Los sistemas coloides son extremadamente importantes en la vida de cualquier persona. Esto se debe no solo al hecho de que casi todos los fluidos biológicos en un organismo vivo forman coloides. Pero muchos fenómenos naturales (niebla, smog), suelo, minerales, alimentos, medicinas también son sistemas coloidales.
La unidad de tales formaciones, que refleja su composición y propiedades específicas, se considera una macromolécula o micela. La estructura de este último depende de una serie de factores, pero siempre es una partícula multicapa. La teoría cinética molecular moderna considera las soluciones coloidales como un caso especial de soluciones verdaderas, con partículas más grandes del soluto.
Métodos para obtener soluciones coloidales
La estructura de una micela formada cuando aparece un sistema coloidal, depende en parte del mecanismo de este proceso. Los métodos para obtener coloides se dividen en dos grupos fundamentalmente diferentes.
Los métodos de dispersión están asociados con la trituración de partículas bastante grandes. Dependiendo del mecanismo de este proceso, se distinguen los siguientes métodos.
- Refinación. Se puede hacer en seco omanera mojada. En el primer caso, primero se tritura el sólido y solo luego se agrega el líquido. En el segundo caso, la sustancia se mezcla con un líquido, y solo después de eso se convierte en una mezcla homogénea. La molienda se realiza en molinos especiales.
- Hinchazón. La molienda se logra debido a que las partículas del solvente penetran en la fase dispersa, lo que va acompañado de la expansión de sus partículas hasta la separación.
- Dispersión por ultrasonidos. El material a moler se coloca en un líquido y se somete a ultrasonidos.
- Dispersión de descargas eléctricas. Demandado en la producción de soles metálicos. Se lleva a cabo colocando electrodos hechos de un metal dispersable en un líquido, y luego aplicándoles alto voltaje. Como resultado, se forma un arco voltaico en el que el metal se rocía y luego se condensa en una solución.
Estos métodos son adecuados para partículas coloidales liófilas y liófobas. La estructura micelar se lleva a cabo simultáneamente con la destrucción de la estructura original del sólido.
Métodos de condensación
El segundo grupo de métodos basados en el agrandamiento de partículas se denomina condensación. Este proceso puede basarse en fenómenos físicos o químicos. Los métodos de condensación física incluyen los siguientes.
- Reemplazo del solvente. Se trata de la transferencia de una sustancia de un disolvente, en el que se disuelve muy bien, a otro, en el que la solubilidad es mucho menor. Como resultado, pequeñas partículasse combinará en agregados más grandes y aparecerá una solución coloidal.
- Condensación de vapor. Un ejemplo son las nieblas, cuyas partículas pueden asentarse en superficies frías y crecer gradualmente.
Los métodos de condensación química incluyen algunas reacciones químicas acompañadas por la precipitación de una estructura compleja:
- Intercambio iónico: NaCl + AgNO3=AgCl↓ + NaNO3.
- Procesos redox: 2H2S + O2=2S↓ + 2H2O.
- Hidrólisis: Al2S3 + 6H2O=2Al(OH) 3↓ + 3H2S.
Condiciones para la condensación química
La estructura de las micelas formadas durante estas reacciones químicas depende del exceso o deficiencia de las sustancias que intervienen en ellas. Además, para la aparición de soluciones coloidales, es necesario observar una serie de condiciones que impiden la precipitación de un compuesto poco soluble:
- el contenido de sustancias en soluciones mixtas debe ser bajo;
- su velocidad de mezcla debe ser baja;
- una de las soluciones debe tomarse en exceso.
Estructura micelar
La parte principal de una micela es el núcleo. Está formado por un gran número de átomos, iones y moléculas de un compuesto insoluble. Por lo general, el núcleo se caracteriza por una estructura cristalina. La superficie del núcleo tiene una reserva de energía libre, lo que permite adsorber selectivamente iones del medio ambiente. Este procesoobedece a la regla de Peskov, que dice: en la superficie de un sólido, se adsorben predominantemente aquellos iones que son capaces de completar su propia red cristalina. Esto es posible si estos iones están relacionados o son similares en naturaleza y forma (tamaño).
Durante la adsorción, se forma una capa de iones cargados positiva o negativamente, llamados iones determinantes de potencial, en el núcleo de la micela. Debido a las fuerzas electrostáticas, el agregado cargado resultante atrae contraiones (iones con la carga opuesta) de la solución. Así, una partícula coloidal tiene una estructura multicapa. La micela adquiere una capa dieléctrica formada por dos tipos de iones de carga opuesta.
Hidrosol BaSO4
Como ejemplo, conviene considerar la estructura de una micela de sulfato de bario en una solución coloidal preparada en exceso de cloruro de bario. Este proceso corresponde a la ecuación de reacción:
BaCl2(p) + Na2SO4(p)=BaSO 4(t) + 2NaCl(p).
Ligeramente soluble en agua, el sulfato de bario forma un agregado microcristalino construido a partir del m-ésimo número de moléculas de BaSO4. La superficie de este agregado adsorbe la n-ésima cantidad de iones Ba2+. Los iones 2(n - x) Cl- están conectados a la capa de iones determinantes del potencial. Y el resto de los contraiones (2x) se encuentra en la capa difusa. Es decir, el gránulo de esta micela estará cargado positivamente.
