Coloides: qué, dónde y para qué
2003/01/01 Aranberri, Ibon - Kimikan doktorea Iturria: Elhuyar aldizkaria
¿Qué tienen en común los helados, el cemento, el humo, la cerveza, el vaquero y los pesticidas? Estos y otros productos químicos que utilizamos a diario son los coloides. Todos los coloides están formados por un médium homogéneo y pequeñas partículas dispersas o dispersas en él. Otros coloides que cualquiera conoce son la mantequilla, la sangre y el papel.
La ciencia de los coloides estudia sistemas químicos de dimensiones intermedias entre micrómetros (1 m = 10 -6 m) y nanómetros (1 nm = 10 -9 m), es decir, entidades químicas desde las partículas agregadas más pequeñas hasta los átomos o moléculas más grandes.
Aunque, en general, tiene mucho que ver con la química y la química física, la ciencia de los coloides es una investigación interdisciplinar. A menudo los coloides son muy complejos y los estudios que se realizan para comprender bien sus características no son tan precisos como los científicos deseaban. Tal vez sea un sistema complejo y que sea ciencia de diferentes campos, durante muchos años y todavía lo es, la mayoría de las escuelas y universidades no han sido expuestas.
Coloides de diferentes tipos y tamaños
W. Ostwald XX. La primera clasificación exacta de los coloides se debe al científico ganador del premio Nobel a principios del siglo XX. Por primera vez, todos los coloides se establecieron en forma de dispersión, y el científico ruso alemán decidió clasificarlos por tamaños. Considera que las dispersiones se pueden clasificar en tres grandes grupos: partículas y agregados mayores de 10 -7 m, como el barro; dispersiones coloidales de 10 -7 -10 -9 m; y dispersiones moleculares menores de 10 -9 m.
En la actualidad también se consideran coloides los sistemas de 2x10 -7 -5x10 -7 m. Por lo tanto, como se decidió a principios del siglo pasado, los coloides son más grandes que las moléculas de agua, hidrógeno o azúcar, pero más pequeños que las células sanguíneas y las bacterias.
El premio Nobel Staundiger, en lugar de hacerlo por medida, tuvo en cuenta el número de átomos de los coloides a la hora de clasificarlos. Staundiger cree que una partícula de coloides debería contener al menos mil átomos. Una molécula de agua tiene tres átomos y, por supuesto, no es un coloide. Una molécula de azúcar que da la planta de cana tiene 45 átomos, que tampoco es coloide.
El peso molecular de una molécula orgánica de mil átomos es de unos 10.000 g/mol, y si estos se colocaran alrededor de una esfera formarían una partícula de 0,5-2 nm. Según Staundiger, por tanto, los coloides deberían tener entre 10 3 y 10 9 átomos.
EXTENSION DE DISPERSIÓN / 10 -9 mDiámetro del grano de cuarzo 50.000-20.000 mDiámetro de la célula sanguínea humana7500 Diámetro de la bacteria Bacilus Coli 1500Diámetro de la partícula del coloide de azufre 50-500Dimensiones del virus de la gripe 120Diámetro de la partícula del coloide de oro 1-100 Dimensiones de la molécula elemental de dispersión de oxígenoColoides más importantes: emulsiones
Como hemos visto al principio, los coloides pueden ser muy variados. Quizá los más utilizados en la industria son las emulsiones. Una sociedad sin emulsiones sería hoy inimaginable: muchos medicamentos, asfalto, mantequilla, pasta de dientes, cremas corporales, productos agrícolas, etc. son emulsiones. Al tratarse de un grupo grande, la comprensión de las características físico-químicas de las emulsiones es de gran importancia para la vida cotidiana.
Las emulsiones son dispersiones entre dos líquidos insolubles, termodinámicamente inestables. Normalmente uno de los dos líquidos es el agua y el otro cualquier otro que no sea soluble en agua, que generalmente definiremos como aceite. Las emulsiones pueden ser, por tanto, gotas de aceite dispersadas en agua (o/u, por ejemplo, leche) o gotas de agua dispersadas en aceite (u/o, por ejemplo, mantequilla). Tanto o como u/o el diámetro de las gotitas de emulsión es de unos 5-10 m. En nuestra vida diaria predominan las emulsiones o/u, de las que se informará.
