MODULO IIIMODULO III
SECCION 3SECCION 3
SISTEMAS DISPERSOS SISTEMAS DISPERSOS HETEROGENEOSHETEROGENEOS
Mercedes Fernández Arévalo
SISTEMAS DISPERSOS HETEROGÉNEOSSISTEMAS DISPERSOS HETEROGÉNEOS
•• Sistemas en el que una sustancia está Sistemas en el que una sustancia está dispersadadispersada, en forma de unidades discretas, en , en forma de unidades discretas, en el seno de otra en la cuál es insoluble.el seno de otra en la cuál es insoluble.
•• Ambas sustancias pueden estar en forma de Ambas sustancias pueden estar en forma de sólido, líquido o gas.sólido, líquido o gas.
•• Son sistemas Son sistemas termodinámicamente inestablestermodinámicamente inestables
•• Componentes: Componentes:
1. Fase interna, dispersada, discontinua (FI) 1. Fase interna, dispersada, discontinua (FI)
2. Fase externa, dispersante, continua, 2. Fase externa, dispersante, continua, medio de dispersión (FE) medio de dispersión (FE)
3. Interfase 3. Interfase ((4. 4. EstabilizanteEstabilizante))
SISTEMAS DISPERSOS HETEROGÉNEOSSISTEMAS DISPERSOS HETEROGÉNEOS
CLASIFICACIÓNCLASIFICACIÓN::
1. Según afinidad por el medio de dispersión:1. Según afinidad por el medio de dispersión:
•• LiofílicasLiofílicas
•• LiofóbicasLiofóbicas
Interacción Interacción fuerte con las fuerte con las moléculas de moléculas de
la FEla FE
Interacción mucho Interacción mucho menor, estabilizándose menor, estabilizándose por otros mecanismos por otros mecanismos (cargas eléctrica,…)(cargas eléctrica,…)
SISTEMAS DISPERSOS HETEROGÉNEOSSISTEMAS DISPERSOS HETEROGÉNEOS
CLASIFICACIÓNCLASIFICACIÓN::
1. Según afinidad por el medio de dispersión:1. Según afinidad por el medio de dispersión:
•• LiofílicasLiofílicas
•• LiofóbicasLiofóbicas
2. Según el tamaño de la FI: Clasificación de 2. Según el tamaño de la FI: Clasificación de OstwaldOstwald
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CLASIFICACIÓN DE OSTWALDCLASIFICACIÓN DE OSTWALD
Dispersiones groserasDispersiones groseras
ColoidesColoides
Soluciones verdadesSoluciones verdades
Ø part. > 0.1 Ø part. > 0.1 µµµµµµµµmm
0.1 0.1 µµµµµµµµm > Ø part. > 0.001 m > Ø part. > 0.001 µµµµµµµµmm
Ø part. < 0.001 Ø part. < 0.001 µµµµµµµµmm
FIFI
SISTEMAS DISPERSOS HETEROGÉNEOSSISTEMAS DISPERSOS HETEROGÉNEOS
CLASIFICACIÓNCLASIFICACIÓN::
1. Según afinidad por el medio de dispersión:1. Según afinidad por el medio de dispersión:
•• LiofílicasLiofílicas
•• LiofóbicasLiofóbicas
2. Según el tamaño de la FI: Clasificación de 2. Según el tamaño de la FI: Clasificación de OstwaldOstwald
3. Según el estado de agregación de ambas 3. Según el estado de agregación de ambas fasesfases
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ESTADO DE AGREGACIÓN DE LA MATERIAESTADO DE AGREGACIÓN DE LA MATERIA
FE FI TIPO DE SISTEMA EJEMPLOFE FI TIPO DE SISTEMA EJEMPLO
Gas Sólido Aerosol Gas Sólido Aerosol HumoHumo
Gas Líquido Aerosol Gas Líquido Aerosol NieblaNiebla
Líquido Sólido Suspensión, sol. Líquido Sólido Suspensión, sol. colidalcolidal SuspSusp., tinta., tintaLíquido Líquido EmulsiónLíquido Líquido Emulsión LecheLecheLíquido Gas Espuma Líquido Gas Espuma E. de afeitarE. de afeitar
Sólido Sólido Sol sólido Sólido Sólido Sol sólido PerlasPerlasSólido Líquido Sólido Líquido EmulEmul. sólida Mantequilla . sólida Mantequilla Sólido Gas Espuma sólidaSólido Gas Espuma sólida
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Propiedades cinéticas:
• 1. Movimiento Browniano
• 2. Difusión
• 3. Presión Osmótica
• 4. Sedimentación
• 5. Viscosidad
SISTEMAS DISPERSOS HETEROGÉNEOSSISTEMAS DISPERSOS HETEROGÉNEOS
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• 1. Movimiento Browniano
SISTEMAS DISPERSOS HETEROGÉNEOSSISTEMAS DISPERSOS HETEROGÉNEOS
• Movimiento errático observado en partículas menores de 5µm.
• La velocidad de las partículas esinversamente proporcional a sutamaño y a la viscosidad del medio
22--5 5 µ µ µ µ µ µ µ µmm 2. 2. DifusiónDifusión
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• 2. Difusión
SISTEMAS DISPERSOS HETEROGÉNEOSSISTEMAS DISPERSOS HETEROGÉNEOS
• Las partículas difunden espontáneamente desdezonas de mayor a menor concentración, hasta quela concentración de todo el sistema es homogénea.
• Resulta directamente del mocimiento Browniano
Ley de Frick
dq = - DS (dc/dx) dtD - coeficiente de difusiónS - área del planoC - concentraciónx - distanciat - tiempoq - cantidad de sustancia
dq/dt = -DS (dc/dx)si S = 1dq/dt = -D (dc/dx)
D = constante
dq/dt ≈≈≈≈ - dc/dx
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• 3. Ósmosis
SISTEMAS DISPERSOS HETEROGÉNEOSSISTEMAS DISPERSOS HETEROGÉNEOS
• Cuando las partículas no pueden difundir en el sistema por la presencia de una membranasemipermeable, son las moléculas del solventelas que se mueven desde la zona de menor a la de mayor concentración.
