soluciones coloidales y efecto tyndall · partículas con tamaños en el rango de 1 nm - 1 µm....
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Soluciones Coloidales yefecto Tyndall
Dr. Santiago Botasini
Coloides vs Soluciones verdaderas
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1
3
Mezcla a nivel molecular o iónico de dos
sustancias o más que no reaccionan entre sí
para dar lugar a un sistema homogéneo con
una única fase.
Disoluciones
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Disoluciones
5
Dispersión de partículas
La velocidad de sedimentación es proporcional al
cuadrado del diámetro de la partícula. Por lo tanto
partículas pequeñas sedimentan muy lentamente
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Un sistema coloidal o coloide es un sistema
heterogéneo, formado por una fase continua en la
cual se dispersa otra fase en forma de entidades o
partículas con tamaños en el rango de 1 nm - 1 µm.
Sistema Coloidal
Ejemplos
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Emulsiones: Dispersión coloidal de un líquido en otro inmiscible con él.
Soles: Coloides inestables o metaestables. La partícula dispersante es sólida y la
fase dispersa líquida.
Aerosoles: sistemas coloidales con partículas líquidas o sólidas muy finalmente
subdivididas dispersadas en un gas.
Geles: Coloides dónde la fase dispersa es líquida y la fase continua es sólida.
Espumas: Coloides en donde la partícula dispersante es un gas y la fase dispersa
es líquida.
Características
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Partículas (generalmente más de una molécula, cristales, gotas, burbujas)
Medio continuo (gas, liquido, sólido).
Requieren de un agente estabilizador o Surfactante.
Por su tamaño pequeño no precipitan con la gravedad.
Presentan movimiento Browniano.
Coloide
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FASE
DISPERSANTE
FASE
DISPERSA
Disoluciones verdaderas vs. Coloides
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Átomos, Moléculas pequeñas o iones.
Generalmente transparentes.
No presentan efecto Tyndall.
El soluto no precipita.
No se puede separar por filtración.
DISOLUCIONES COLOIDES
Tamaño de partículas entre 1nm y 1µm.
Presentan fenómeno Tyndall.
Algunas son opacas.
El soluto puede precipitar.
Se puede separar por filtración.
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Estabilización del coloide
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Compresión de la doble capa.
Neutralización cargas.
Atrapamiento en un precipitado.
Formación de puentes inter-partículas
¿Cuándo se rompe la estabilidad coloidal?
Dispersión de Luz: Efecto Tyndall, Rayleigh, Mie
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Interacción de la radiación electromagnética con la materia
Rayleigh – Mie – Tyndall – Smoluchowski - Debye
Aportes a la teoría de la dispersión de la
radiación electromagnética
Conceptos importantes
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Conceptos importantes
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Distintos tipos de dispersiones
RayleighDispersión de luz generadapor partículas con untamaño mucho menor quela longitud de onda de laluz incidente.
MieDispersion de luzgenerada por partículasesféricas con un tamañomenor que la longitud deonda de la luz incidente.
TyndallDispersión de luz generadapor partículas de mayortamaño, asociada a lassoluciones coloidales.
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Estática
(elástica, Rayleigh,
clásica)
• Ocurre a la misma longitud de
onda que la luz incidente.
• Su intensidad varía con 1/λ4
y con d6.
Dinámica
(Mie)
• Producida por partículas
esféricas de distinto tamaño (d).
• Su intensidad varía con d2.
• Cuando d<< λ, Rayleigh
coincide con Mie.
Dispersión de luz
Efecto Tyndall
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Efecto Tyndall
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Empleando el celular
La cámara del celular es útilpara registrar variaciones enintensidades de luz.
Variación con la concentración
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Concentrada Diluida
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-1.4 -1.2 -1.0 -0.8 -0.6 -0.4 -0.2 0.070
80
90
100
110
120
Inte
nsid
ad
log (F)
Midiendo el promedio de intensidad de grises
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5 nm 30 nm 50 nm 80 nm
Variación con el tamaño de partícula
Aplicaciones
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H2O sin filtrar H2O filtrada
Filtro de 0.22 μm
Aplicaciones
DLSTécnica que mide el radiohidrodinámico de laspartículas. El detector seencuentra a 90º respecto alhaz incidente.