Como ambos líquidos son insolubles, necesitamos algún agente de emulsión para obtener gotas de emulsión, es decir, surfactantes (en inglés SURface ACTive AgeNT). Los surfactantes son moléculas anfílicas, es decir, están formados por una cabeza hidrófila que quiere unirse al agua y una cola hidrófoba que quiere unirse al aceite. Por tanto, las colas hidrófobas se orientan hacia la gota de aceite y las cabezas hidrófilas hacia el agua (ver dibujo 1). Así, gracias a esta singular estructura, los surfactantes tienen la habilidad de reducir la tensión superficial y rodear las gotas. En mezclas de aceite de agua sin surfactante, la tensión superficial es muy alta y en muy poco tiempo las gotas de aceite se unirían y quedarían dos fases completamente diferentes. En general, los aceites usados son más ligeros que el agua, por lo que la fase de aceite se iría elevando y en la parte superior se vería la capa de aceite.
Como ya se ha comentado anteriormente, estas dispersiones son termodinámicamente inestables, es decir, cuando el aceite, el agua y los surfactantes se ponen a la vez, las gotas de aceite no se generan espontáneamente. Para ello es necesario suministrar energía al sistema. El objetivo de esta energía es aumentar la interfase oleo-agua en la unidad de volumen de aceite. Cuantas más gotas hagamos, más pequeñas serían, añadiendo la interfase agua-aceite y obteniendo una emulsión más estable. La fuente de energía más optativa para la formación de gotas es el agitador, o similar. Por lo tanto, seríamos capaces de preparar una emulsión seleccionando los aceites, aguas y surfactantes adecuados y utilizando la energía necesaria.
El futuro de la ciencia de los coloides
Existen coloides de diferente tamaño y aspecto en la naturaleza, ya que los coloides no son sólo partículas pequeñas, sino entidades químicas con estructuras moleculares y grupos funcionales diferentes. También se ha demostrado que los sistemas coloides son capaces de resolver problemas que no pueden resolverse con moléculas convencionales. Este principio no es nuevo, ya que la naturaleza lo ha utilizado en millones de años. Uno de los ejemplos más sorprendentes es la estructura de nuestro pelo: las moléculas de queratina se añaden a distintos niveles hasta completar el pelo. Si comparamos las fibras fabricadas por la naturaleza con las fabricadas por el hombre, las primeras presentan propiedades mucho mejores. Otro ejemplo ilustrativo es nuestra piel. Aunque la estructura es muy conocida (agua, colágeno y algún ácido), hasta ahora no se ha encontrado material sintético tan duro, elástico y suave.
Los expertos están investigando sobre la síntesis de composites de materiales compuestos de polímeros y coloides como la piel o otros tejidos corporales. Está claro que todavía queda mucho trabajo por hacer y, sin duda, el XXI. Una de las ramas de la ciencia que más se desarrollará en el siglo XIX será la química de los coloides.
Contornos PARTICULARESOLOIDE-SISTEMASSasNieblas, aerosolSólidosPolvo, aerosolSolePolvo, aerosolévévÃsÃsÃsÃsÃsñosSolidificación, aerosoles, Solemos,SolidificosñosEjemplos de Inversias.Datos históricos destacables
El uso de los coloides es tan antiguo como las primeras civilizaciones. Para obtener la tinta de pintar, por ejemplo, los egipcios añadían a las dispersiones de carbono negro en el agua la goma natural del árbol de acacia o el albúmina de la clara de huevo. Las suspensiones de oro eran conocidas por los alquimistas medievales que bebían como elixir de la vida.
F. Selmi (1843) fue el primer investigador que estudió sistemáticamente los coloides. A pesar de los intentos de disolver partículas de azufre y proteínas de leche caseína, aparecían varias veces suspensiones de partículas pequeñas. Los primeros experimentos para investigar las principales características de los coloides fueron realizados por el científico inglés Graham en 1861. Por un lado, se percató de que los pequeños iones de sal y moléculas de azúcar se movían rápidamente y de que podían pasar fácilmente una membrana sumergida en el agua. Por otra parte, descubrió que las albúminas y gelatinas se movían muy lentamente y que su tamaño era mayor que los agujeros de la membrana. La palabra “coloide” fue su idea; kolla significa cola en griego y descubrió que los coloides actuaban como colas. Como consecuencia de estos primeros experimentos, por primera vez los coloides comenzaron a clasificarse por medida.