Ecuación de Van't Hoff
ΠΠΠΠ = cRTΠ - Presión osmóticac - concentración (g/l)R - constante de los gasesT - Temperatura absoluta
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• 4. Sedimentación
SISTEMAS DISPERSOS HETEROGÉNEOSSISTEMAS DISPERSOS HETEROGÉNEOS
Ley de Stokev = 2r2 (D - d) g / 9ηv - velocidad de sedimentaciónr - radio de la partículag - fuerza de la gravedadD - densidad de la partículad - densidad del medioη - viscosidad del medio
22--5 5 µ µ µ µ µ µ µ µmm
MovimientoMovimientoBrownianoBrowniano
V= f(Ø, g, V= f(Ø, g, δδ, , ηη))
GravedadGravedad
Equilibrio de sedimentation
Fuerza de gravedad neutralizadapor el movimiento Browniano
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• 4. Sedimentación
SISTEMAS DISPERSOS HETEROGÉNEOSSISTEMAS DISPERSOS HETEROGÉNEOS
Ley de Stoke
v = 2r2 (D - d) g / 9η
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v = 2r2 (D - d) g / 9ηη = 2r2 (D - d) g / 9v
= 2 (0.2)(0.2) [2.33 - 1.33] 980 / 9(4.35)
= 2.0 poise
Ejemplo:
Determine la viscosidad absoluta de un jarabeusando una bola de acero de 0.2 cm de radio. La densidad de la bola es de 2.33 g / cc y la densidaddel jarabe es 1.33 g / cc a 250 ºC. La velocidad de caída de la bola es de 4.35 cm / s.
• 4. Sedimentación
SISTEMAS DISPERSOS HETEROGÉNEOSSISTEMAS DISPERSOS HETEROGÉNEOS
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• 4. Sedimentación
SISTEMAS DISPERSOS HETEROGÉNEOSSISTEMAS DISPERSOS HETEROGÉNEOS
Ejemplo:
Determine la velocidad de sedimentación de un sulfuro en agua. El diámetro medio de partículaes de 5.5 µm. Las densidades del sulfuro y del aguaa 250 ºC son 1.96 y 0.977 g/cc, respectivamente. La viscosidad del agua a 250 ºC es 0.00895 poise.
v = 2r2 (D - d) g / 9η
= 2 (5.5*10-4)(5.5*10-4)(1.96 - 0.977) *980 / 9(0.00895)
= 7.1*10-3 cm/s
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• 4. Sedimentación
SISTEMAS DISPERSOS HETEROGÉNEOSSISTEMAS DISPERSOS HETEROGÉNEOS
Ejemplo:
Si la altura de la botella de la suspensión anterior del sulfuro es de 10 cm, ¿cuánto tardará el sistema en
sedimentar completamente?
Sedimenta demasiado rápidamente.
v = 7.1*10-3 cm/s
1/x = 7.1*10-3/10
x = 1408 s = ap. 24 min.
Convendría aumentar la viscosidad parareducir la velocidad de sedimentación.
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• 4. Sedimentación
SISTEMAS DISPERSOS HETEROGÉNEOSSISTEMAS DISPERSOS HETEROGÉNEOS
v = 2r2 (D - d) g / 9ηr2 = v 9η / 2 (D - d) g
= (0.0071)(9)(0.00895) / 2(1.96 - 0.997)980
r = 5.5*10-4 cm
diámetro medio = 11*10-4 cm
Ejemplo:
Del ejemplo anterior, calcule el tamaño medio de partícula del sulfuro
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• 4. Sedimentación
SISTEMAS DISPERSOS HETEROGÉNEOSSISTEMAS DISPERSOS HETEROGÉNEOS
Ejemplo:
¿Cuál deberá ser la viscosidad del sistema anterior
para reducir su velocidad de sedimentacióndesde 0.0071 cm/s a 0.00071 cm/s?
v = 2r2 (D - d) g / 9η
η = 2r2 (D - d)g / 9v
= 2 (5.5*10-4)2 (1.96 - 0.997)(980) / 9(0.00071)
= 0.0894 poise
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• 4. Sedimentación
SISTEMAS DISPERSOS HETEROGÉNEOSSISTEMAS DISPERSOS HETEROGÉNEOS
Ley de Stokev = 2r2 (D - d) g / 9η
• Otro factor importante es la DENSIDAD.
• Es posible modificar la densidad de la dispersiónadicionando sustancias no iónicas
• Ejemplos:SORBITOL
PVP
GLICERINA
AZUCAR
PEG
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SISTEMAS DISPERSOS HETEROGÉNEOSSISTEMAS DISPERSOS HETEROGÉNEOS
REOLOGÍAREOLOGÍA
Propiedades de flujo (ΦΦΦΦ) y deformación de lasdispersiones cuando se someten a una presión(tensión, compresión o cizalla (ττττ) (fuerza por unidadde área: F/A)
CIZALLA VELOCIDAD DE CIZALLACIZALLA VELOCIDAD DE CIZALLA
ττττ (F/A) D (dv/dx)
FluidezFluidez = = ΦΦΦΦΦΦΦΦ = 1/= 1/ηηηηηηηη
Newtoniano:Newtoniano: ττττττττ = = ηηηηηηηη DD((ηη y y ΦΦ = = ctesctes.).)