TurbidimetríaTécnica que mide lavariación de intensidad deluz al pasar por una ciertamuestra. El detector seencuentra en la mismadirección del haz incidente.
NefelometríaTécnica que mide la variaciónde intensidad de luz al pasarpor una cierta muestra. Eldetector se encuentra a 90ºrespecto al haz incidente.
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Nefelometría y turbidimetría
Nefelómetro, DLS, Espectrofotómetro
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Movimiento Browniano
32
3
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Movimiento aleatorio de las partículas causado por las colisiones
con las moléculas del solvente, las cuales se mueven por
agitación térmica.
Movimiento Browniano
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Movimiento Browniano
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Movimiento Browniano
Estabilidad coloidal
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Doble capa electroquímica
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Las partículas coloidales presentan Energías de atracción (VA) y
Energías de repulsión (VR); dónde la resultante (VT) determina la
estabilidad del coloide.
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Fuerzas atractivas (Van der
Waals)
Fuerzas de repulsión
(electroestáticas)
¿Cómo se logra la estabilidad de los coloides?
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- -
-
-
-
-
---
-
-
--
--
+++
++
+
+ + +++
++
+
+
+
+-
- -
--
-
-
-
-
-
-
--
-
+++
+
+
+ + +++
++
+
+
+
+
-
Baja concentración iónica
Alta concentración iónica
Compresión de
la doble capa
¿Cuándo se rompe la estabilidad coloidal?
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Neutralización cargas
+++
++
+
+ + +++
++
+
+
+
+ +++
++
+
+ + +++
++
+
+
+
+
REPULSION ATRACCIÓN
Sin Neutralizar las cargas Cargas Neutralizadas
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¿Cómo se logra la estabilidad de los coloides?
Estabilización estérica
La Macromolécula que
recubre la partícula
impide el acercamiento
estrecho entre las
partículas
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Compresión de la doble capa.
Neutralización cargas.
Atrapamiento.
Formación de puentes entre partículas.
¿Cuándo se rompe la estabilidad coloidal?
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Atrapamiento por un precipitado
Cuando se forma un
precipitado, este por arrastre
puede inducir la floculación
del sistema coloidal.
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Formación de puentes inter-partículas
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Las DNAzymas son moléculas que catalizan la
ruptura de una hebra de DNA de determinada
secuencia.
Para el desarrollo de un sensor de plomo se utilizó
una DNAzyma que se activa ante la presencia de Pb2+
Formación de puentes inter-partículas
(Aplicaciones)
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Sensores colorimétricos
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LIBRES AGREGADAS
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Estados de agregación de las partículas
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Estados de agregación de las partículas
Partículas
LibresFloculación Coalescencia
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Estados de agregación de las partículas
0 20 40 60 80 1000.0
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
0 20 40 60 80 1000.0
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
0 20 40 60 80 1000.0
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
0 20 40 60 80 1000.0
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
Fra
cció
n d
e A
gN
Ps n
o a
gre
gad
as
[NaNO3] (mM)
F
racció
n d
e A
gN
Ps n
o a
gre
gad
as
[NaBr] (mM)
dc
b
Fra
cció
n d
e A
gN
Ps n
o a
gre
gad
as
[NaCl] (mM)
a
Fra
cció
n d
e A
gN
Ps n
o a
gre
gad
as
[NaF] (mM)
Análisis del tamaño de partículas por dispersión de
luz (DLS)53
5
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¿Por qué se forman los speckles?
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Radio hidrodinámico
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¿De qué depende el radio hidrodinámico?
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¿De qué depende el radio hidrodinámico?
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¿De qué depende el radio hidrodinámico?
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¿De qué depende el radio hidrodinámico?