Quizá las primeras observaciones más importantes sean M. Fueron realizados por Faraday en 1857. Este científico británico se propuso durante muchos años estudiar las características ópticas de los coloides, siendo las soluciones más trabajadas las de las partículas de oro. Después de hacer atravesar una solución de oro a un rayo de luz, por un lado, la solución era blanquecina. Con esta observación, Faraday detectó rápidamente que las partículas de oro, al igual que todos los coloides, dispersaban la luz. Otra diferencia entre los coloides y los iones salinos (Na+, Cl-) es que los iones no dispersan la luz, pero sí los coloides.
XX. A principios del siglo XX muchos científicos siguieron estudiando los coloides, y entre todos quizás el más conocido fue A. Einstein. Este científico alemán investigó, entre otras muchas cosas, el tamaño de los coloides, el movimiento browniano y la reología. Sobre todo en esta última, realizó sus esfuerzos más destacados, logrando explicar la viscosidad de las dispersiones coloidales con la ecuación que lleva su nombre.
A mediados del siglo pasado se desarrollaron las primeras técnicas de análisis del tamaño y peso molecular de los coloides. También se inventaron técnicas para el estudio de la viscosidad de las dispersiones coloidales, análisis de rayos X, electroforesis, etc. Quizá desde que se conocen bien los coloides, uno de los grandes inventos ha sido el microscopio electrónico. El primero se desarrolló entre 1932 y 1940, siendo pioneros alemanes, británicos y norteamericanos.
La importancia de los coloides en la industria y la sociedad
Hoy en día, la ciencia de los coloides tiene una gran importancia en cualquier aplicación. En los medios de producción utilizados en la industria petrolera, en los medicamentos, en los lácteos, en las pinturas, etc., es obligatorio comprender bien la química de los coloides.
Una de las áreas más importantes de los coloides es la química de los alimentos. Existen decenas de alimentos compuestos por coloides como leche, mantequilla, queso, salsas de todo tipo, mayonesa y helados. La empresa británica holandesa Unilever vende 500 millones de litros de helados cada año.
Las características de los coloides también tienen mucho que ver en la industria textil. La química superficial y la mojadura de los tejidos son muy importantes en los procesos de teñido. En fotografía, impresoras y cerámica también predominan los coloides.
Dos ejemplos importantes son los productos agrícolas y la medicina. En la primera, la fertilidad de la tierra está asociada a la abundancia de coloides. Cuanto más arcillas y humus tenga la tierra, más agua resistirá y, por tanto, las plantas tendrán más nutrientes. Si en lugar de usar coloides se utilizaran partículas mayores o agregadas, la tierra no aguantaría el agua con tanta facilidad y se secaría rápidamente. Por otro lado, si usáramos sales inorgánicas, se meterían en el suelo hasta el fondo y las plantas no tendrían posibilidad de sorber.
Otros muchos ejemplos los podemos encontrar en biología. La sangre es una compleja solución de coloides. Nuestra piel, nuestros músculos y diversos tejidos musculares del cuerpo tienen estructuras tipo gel, formadas por coloides. Quizá las moléculas más importantes que podemos encontrar en el cuerpo de cualquier animal son las proteínas, que, como se sabe hoy en día, cumplen todas las características de los coloides en sus soluciones. En los últimos años se ha demostrado que la forma de las proteínas que tenemos en nuestro cuerpo es absolutamente determinante. Por ejemplo, los colágenos y los huesos de la piel son moléculas constructivas con forma alargada. Las proteínas que se encuentran en sangre y leche tienen forma globular. Está claro que las moléculas largas están pensadas para construir estructuras más grandes, ya que si se encontraran en fluidos móviles, como la sangre, podrían cerrar cualquier capilar con facilidad.
BIBLIOGRAFÍA
- Kaoru Tsujii Surface Activity, Principles, Phenomena and Applications . Academic Press (1998).
- Eric Dickinson An Introduction to Food Colloid s. Oxford Science Publications (1992).
- D. J. Introduction to Colloid and Surface Chemacer. 4th Ed, Butterworth-Heinemann Ltd (1992).