BinghamBingham (plástico ideal) (plástico ideal) ττττττττ = = ττττττττo o + + ηηηηηηηη DD
ηηηηηηηηFuerza de cizalla
Fuerza de cizalla
F/A
F/A
Velocidad de cizalla Velocidad de cizalla dvdv//dxdx
ττττττττ
DD
SISTEMAS DISPERSOS HETEROGÉNEOSSISTEMAS DISPERSOS HETEROGÉNEOS
Pseudoplástico: aclaramiento por Pseudoplástico: aclaramiento por cizallacizalla (>(>ττττττττ <<ηηηηηηηη >>ΦΦΦΦΦΦΦΦ))
Dilatante Dilatante (>(>ττττττττ >>ηηηηηηηη <<ΦΦΦΦΦΦΦΦ) ) ((ΦΦΦΦΦΦΦΦ 0)0)
FluidezFluidez = = ΦΦΦΦΦΦΦΦ = 1/= 1/ηηηηηηηη
Fuerza de cizalla
Fuerza de cizalla
F/A
F/A
Velocidad de cizalla Velocidad de cizalla dvdv//dxdx
ττττττττ
DD
SISTEMAS DISPERSOS HETEROGÉNEOSSISTEMAS DISPERSOS HETEROGÉNEOSFluidezFluidez = = ΦΦΦΦΦΦΦΦ = 1/= 1/ηηηηηηηη
•• Pseudoplástico con Pseudoplástico con
•• Fuerza de ruptura y Fuerza de ruptura y
•• Comportamiento Comportamiento tixotrópicotixotrópico
SISTEMAS DISPERSOS HETEROGÉNEOSSISTEMAS DISPERSOS HETEROGÉNEOS
** Se obtienen al Se obtienen al dispersardispersar una sustancia en el una sustancia en el seno de otra en la cuál es insoluble.seno de otra en la cuál es insoluble.
* Son sistemas * Son sistemas termodinámicamente termodinámicamente inestablesinestables
* Componentes: * Componentes:
1. Fase interna, dispersada, discontinua (FI) 1. Fase interna, dispersada, discontinua (FI)
2. Fase externa, dispersante, continua, 2. Fase externa, dispersante, continua, medio de dispersión (FE) medio de dispersión (FE)
3. Interfase 3. Interfase (4. (4. EstabilizanteEstabilizante))
SISTEMAS DISPERSOS HETEROGÉNEOSSISTEMAS DISPERSOS HETEROGÉNEOS
TERMODINÁMICAMENTE INESTABLESTERMODINÁMICAMENTE INESTABLES
POTENCIAL ELECTROCINÉTICOPOTENCIAL ELECTROCINÉTICO
* FENÓMENOS SUPERFICIALES* FENÓMENOS SUPERFICIALES
* FENÓMENOS INTERFACIALES* FENÓMENOS INTERFACIALES
1.1. FUERZAS DE FUERZAS DE INTERACCIONES INTERACCIONES MOLECULARESMOLECULARES
2. 2. FUERZASFUERZAS DE INTERACCIONES DE INTERACCIONES PARTICULARESPARTICULARES
MoléculasMoléculas de de AguaAgua
Las moléculas del agua presentan unadisposición característica.
Tiene la posibilidad de formar puentesde H, lo que le confieren al aguapropiedades especiales.
Las moléc. de agua experimentan unagran atracción unas por otras.
HH HHOO
+ + + +
--
HH HHOO
+ +
--
+ +
1. FUERZAS DE INTERACCIONES MOLECULARES1. FUERZAS DE INTERACCIONES MOLECULARES
Esto causa alta tensión superficial, baja presión de vapor, alto calor específico, alto calor de vaporización y alto punto de ebullición.
TensiónTensión SuperficialSuperficial
Una moléc. de agua en el interiorde la soluc. está sometida a fuerzasde atracción en todas las direcciones.
Esto causa la tensión superfical.
1. FUERZAS DE INTERACCIONES MOLECULARES1. FUERZAS DE INTERACCIONES MOLECULARES
En la superficie, las mólec. están atraídas sólo hacia los lados
y hacia abajo, mateniéndolasfuertemente unidas.
γγγγγγγγ: : relaciónrelación inversainversa con la T y la Pcon la T y la P
• El cristal tiene molóculas polares, porlo que puede formar puentes de H.
• Atrae moléculas de agua.
• Algunas son empujadas hacia arriba, curvando así la superficie del agua.
Las gotas de agua son redondasporque todas las moléculassituadas en su superficie
experimentan una atracciónneta hacia el interior.
TensiónTensión SuperficialSuperficial1. FUERZAS DE INTERACCIONES MOLECULARES1. FUERZAS DE INTERACCIONES MOLECULARES
cristal plastico
Superficie líquido Superficie líquido -- gas gas
•• Fuerza resultante de las interacciones Fuerza resultante de las interacciones interinter--molecularesmoleculares, que tienden a reducir al máximo la , que tienden a reducir al máximo la razón área superficial / volumenrazón área superficial / volumen
•• Menor superficie = menor energía asociada Menor superficie = menor energía asociada (esfera)(esfera)
•• Energía Superficial = Tensión superficial * área Energía Superficial = Tensión superficial * área superficialsuperficial
Tensión superficialTensión superficial γγγγγγγγ
Energía por unidad de áreaEnergía por unidad de área
(mJ/m2; mN/m)
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Líquido
Vapor
SuperficieSuperficie
Tensión superficialTensión superficial γγγγγγγγ
¿Formación de superficie?
30
Liquido
Vapor
REGION REGION INTERFACIALINTERFACIAL
Tensión superficialTensión superficial γγγγγγγγ
¿Formación de superficie?
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Tensión superficialTensión superficial γγγγγγγγ
¿Formación de superficie?
Las Las moleculasmoleculas en el interior son en el interior son establesestables ((expuestasexpuestas a un campo a un campo
de de fuerzafuerza simetricosimetrico))
Liquido
Vapor
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Tensión superficialTensión superficial γγγγγγγγ
¿Formación de superficie?
Las Las moleculasmoleculas en la en la interfaseinterfaseson son inestablesinestables, se , se venven
empujadasempujadas haciahacia el interior, el interior, paraparaminimizarminimizar el area interfacialel area interfacial
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Expansión de la interfase
Tensión superficialTensión superficial γγγγγγγγ
¿Formación de superficie?
34
Expansión de la interfase ...
Tensión superficialTensión superficial γγγγγγγγ
¿Formación de superficie?
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Expansión de la interfase ...
Tensión superficialTensión superficial γγγγγγγγ
¿Formación de superficie?
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Expansión de la interfase ...
Tensión superficialTensión superficial γγγγγγγγ
¿Formación de superficie?
