la solución original, se dirá que son mas gruesas que los poros del filtro.
Las partículas coloidales, son mas o menos completamente retenidas por ultrafiltros, es decir, filtros extremadamente finos cuyas membranas son geles sólidos. La estructura de la membrana es la misma que la del papel, pero el tamaño del poro es mucho más pequeño. Uno de los mejores materiales “ultrafiltro” es el papel celofán, a través de este la filtración es muy lenta, pero luego de cierto tiempo, el líquido penetra una membrana y una gota de líquido es formada debajo del celofán, finalmente el examen de estas gotas dirá si las partículas penetran en la membrana o no. Otro buen material para hacer ultrafiltros es el es el colodión, que es una solución 4% de nitrocelulosa en una mezcla de alcohol y éter; los filtros de vidrio poroso o los crisoles de porcelana no esmaltada son los mejores soportes para las membranas de colodión. Estas son formadas en la evaporación parcial de la mezcla alcohol-éter; el colodión es prácticamente es vertido en un filtro de vidrio poroso o filtro crisol, a un espesor de varios mm y aguardado hasta que se solidifica. Otro método es el de impregnar papel filtro con colodión, el tamaño de los poros de este ultrafiltros depende del grado de secado de la capa de colodión, mientras más seca, más pequeños son los capilares.
Existen sustancias como las dextrinas, que penetran los ultrafiltros muy lentamente, se las conoce como semicoloides.

Difusión y diálisis:Es muy difícil realizar procesos de difusión en soluciones, por eso Graham propuso observar la difusión en jaleas. La difusión de las jales está relacionada con la ultrafiltración y la diálisis; esta ultima se basa en el hecho de que la gran mayoría de las sustancias en solución verdadera pasan a través de una membrana, mientras que las partículas coloidales son retenidas. La membrana es un gel con poros tan diminutos que solamente sustancias micromoleculares pueden pasar; por esto a través de este método se puede estimar el tamaño de las partículas.
Sin embargo, el objetivo de la diálisis es liberar a un sol de los electrolitos que lo acompañan y de otras impurezas micromoleculares, los aparatos utilizados para realizar estas tareas se llaman dializadores.
La diálisis también es promovida por medio de una corriente eléctrica la cual arrastra a los iones micromoleculares fuera del sol, en esta denominada electrodiálisis se facilita la separación de los electrolitos por medio de un campo eléctrico. Se efectúa en un aparato que consta de tres compartimentos: el compartimento central esta separado de cada compartimento exterior por una membrana semipermeable, el sol es vertido dentro del compartimento central, y a través de las otras dos celdas fluye agua destilada; los dos electrodos, se insertan dentro de las celdas exteriores cerca de las membranas, el potencial eléctrico creado atrae a todos los iones micromoleculares a través de las membranas hacia el agua. Por medio de esta elctrodialización es posible en un corto tiempo, liberar coloides de electrolitos micromoleculares.

Floculación o coagulación de los coloides: La coagulación o floculación de los coloides es el aumento del tamaño de las partículas en un sol, por el cual generalmente se enturbia y hasta puede precipitarse. Hay muchas maneras de producir la coagulación, una de ellas es la acción de los electrolitos, también esta la radiación y el calor. Algunos soles son muy estables a la acción de electrolitos, mientras que otros pueden ser floculados muy fácilmente.
Se han realizado muchos experimentos sobre los efectos precipitantes de varios electrolitos sobre diferentes soles; los resultados dependen de las condiciones en que se efectúan, pero se pueden sacar dos conclusiones: primero, el ion que produce la precipitación de un sol es aquel cuya carga es de signo opuesto al de las partículas coloides; segundo, el efecto precipitante aumenta notablemente al aumentar la valencia del ion.
Cuando se agrega una sustancia liófila a un sol liófobo, este se vuelve menos sensible al efecto precipitante de los electrolitos; este es un ejemplo de acción protectora, siendo la sustancia liófila un coloide protector. Entonces el coloide protector confiere a los soles liófobos estabilidad en presencia de electrolitos.