Si el sulfato de sodio se toma en exceso, entonceslos iones determinantes del potencial serán iones SO42-, y los contraiones serán Na+. En este caso, la carga del gránulo será negativa.
Este ejemplo demuestra claramente que el signo de la carga de un gránulo de micela depende directamente de las condiciones de su preparación.
Grabación de micelas
El ejemplo anterior mostró que la estructura química de las micelas y la fórmula que la refleja está determinada por la sustancia que se toma en exceso. Consideremos formas de escribir los nombres de partes individuales de una partícula coloidal usando el ejemplo del hidrosol de sulfuro de cobre. Para prepararlo, la solución de sulfuro de sodio se vierte lentamente en una cantidad en exceso de solución de cloruro de cobre:
CuCl2 + Na2S=CuS↓ + 2NaCl.
La estructura de una micela de CuS obtenida en exceso de CuCl2 se escribe de la siguiente manera:
{[mCuS]·nCu2+·xCl-}+(2n-x)·(2n-x)Cl-.
Partes estructurales de una partícula coloidal
Entre corchetes escriba la fórmula de un compuesto poco soluble, que es la base de toda la partícula. Comúnmente se le llama agregado. Normalmente, el número de moléculas que componen el agregado se escribe con la letra latina m.
Los iones determinantes de potencial están contenidos en exceso en la solución. Están ubicados en la superficie del agregado y en la fórmula se escriben inmediatamente después de los corchetes. El número de estos iones se indica con el símbolo n. El nombre de estos iones indica que su carga determina la carga del gránulo de micela.
Un gránulo está formado por un núcleo y una partecontraiones en la capa de adsorción. El valor de la carga del gránulo es igual a la suma de las cargas de los contraiones adsorbidos y determinantes del potencial: +(2n – x). La parte restante de los contraiones está en la capa difusa y compensa la carga del gránulo.
Si Na2S se tomó en exceso, entonces para la micela coloidal formada, el esquema estructural se vería así:
{[m(CuS)]∙nS2–∙xNa+}–(2n – x) ∙(2n – x)Na+.
Micelas de tensioactivos
En el caso de que la concentración de sustancias tensioactivas (surfactantes) en el agua sea demasiado alta, pueden comenzar a formarse agregados de sus moléculas (o iones). Estas partículas agrandadas tienen forma de esfera y se denominan micelas de Gartley-Rebinder. Cabe señalar que no todos los tensioactivos tienen esta capacidad, sino solo aquellos en los que la proporción de partes hidrofóbicas e hidrofílicas es óptima. Esta relación se denomina equilibrio hidrofílico-lipofílico. La capacidad de sus grupos polares para proteger el núcleo de hidrocarburo del agua también juega un papel importante.
Los agregados de moléculas de surfactante se forman de acuerdo con ciertas leyes:
- a diferencia de las sustancias de bajo peso molecular, cuyos agregados pueden incluir un número diferente de moléculas m, la existencia de micelas tensioactivas es posible con un número estrictamente definido de moléculas;
- si para sustancias inorgánicas el inicio de la micelización está determinado por el límite de solubilidad, entonces para los tensioactivos orgánicos está determinado por el logro de concentraciones críticas de micelización;
- primero, aumenta el número de micelas en la solución y luego aumenta su tamaño.
Efecto de la concentración en la forma de la micela
La estructura de las micelas de surfactante se ve afectada por su concentración en solución. Al alcanzar algunos de sus valores, las partículas coloidales comienzan a interactuar entre sí. Esto hace que su forma cambie de la siguiente manera:
- la esfera se convierte en un elipsoide y luego en un cilindro;
- la alta concentración de cilindros conduce a la formación de una fase hexagonal;
- en algunos casos, aparece una fase lamelar y un cristal sólido (partículas de jabón).
Tipos de micelas
Se distinguen tres tipos de sistemas coloidales según las peculiaridades de la organización de la estructura interna: suspensoides, coloides micelares, coloides moleculares.
Los suspensoides pueden ser coloides irreversibles, así como coloides liófobos. Esta estructura es típica para soluciones de metales, así como sus compuestos (varios óxidos y sales). La estructura de la fase dispersa formada por suspensoides no difiere de la estructura de una sustancia compacta. Tiene una red cristalina molecular o iónica. La diferencia con las suspensiones es una mayor dispersión. La irreversibilidad se manifiesta en la capacidad de sus soluciones después de la evaporación para formar un precipitado seco, que no puede convertirse en un sol por simple disolución. Se denominan liófobos debido a la débil interacción entre la fase dispersa y el medio de dispersión.
Los coloides micelares son soluciones cuyas partículas coloidales se formanal adherirse moléculas difílicas que contienen grupos polares de átomos y radicales no polares. Algunos ejemplos son los jabones y los tensioactivos. Las moléculas en tales micelas están retenidas por fuerzas de dispersión. La forma de estos coloides puede ser no solo esférica, sino también lamelar.
Los coloides moleculares son bastante estables sin estabilizadores. Sus unidades estructurales son macromoléculas individuales. La forma de una partícula coloidal puede variar según las propiedades de la molécula y las interacciones intramoleculares. Entonces, una molécula lineal puede formar una barra o una bobina.