W = W = TrabajoTrabajo realizadorealizado parapara expandirexpandir la la superciesupercie∆∆∆∆∆∆∆∆A = A = IncrementoIncremento de de superficiesuperficie
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¿¿AumentoAumento de de superficiesuperficie? ?
• No existe un potencial molecular compensadoen la superficie
• Por tanto, la creación de más superficesiempre estará acompañada de un aumentoen la energía libre del sistema(∆∆∆∆GA > 0)
• Así que la formación de nueva superficiesiempre es un proceso termodinámicamentedesfavorable
Tensión superficialTensión superficial γγγγγγγγ
DesfavorableDesfavorable!!
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Tensión superficialTensión superficial γγγγγγγγ -- SuperficieSuperficieALGUNAS ECUACIONES ALGUNAS ECUACIONES
• Tensión superficial (σσσσ or γγγγ) - incremento de energía libre como resultado de la formación de 1 unidad de superfice (cm2, m2)
(siempre positivo!)(siempre positivo!)00;; >>>>>>>>
ΑΑΑΑΑΑΑΑ∂∂∂∂∂∂∂∂∂∂∂∂∂∂∂∂
======== σσσσσσσσσσσσσσσσp,Tp,T
GG
00>>>>>>>>∆Α∆Α∆Α∆Α∆Α∆Α∆Α∆Α⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅========∆∆∆∆∆∆∆∆ ΑΑΑΑΑΑΑΑ σσσσσσσσGG
• La formación de superficie (∆∆∆∆ A) implica siempreun aumento en la energía libre (∆∆∆∆G)
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EXPRESIÓN MATEMÁTICA: EXPRESIÓN MATEMÁTICA: W = W = ∆∆∆∆∆∆∆∆G = G = γγγγγγγγ ∆∆∆∆∆∆∆∆AA
•• γγγγγγγγ: constante de proporcionalidad entre el trabajo : constante de proporcionalidad entre el trabajo que es necesario aplicar para crear nueva que es necesario aplicar para crear nueva superficie y el área de la mismasuperficie y el área de la misma
•• Newton / metro (SI)Newton / metro (SI)Más frecuente: dinas / cm (CGS)Más frecuente: dinas / cm (CGS)
Tensión superficialTensión superficial γγγγγγγγ -- SuperficieSuperficieALGUNAS ECUACIONES ... ALGUNAS ECUACIONES ...
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InterfasesInterfases
Gas / Gas / LiqLiq.. Liq.1 / Liq.2Liq.1 / Liq.2LiqLiq. / Sol.. / Sol.Gas / Sol. Gas / Sol. Sol.1 / Sol.2Sol.1 / Sol.2
Tension interfacial
Tensiones de superficieTensiones de superficie
Tension superficial
•• Sustancias inmiscibles: diferencia entre fuerzas de Sustancias inmiscibles: diferencia entre fuerzas de cohesión y fuerzas atractivas entre dos moléculas cohesión y fuerzas atractivas entre dos moléculas diferentesdiferentes
•• F F atracatrac. (mol. polar . (mol. polar -- m. polar) >>>>m. polar) >>>>F F atracatrac. (m. polar . (m. polar -- m. m. apolarapolar) )
•• La fuerza resultante cerca de la interfase está dirigida La fuerza resultante cerca de la interfase está dirigida hacia el interior. Por el contrario, la resultante en el interiohacia el interior. Por el contrario, la resultante en el interior r es nula.es nula.
•• Para aumentar la superficie de contacto total (desplazar Para aumentar la superficie de contacto total (desplazar moléculas del interior al exterior), es necesario un aporte moléculas del interior al exterior), es necesario un aporte neto de energía neto de energía ((ENERGÍA LIBRE INTERFACIALENERGÍA LIBRE INTERFACIAL))
•• Sistema termodinámicamente inestableSistema termodinámicamente inestable
Tensión interfacial Tensión interfacial γγγγγγγγ1212
42
SISTEMAS LIQUIDO-LIQUIDO
Tensión interfacial Tensión interfacial γγγγγγγγ1212
43
SISTEMAS LIQUIDO-LIQUIDO
AceiteAceite y y aguaagua
Tensión interfacial Tensión interfacial γγγγγγγγ1212
¿¿AgitaciónAgitación??
44
La La agitaciónagitación distribuyedistribuye el el aceiteaceite a a travéstravés del del aguaagua..
SISTEMAS LIQUIDO-LIQUIDO
AceiteAceite y y aguaagua
Tensión interfacial Tensión interfacial γγγγγγγγ1212
¿¿QuéQué pasapasacuandocuando cesacesa la la agitaciónagitación??
45
SISTEMAS LIQUIDO-LIQUIDO
AceiteAceite y y aguaagua
Tensión interfacial Tensión interfacial γγγγγγγγ1212
1. Las gotas de aceite se vuelvanesféricas
CuandoCuando la la agitaciónagitación cesacesa, la , la acciónacción de de la la energíaenergía librelibre interfacialinterfacial haráhará queque::
46
SISTEMAS LIQUIDO-LIQUIDO
AceiteAceite y y aguaagua
Tensión interfacial Tensión interfacial γγγγγγγγ1212
1. Las gotas de aceite se vuelvanesféricas
2. La acción de la gravedad empice a actuar sobre las gotas esféricas de aceite.
CuandoCuando la la agitaciónagitación cesacesa, la , la acciónacción de de la la energíaenergía librelibre interfacialinterfacial haráhará queque::
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1. Las gotas de aceite se vuelvanesféricas