PROPIEDADES ÓPTICAS DE LOS COLOIDES

El efecto Tyndall

Cuando la luz viaja en un medio en el cual están presentes partículas discretas, sean del tamaño que sean, éstas interactúan con la luz y la desvían, o dispersan. Las interacciones que dan origen a la dispersión son las que se conocen como fuerzas de dispersión o fuerzas de London (fuerzas debidas a dipolos inducidos; en este caso, los dipolos son inducidos por el campo eléctrico fluctuante de la luz).

Cuando las partículas son de tamaño molecular, la dispersión producida es muy pequeña. No así para partículas coloidales, las cuales presentan un efecto de dispersión fácilmente medible. A este efecto se le llama efecto Tyndall. El efecto Tyndall constituye un modo de discriminar fácilmente entre una solución verdadera y una dispersión coloidal: la dispersión coloidal permite observar la trayectoria de la luz a su paso debido a la dispersión, mientras que la trayectoria de un rayo de luz que atraviesa una solución verdadera será prácticamente invisible.

Los tratamientos teóricos de la dispersión debida a partículas pueden clasificarse en cuatro tipos:

  1. Dispersión de Rayleigh
  2. Dispersión de Rayleigh-Gans-Debye (RGD)
  3. Dispersión de Mie
  4. Difracción de Fraunhofer
La dispersión de Rayleigh se aplica a partículas mucho menores que la longitud de onda incidente, por lo cual pueden considerarse como dispersores puntuales. No nos ocuparemos de la difracción de Fraunhofer, debido a que dicha dispersión se aplica mejor a partículas mayores que el intervalo coloidal.

El efecto Tyndall da origen a dos tipos de mediciones basadas en la luz dispersada:

  • Turbidimetría
  • Dispersión de luz
ya sea que se basen en la intensidad de luz transmitida a lo largo o a diversos ángulos de la trayectoria del rayo incidente. Dichas técnicas son muy usadas para determinar tamaños de partícula y se explican a continuación.

Turbidimetría

En este caso se mide la intensidad transmitida a lo largo de la trayectoria del haz de luz incidente y se interpreta de acuerdo a una ecuación del tipo Lambert-Beer. En lugar de calcular la absorbancia, se calcula la turbidez, también llamada turbiedad, de la dispersión. Este tipo de medición se ubica dentro del tratamiento de dispersión de Rayleigh. La medición de turbidez constituye una prueba de rutina en el aseguramiento de la calidad del agua, y también puede usarse para estimar pesos moleculares.

Dispersión de luz

Si lo que nos interesa es la intensidad de luz dispersada a diversos ángulos del haz incidente, tenemos las opciones de fijar el ángulo para medir la intensidad, o de medir la dependencia de la intensidad dispersada de acuerdo al ángulo. Si fijamos el ángulo, normalmente a 90° el instrumento usado se llama nefelómetro y en principio permite la medición de pesos moleculares de macromoléculas en solución muy diluida.

En el caso de que midamos la dependencia de la intensidad dispersada con respecto al ángulo de dispersión (esto es, la función radial de dispersión), tenemos que ver cuál teoría es la más apropiada, RGD o de Mie. Si las partículas de interés se encuentran en el intervalo de aproximadamente 10 a 100 nm, el patrón de dispersión no será simétrico. Esto posibilita el cálculo del tamaño de partícula. También es posible comparar la función radial de dispersión observada contra patrones calculados teóricamente para diversas formas de partícula.

Si las partículas son de tamaño comparable a la longitud de onda incidente, la teoría de Mie es la indicada. El patrón de dispersión se vuelve extremadamente complicado. Los cálculos son muy complejos, por lo cual es indispensable tener una computadora programada con los algoritmos necesarios. En principio, es posible determinar no sólo pesos moleculares promedio, sino la distribución de pesos moleculares. Por desgracia, los algoritmos actuales sólo permiten el cálculo de distribuciones suponiendo que las partículas son esféricas. Está de más decir que los sistemas coloidales reales rara vez tienen formas que se aproximen siquiera a la forma esférica, siendo las excepciones algunas proteínas globulares. Claro que en el caso de las proteínas la determinación de la distribución de pesos moleculares tiene poco valor, porque éstas deben ser monodispersas.