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El movimiento aleatorio de las partículas produce fluctuaciones aleatorias en la señal de intensidad,
que surgen de las interferencias constructivas y destructivas de la luz dispersada
DLS
Función de autocorrelación
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Función de autocorrelación
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A: es el área de “coherencia” de un único speckle.
r: es la distancia de la fuente de luz
λ: es la longitud de onda del haz
x: es el radio del volumen que forma la esfera del
speckle
Resolución
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Función de autocorrelación
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Polidispersa
Monodispersa
Γ = Dq2
Función de autocorrelación
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Función de autocorrelación
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¿Cómo se obtiene información a partir de la función de autocorrelación?
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¿Cómo se obtiene información a partir de la función de autocorrelación?
Algoritmos
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Cumulants method
Calcula de función de distribución a partir de una expansión en
serie.
CONTIN
Calcula la función de la distribución aplicando la inversa de la
transformación de Laplace e impone un factor de
NNLS
Calcula la Función de distribución aplicando la inversa de la
transformada de Laplace, pero con la restricción de no aceptar
coeficientes negativos.
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Resolución
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¿Qué información se obtiene a partir de la función
de autocorrelación?
75
¿Qué información se obtiene a partir de la función
de autocorrelación?
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¿Qué información se obtiene a partir de la función
de autocorrelación?
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Polymodal distributions
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Índice de polidispersión
𝜞 𝒚 𝒌 representan
el promedio y la
varianza función
de intensidad.
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¿Qué información brindan los
gráficos ?
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Intensidad
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¿Qué información brindan los gráficos ?
Aspectos prácticos de las medidas por DLS
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6
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Filtrar el analito para eliminar las partículas de polvo.
Asegurarse que las interacciones electroestáticas no afecten los
resultados. Se recomienda medir con una disolución 1mM de KCl,
en caso que la fuerza iónica sea baja.
La muestra no puede absorber o presentar fluorescencia en la
longitud de onda del laser del equipo.
Buenas prácticas de medida
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Medir siempre con tapa para evitar la entrada del polvo.
Tener en cuenta la forma de la función de autocorrelación a la hora de
examinar los resultados.
Confirmar repetitividad de las medidas.
Lavar las celdas y todo el material a utilizar con abundante agua ultrapura.
Buenas prácticas de medida
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Transparente.
Conocer el índice de refracción de la muestra.
Conocer la Viscosidad de la muestra.
Evitar la agregación de partículas.
Muestra libre de polvo.
Concentración adecuada. OJO
LAS MEDIAS POR DNO DEPENDEN DE LA CONCENTRACIÓN
Requerimientos de la muestra
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Concentración de la muestra
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Verificar la performance del equipo
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Análisis de la distribución de tamaños
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Log-Normal
Problemas comunes
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Problemas comunes
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Problemas comunes
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Problemas comunes
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Problemas comunes
El fenómeno de dispersión múltiple
se traduce en distribuciones de
partículas mayores y los radios
promedios son menores.
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Problemas comunes
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¿Cómo visualizar los problemas?
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Reporte de resultados
ISO 13321
Potencial Z
98
7
99
100
¿Cómo se mide el potencial Z?
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¿Cómo se mide el potencial Z?
102
¿Cómo se mide el potencial Z?
103
¿Qué define la estabilidad del coloide?
104
¿Cómo se mide el potencial Z?
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Algoritmos
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Efecto del pH
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Consideraciones prácticas
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Consideraciones prácticas
Lecturas sugeridas
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Rodriguez, L. J., Sistemas Coloidales en Farmacia (Universidad de Salamanca, 2008).
Kerker, M., Classics and classicists of colloid and interface science: 6. John Tyndall. J. Colloid
Interface Sci. 119, 602-604 (1987).
Ninham, B. W., On progress in forces since the DLVO theory. Adv. Colloid Interfac. 83, 1-17 (1999).
Pashley, R. M., DLVO and Hydration Forces between Mica Surfaces in Li +, Na +, K +, and Cs +
Electrolyte Solutions: A Correlation of Double-Layer and Hydration Forces with Surface Cation
Exchange Properties. Journal of Colloid and Interface Science 83, 531-546 (1981).
Inés P. A. Morais, Ildikó V. Tóth, and António O. S. S. Rangel, Turbidimetric and Nephelometric
Flow Analysis: Concepts and Applications Spectroscopy Letters, 39: 547–579, 2006
110
¿Preguntas?