2. La acción de la gravedad empice a actuar sobre las gotas esféricas de aceite.
3. Las gotas coalescen para reducir la energía libre por reducción de la tension interfacial.
SISTEMAS LIQUIDO-LIQUIDO
AceiteAceite y y aguaagua
Tensión interfacial Tensión interfacial γγγγγγγγ1212
CuandoCuando la la agitaciónagitación cesacesa, la , la acciónacción de de la la energíaenergía librelibre interfacialinterfacial haráhará queque::
48
SISTEMAS SOLIDO-LIQUIDO
Tensión interfacial Tensión interfacial γγγγγγγγ1212
49
TrabajoTrabajo de cohesionde cohesion
WC = + = 2WC = + = 2 LLγγγγγγγγ
LLγγγγγγγγ
LLγγγγγγγγ
LLγγγγγγγγ
liquidoliquido
LLγγγγγγγγ
liquidoliquido
Tensión interfacial Tensión interfacial γγγγγγγγ1212
TrabajoTrabajo de COHESION (Wde COHESION (W1111) (mJ/m) (mJ/m22):):EnergíaEnergía necesarianecesaria parapara separarseparar 2 2 superficies superficies identicasidenticas desdedesde el el contactocontacto hastahasta unauna separacionseparacioninfinitainfinita
liquidoliquido
LLγγγγγγγγ
SISTEMAS SOLIDO-LIQUIDO
50
liquidoliquido
SSγγγγγγγγ
solidosolido
LLγγγγγγγγ
liquidoliquido
Tensión interfacial Tensión interfacial γγγγγγγγ1212
TrabajoTrabajo de ADHESION (Wde ADHESION (W1212) (mJ/m) (mJ/m22):):EnergiaEnergia necesarianecesaria parapara separarseparar 2 2 superficies superficies diferentesdiferentes desdedesde el el contactocontacto hastahasta unaunaseparacionseparacion infinitainfinita
SSγγγγγγγγ
solidosolidoWA = + WA = + --
LSLSLLγγγγγγγγ
SSγγγγγγγγ γγγγγγγγ
LSLSγγγγγγγγ
= + = + -- WA WA LLγγγγγγγγ
SSγγγγγγγγ
LSLSγγγγγγγγ
TrabajoTrabajo de adhesionde adhesion
GRADO DE AFINIDAD
SISTEMAS SOLIDO-LIQUIDO
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DIFUSIÓN DE UN LÍQUIDO SOBRE UN SÓLIDO SÓLO OCURRIRÁ SI EL TRABAJO SE ADHESIÓN SUPERA AL DE COHESIÓN
WA > WCS = Spreading CoefficientS = WA - WC
Tensión interfacial Tensión interfacial γγγγγγγγ1212SISTEMAS SOLIDO-LIQUIDO
Si S > 0, el líquido difundirá sobre el sólido permitiendo generar el sistema
Tensión interfacial Tensión interfacial γγγγγγγγ1212
Tensión interfacial Tensión interfacial γγγγγγγγ1212
¿¿PorPor quéqué laslas gotasgotasadquierenadquieren unauna forma forma
esféricaesférica??
La La tendendiatendendia del del sistemasistema eses reducirreducir susuenergíaenergía librelibre. El . El resultadoresultado eses adoptaradoptar unaunaconfiguraciónconfiguración con la con la queque presentepresente la la menormenoráreaárea superficial superficial posibleposible. Y la . Y la esferaesfera eses la la forma forma geométricageométrica queque permitepermite unauna superficiesuperficiemenormenor parapara un un volumenvolumen dado.dado.
Tensión interfacial Tensión interfacial γγγγγγγγ1212
¿¿PorPor quéqué la la tensióntensiónsuperficial del superficial del aguaagua eses
mayor mayor queque la del la del aceiteaceite??
La La tensióntensión superficial superficial derivaderiva de de laslasinteraccionesinteracciones entreentre laslas moléculasmoléculas de de unauna fasefase. . El El aguaagua eses polar, y polar, y laslas interaccionesinteraccionesintermolecularesintermoleculares entreentre moléculasmoléculas polarespolares son son mayoresmayores queque laslas interaccionesinteracciones entreentremoléculasmoléculas no no polarespolares..
Tensión interfacial Tensión interfacial γγγγγγγγ1212
¿¿PorPor quéqué la la tensióntensióninterfacial interfacial eses menormenor queque laslastensionestensiones superficialessuperficiales??
PorPor el el trabajotrabajo de de adhesiónadhesión
Cuando dos fases condensadas (2 líquidos) están en contacto, la interacción a través de de la interfaz es mayor que la que existe entre una fase condensada y un gas.
56
La La interaccióninteracción a a travéstravés de la de la interfaseinterfase eses posibleposible. .
Tensión interfacial Tensión interfacial γγγγγγγγ1212¿Fuerzas moleculares en la interfaz Liquido / Gas?
Sin embargo, la baja densidadque hay en el gas hace que
existan pocas moléculas parainteraccionar.
57
Tensión interfacial Tensión interfacial γγγγγγγγ1212¿Fuerzas moleculares en la interfaz Liq.1 / Liq.2?
La densidad elevada de la faseliquida vecina significa que existensuficientes moleculas cerca para
interacturar.
La La interaccióninteracción a a travéstravés de la de la interfaseinterfase eses posibleposible. .
El resultado es que la fuerza netade atraccion en las moleculas de
la interfase es menor.
Tensión interfacial Tensión interfacial γγγγγγγγ1212
¿¿PorPor quéqué loslos tensioactivostensioactivosdisminuyendisminuyen la la tensióntensión en la en la
interfazinterfaz??
Las Las moléculasmoléculas tensioactivastensioactivas son son anfifílicasanfifílicas
Polar regionPolar region NonpolarNonpolar regionregion
Tensión interfacial Tensión interfacial γγγγγγγγ1212
Las Las moléculasmoléculas anfifílicasanfifílicas se se localizanlocalizan, , preferentementepreferentemente, ,
en la en la interfazinterfaz. .
EstoEsto hacehace queque disminuyadisminuya la la diferenciadiferencia entreentre laslas dos dos
fasesfases..
Tensión interfacial Tensión interfacial γγγγγγγγ1212
Las Las moléculasmoléculas anfifílicasanfifílicas se se localizanlocalizan, , preferentementepreferentemente, ,
en la en la interfazinterfaz. .
EstoEsto hacehace quequedisminuyadisminuya la la diferenciadiferenciaentreentre laslas dos dos fasesfases..
SISTEMAS DISPERSOS HETEROGÉNEOSSISTEMAS DISPERSOS HETEROGÉNEOS
TERMODINÁMICAMENTE INESTABLESTERMODINÁMICAMENTE INESTABLES
POTENCIAL ELECTROCINÉTICOPOTENCIAL ELECTROCINÉTICO
* FENÓMENOS SUPERFICIALES* FENÓMENOS SUPERFICIALES
* FENÓMENOS INTERFACIALES* FENÓMENOS INTERFACIALES
1.1. FUERZAS DE FUERZAS DE INTERACCIONES INTERACCIONES MOLECULARESMOLECULARES
2. 2. FUERZASFUERZAS DE INTERACCIONES DE INTERACCIONES PARTICULARESPARTICULARES
2. FUERZAS DE INTERACCIONES PARTICULARES2. FUERZAS DE INTERACCIONES PARTICULARES
•• La mayoría de las partículas de un SDH La mayoría de las partículas de un SDH (sean iónicas o no) presentan una (sean iónicas o no) presentan una carga eléctrica superficialcarga eléctrica superficialdesarrollada por distintos mecanismos:desarrollada por distintos mecanismos:
1.1. Disociación de grupos Disociación de grupos ionógenosionógenos
2.2. Adsorción de iones Adsorción de iones (aniones: < hidratación (aniones: < hidratación -- > movilidad)> movilidad)
3.3. Electrificación por fricción, ...Electrificación por fricción, ...
REGLA DE COHEN: la fase de > constante REGLA DE COHEN: la fase de > constante dieléctricadieléctrica se carga positivamentese carga positivamente
POTENCIAL ELECTROCINÉTICOPOTENCIAL ELECTROCINÉTICO
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2. FUERZAS DE INTERACCIONES PARTICULARES2. FUERZAS DE INTERACCIONES PARTICULARES
SUPERFICIESUPERFICIE
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⊕⊕⊕⊕⊕⊕⊕⊕⊕⊕⊕⊕⊕⊕⊕⊕⊕⊕⊕⊕⊕⊕⊕⊕⊕⊕⊕⊕⊕⊕⊕⊕⊕⊕⊕⊕⊕⊕⊕⊕⊕⊕⊕⊕⊕⊕⊕⊕⊕⊕⊕⊕⊕⊕⊕⊕⊕⊕⊕⊕⊕⊕⊕⊕⊕⊕⊕⊕⊕⊕⊕⊕⊕⊕⊕⊕⊕⊕⊕⊕⊕⊕⊕⊕⊕⊕⊕⊕⊕⊕⊕⊕⊕⊕⊕⊕
DDSS
DOBLE CAPA DOBLE CAPA ELÉCTRICAELÉCTRICA
64
2. FUERZAS DE INTERACCIONES PARTICULARES2. FUERZAS DE INTERACCIONES PARTICULARES
DOBLE CAPA DOBLE CAPA ELÉCTRICAELÉCTRICA
Punto de neutralidadPunto de neutralidad
A partir de donde la A partir de donde la carga eléctrica de la carga eléctrica de la partícula no se hace partícula no se hace
sentir mássentir más
SS
Capa de Capa de SternStern
Capa Capa monomolecularmonomolecular de de contraionescontraionesdel medio en contacto con la del medio en contacto con la superficie, en posiciones muy superficie, en posiciones muy
determinadas. A partir de aquí, la determinadas. A partir de aquí, la concentración de iones va concentración de iones va
disminuyendo.disminuyendo.
DD Capa difusaCapa difusa de de contraionescontraiones en en posiciones menos estrictas.posiciones menos estrictas.
⊕⊕⊕⊕⊕⊕⊕⊕
⊕⊕⊕⊕⊕⊕⊕⊕⊕⊕⊕⊕⊕⊕⊕⊕
⊕⊕⊕⊕⊕⊕⊕⊕⊕⊕⊕⊕⊕⊕⊕⊕
⊕⊕⊕⊕⊕⊕⊕⊕
--
--
--------
--
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--
--
--
--
--
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65
2. FUERZAS DE INTERACCIONES PARTICULARES2. FUERZAS DE INTERACCIONES PARTICULARES
DOBLE CAPA DOBLE CAPA ELÉCTRICAELÉCTRICA⊕⊕⊕⊕⊕⊕⊕⊕
⊕⊕⊕⊕⊕⊕⊕⊕⊕⊕⊕⊕⊕⊕⊕⊕
⊕⊕⊕⊕⊕⊕⊕⊕⊕⊕⊕⊕⊕⊕⊕⊕
⊕⊕⊕⊕⊕⊕⊕⊕
--
--
--------
--
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--
--
--
--
--
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DDSS
Potencial ZPotencial Z (ζ)(ζ)Diferencia del potencial que hay Diferencia del potencial que hay entre la zona de separación de la entre la zona de separación de la capa fija y la capa difusa y el punto capa fija y la capa difusa y el punto
de neutralidad.de neutralidad.
Se estima en función de la Se estima en función de la movilidad electroforéticamovilidad electroforética
No se puede medir directamente la carga de la partícula
> ζ> ζ
Mayor repulsión Mayor repulsión interpaticularinterpaticular
66
2. FUERZAS DE INTERACCIONES PARTICULARES2. FUERZAS DE INTERACCIONES PARTICULARES
DOBLE CAPA DOBLE CAPA ELÉCTRICAELÉCTRICA
¿ ESTABILIDAD ¿ ESTABILIDAD DE LOS SDH?DE LOS SDH?
TEORÍA DLVOTEORÍA DLVO: : ((DeryaginDeryagin y y LandauLandau, , VerweyVerwey y y OverbeekOverbeek))
Energía Energía potencial potencial
total total
Distancia Distancia entre las entre las partículaspartículas
+ Repulsión
- Atracción
Mínimo Mínimo primarioprimario
Mínimo Mínimo secundariosecundario
Máximo Máximo primarioprimario
Agregación tipo Agregación tipo coaguladocoagulado
(IRREVERSIBLE)
Agregación tipo Agregación tipo floculado floculado
(REDISPERSABLE)
2. FUERZAS DE INTERACCIONES PARTICULARES2. FUERZAS DE INTERACCIONES PARTICULARES
TEORÍA DLVOTEORÍA DLVO: : ((DeryaginDeryagin y y LandauLandau, , VerweyVerwey y y OverbeekOverbeek))
Energía Energía potencial potencial
total total
Distancia Distancia entre las entre las partículaspartículas
+ Repulsión
- Atracción
Mínimo Mínimo primarioprimario
Mínimo Mínimo secundariosecundario
Máximo Máximo primarioprimario
2. FUERZAS DE INTERACCIONES PARTICULARES2. FUERZAS DE INTERACCIONES PARTICULARES
La curva de energía potencial se puede modificar La curva de energía potencial se puede modificar variando la concentración de electrolitos. variando la concentración de electrolitos.
ESTABILIZACIÓN DE SDH.ESTABILIZACIÓN DE SDH.
69
CLASIFICACIÓN DE OSTWALDCLASIFICACIÓN DE OSTWALD
Dispersiones groserasDispersiones groseras
ColoidesColoides
Soluciones verdadesSoluciones verdades
Ø part. > 0.1 Ø part. > 0.1 µµµµµµµµmm
0.1 0.1 µµµµµµµµm > Ø part. > 0.001 m > Ø part. > 0.001 µµµµµµµµmm
Ø part. < 0.001 Ø part. < 0.001 µµµµµµµµmm
FIFI
ColoidesColoides
Son dispersiones en las que el tamañode FI es superior al de moléculas perodemasiado pequeñas para que les afectela gravedad. (sólo mov. Browniano)
Tamaño:
10 - 2000 Å
0.1 µµµµm - 0.001 µµµµm
FIFI FEFETipo de Tipo de coloide coloide
EjemploEjemplo
Aerosol Aerosol LiquidLiquid Gas Gas FogFogAerosol Aerosol SolidSolid Gas Gas SmokeSmokeFoamFoam Gas Gas LiquidLiquidSolidSolid foamfoam Gas Gas SolidSolid MarshmallowMarshmallowEmulsionEmulsion LiquidLiquid LiquidLiquid MilkMilkSolidSolid emulsionemulsion LiquidLiquid SolidSolid ButterButterSol Sol SolidSolid LiquidLiquid PaintPaint; ; cellcell fluidfluidSolidSolid sol sol SolidSolid SolidSolid OpalOpal
WhippedWhipped CreamCream
ColoidesColoides
FIFI FEFETipo de Tipo de coloide coloide
EjemploEjemplo
Aerosol Aerosol LiquidLiquid Gas Gas FogFogAerosol Aerosol SolidSolid Gas Gas SmokeSmokeFoamFoam Gas Gas LiquidLiquidSolidSolid foamfoam Gas Gas SolidSolid MarshmallowMarshmallowEmulsionEmulsion LiquidLiquid LiquidLiquid MilkMilkSolidSolid emulsionemulsion LiquidLiquid SolidSolid ButterButterSol Sol SolidSolid LiquidLiquid PaintPaint; ; cellcell fluidfluidSolidSolid sol sol SolidSolid SolidSolid OpalOpal
WhippedWhipped CreamCream
ColoidesColoides
FIFI FEFETipo de Tipo de coloide coloide
EjemploEjemplo
Aerosol Aerosol LiquidLiquid Gas Gas FogFogAerosol Aerosol SolidSolid Gas Gas SmokeSmokeFoamFoam Gas Gas LiquidLiquidSolidSolid foamfoam Gas Gas SolidSolid MarshmallowMarshmallowEmulsionEmulsion LiquidLiquid LiquidLiquid MilkMilkSolidSolid emulsionemulsion LiquidLiquid SolidSolid ButterButterSol Sol SolidSolid LiquidLiquid PaintPaint; ; cellcell fluidfluidSolidSolid sol sol SolidSolid SolidSolid OpalOpal
WhippedWhipped CreamCream
ColoidesColoides
FIFI FEFETipo de Tipo de coloide coloide
EjemploEjemplo
Aerosol Aerosol LiquidLiquid Gas Gas FogFogAerosol Aerosol SolidSolid Gas Gas SmokeSmokeFoamFoam Gas Gas LiquidLiquidSolidSolid foamfoam Gas Gas SolidSolid MarshmallowMarshmallowEmulsionEmulsion LiquidLiquid LiquidLiquid MilkMilkSolidSolid emulsionemulsion LiquidLiquid SolidSolid ButterButterSol Sol SolidSolid LiquidLiquid PaintPaint; ; cellcell fluidfluidSolidSolid sol sol SolidSolid SolidSolid OpalOpal
WhippedWhipped CreamCream
ColoidesColoides
FIFI FEFETipo de Tipo de coloide coloide
EjemploEjemplo
Aerosol Aerosol LiquidLiquid Gas Gas FogFogAerosol Aerosol SolidSolid Gas Gas SmokeSmokeFoamFoam Gas Gas LiquidLiquidSolidSolid foamfoam Gas Gas SolidSolid MarshmallowMarshmallowEmulsionEmulsion LiquidLiquid LiquidLiquid MilkMilkSolidSolid emulsionemulsion LiquidLiquid SolidSolid ButterButterSol Sol SolidSolid LiquidLiquid PaintPaintSolidSolid sol sol SolidSolid SolidSolid Opal, Opal, pearlpearl
WhippedWhipped CreamCream
ColoidesColoides
Atomos simples, Atomos simples, molécmoléc. pequeñas, . pequeñas, iones.iones.
Transparente Transparente MovimMovim. molecular . molecular Nunca sedimenta Nunca sedimenta
Agregados de Agregados de átomos, átomos, molécmoléc. o . o iones.iones.
Transp. Transp. ef.ef. TyndallTyndallMovMov. browniano . browniano Coagulación Coagulación ((sedimsedim.).)
Grupos de part., Grupos de part., partículas (de partículas (de minerales (arena)) minerales (arena))
Translúcido Translúcido MovMov. por gravedad. por gravedad
SOLUCIONESSOLUCIONES COLOIDESCOLOIDES SUSPENSIONESSUSPENSIONES
< 1 nm< 1 nm > 100 nm> 100 nm
USANDO SANGRE ENTERA A MODO DE EJEMPLO:USANDO SANGRE ENTERA A MODO DE EJEMPLO:
Comp. Comp. dtosdtos. en . en agua: sales, agua: sales, glucosa, gases glucosa, gases
Prot. plasmáticas: Prot. plasmáticas: albúminas, albúminas, globulinas, globulinas, fibrinógenofibrinógeno
CélCél. sanguíneas: . sanguíneas: glóbglób. rojos, . rojos, blancos, plaquetasblancos, plaquetas
SOLUCIONESSOLUCIONES COLOIDESCOLOIDES SUSPENSIONESSUSPENSIONES
< 1 nm< 1 nm > 100 nm> 100 nm
DIFRACCIÓN EN TODAS
DIRECCIONES
DIFRACCIÓN EN FORMA DE
BARRA
ColoidesColoides
1. SOLUCIONES VERDADERAS DE MACROMOLÉCULAS
2. DISPERSIONES COLOIDALES (SOLES)
3. COLOIDES DE ASOCIACIÓN
El elemento común entre las tres clases de coloides es el hecho de que son sostenidos en la dispersión por interacciones electrostáticas con las moléculas de agua.
Las tres clases de coloides diferencian en su composición química.
TiposTipos de de coloidescoloides
ColoidesColoides1. SOLUCIONES VERDADERAS DE MACROMOLÉCULAS
-- TermodinámicamenteTermodinámicamente establesestables
-- LiofílicosLiofílicos ((reversiblesreversibles) )
-- EjEj.: .: protprot., MC, ., MC, gomagoma de de tragacantotragacanto, ...., ....
Se caracterizan por una fuerte interacción con el agua, por lo que generan el coloide espontáneamente cuando se introducen en el medio.
Moléculas grandes con grupos funcionales que producen enlaces de hidrógeno con las moléculas de agua.
2. DISPERSIONES COLOIDALES = SOLES
= Suspensiones coloidales
• Termodinámicamente inestables
• Liofóbicos (irreversibles)
• Fase dispersa polimérica = LATEX
• Reticulación química o física que atrapa al dte. = GEL
ColoidesColoides
Doble capa eléctrica
Las arcillas forman una carga negativa en su superficie cuando están en contacto con agua, y permanecen en la suspensión por la interacción electrostática entre su carga superficial negativa y la carga positiva de cationes del agua.
3. COLOIDES DE ASOCIACIÓN
• Termodinámicamente estables
• Liofílicos (reversibles)Ej.: tensioactivos que forman micelas
ColoidesColoides
Agregados de moléculas anfifílicas
CMC(Concentración porencima de la cuál se empiezan a formar las
micelas)
Interacción electrostática de las cabezas polares de lasmicelas con el agua
82
Concentration del tensioactivo Concentration del tensioactivo porpor debajodebajo de la CMCde la CMC
•3. COLOIDES DE ASOCIACIÓN
ColoidesColoides
Concentration del Concentration del tensioactivo tensioactivo porpor encimaencima
de la CMCde la CMC
83
CMCCMC
•3. COLOIDES DE ASOCIACIÓNColoidesColoides
CAMBIOS DE PROPIEDADES
ConcentraciónConcentración del del tensioactivotensioactivo
MagnitudMagnitud de de la la propiedadpropiedad TENSIÓN TENSIÓN
SUPERFICIALSUPERFICIAL
84
•3. COLOIDES DE ASOCIACIÓNColoidesColoides
ConcentraciónConcentración del del tensioactivotensioactivo
MagnitudMagnitud de de la la propiedadpropiedad TENSIÓN TENSIÓN
SUPERFICIALSUPERFICIAL
CMCCMC
SOLUBILIDAD DE SOLUBILIDAD DE UN SOLUTO UN SOLUTO APOLARAPOLAR
CAMBIOS DE PROPIEDADES
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SolutoSolutoapolarapolar
Concentration del tensioactivo Concentration del tensioactivo porpor debajodebajo de la CMCde la CMC
Concentration del Concentration del tensioactivo tensioactivo porpor encimaencima
de la CMCde la CMC
MétodosMétodos de de obtenciónobtención
1. 1. MétodosMétodos de de condensacióncondensación
2. 2. MétodosMétodos de de dispersióndispersión
3. 3. AdiciónAdición simple de la simple de la fasefase dispersadispersa al al mediomedio de de dispersióndispersión
ColoidesColoides
MétodosMétodos de de obtenciónobtención
1. 1. MétodosMétodos de de condensacióncondensación
ColoidesColoides
Crecimiento de partículas hasta tamaño coloidal: se parte de una solución verdadera y por reacción química se obtienen partículas insolubles de tamaño coloidal
MétodosMétodos de de obtenciónobtención
2. 2. MétodosMétodos de de dispersióndispersión
ColoidesColoides
Se parte de partículas mayores de tamaño coloidal:- Dispersión mecánica: molino coloidal (actúa por cizalla)
- Dispersión eléctrica: arco voltaico entre dos electrodos del metal que se quiere dispersar
MétodosMétodos de de obtenciónobtención
3. 3. AdiciónAdición simple de la FI al simple de la FI al mediomedio de de dispersióndispersión
ColoidesColoides
(Para sustancias que forman espontáneamentesoluciones coloidales)
Ejemplos:
• proteínas (albúmina, hemoglobina, ...)
• polisacáridos (almidón, MC, dextrinas, ...)
90
ColoidesColoides
MétodosMétodos de de eliminacióneliminación de de coloidescoloides
• Las partículas coloidales son demasiadopequeñas para ser separadas por métodos físicos(e.g. filtración).
• Se puede provocar la coagulación de laspartículas coloidales (aumentan de tamaño) hastaque puedan ser eliminadas por filtración.
91
ColoidesColoidesMétodosMétodos de de eliminacióneliminación de de coloidescoloides
MÉTODOS DE COAGULACIÓN
• Calentamiento (se facilita la colisión entre las
partículas y su atracción entre ellas)
• Adición de electrolitos (neutralización de las
cargas superficiales de las partículas coloidales)
• Diálisis: uso de membranas semipermeables que
separan iones de partículas coloidales.