QUIMICA DE SUPERFICIES: COLOIDES
QUIMICA DE SUPERFICIES Y EQUILIBRIO DE FASES EN SISTEMAS DE UNA COMPONENTE (COLOIDES)
La química física de superficies consiste fundamentalmente en el estudio químicofísico de las interfases derivadas de los tres estados de la materia: sólido, líquido y gas. Cuando se aborda el estudio de un sistema compuesto por varias fases resulta frecuente que se ignoren las zonas de contacto entre las diferentes fases o interfases. Generalmente estas interfases estarán compuestas por un número muy pequeño de moléculas si se compara con el seno de las distintas fases, y, por tanto, la aproximación de ignorar las interfases estará justificada. Sin embargo, existen muchas situaciones en las que es la interfase la que determina el comportamiento y propiedades del sistema que se estudia. Corrosión, lubricación, catálisis heterogénea, detergencia, sistemas coloidales, procesos electroquímicos, membranas biológicas, etc, son algunas de las situaciones en las que la interfase resulta ser la protagonista de la historia, y los sistemas coloidales vienen siendo a final el puente que comunica a las suspensiones con las soluciones, pero como sirven de puente y que utilidad tienen en nuestro entorno?, es aquí donde intervienen los coloides; son una dispersión de partículas de una sustancia (la fase dispersa) entre un medio dispersor formado por otra sustancia. Una suspensión coloidal carece de homogeneidad de una solución común es decir la fase dispersa y el medio dispersor pueden ser líquidos, sólidos y gases o una combinación de estas fases. Las partículas coloidales miden de 1 nm a un nm, sus partículas son más grandes que las moléculas que forman las soluciones. Los coloides están compuestos de dos partes: la fase dispersa o partículas dispersas: esta fase corresponde al soluto en las soluciones, y está constituida por moléculas sencillas o moléculas gigantes como el almidón, pueden actuar como partículas independientes o agruparse para formar estructuras mayores y bien organizadas y la fase de la dispersión o medio dispersante: es la sustancia en la cual las partículas coloidales están distribuidas. Esta fase corresponde al solvente en las soluciones, la leche es un coloide; la grasa constituye las partículas dispersas y el agua es el medio dispersante. Según el estado físico en que se encuentren la fase dispersa y el medio dispersante, los coloides toman diferentes nombres tales como: sales, geles, espumas, aerosoles, líquidos, aerosoles, solidos, espumas sólidas, emulsiones sólidas, entre otros, cabe mencionar algunos ejemplos de ellos: pintura, gelatina, leche, cremas, nubes, humo, caucho, y algunas aleaciones. Los coloides según la afinidad entre la fase dispersa y la dispersante pueden ser: liofóbicos o liófobos: si las partículas dispersas tienen poca afinidad por el medio dispersante. Estos coloides son poco estables y muy difíciles de reconstituir ejemplo: el aceite 1
FISICOQUIMICA
QUIMICA DE SUPERFICIES: COLOIDES
suspendido en el agua. Este tipo de coloides corresponden a una dispersión de una fase en otra de distinto tipo químico y liofílicos: si las partículas tienen fuerte afinidad al medio de suspensión. Estos coloides son fáciles de reconstituir si el sistema coloidal es roto. Ejemplo: el jabón disperso en agua, gelatina en agua, caucho en benceno. La estabilización coloidal se consigue de dos formas: mediante los llamados colóides protectores: son colóides hidrófilos y su acción estabilizadora se debe a la formación de una capa monomolecular que rodea a las gotitas del colóide hidrófobo. La parte hidrocarbonada está dirigida hacia dentro atraídas por las moléculas del aceite y los grupos polares, están dirigidos hacia la superficie atraídos por el conjunto de moléculas de agua. Por absorción de iones: tiene lugar en colóides hidrófobos de naturaleza inorgánica, al formarse las partículas coloidales, éstas, adsorben iones, presentes en el medio dispersivo, esta absorción es selectiva, las partículas solo adsorben una especie de iones, como resultado de esta adsorción selectiva, las partículas coloidales, se cargan eléctricamente. Esta carga es variable de unas micelas a otras, aunque siempre del mismo signo, entonces las micelas se repelen entre sí, evitando que se unan unas con otras. Por otra parte, en la formación de coloides se emplean los siguientes métodos: dispersión: consiste en reducir de tamaño pedazos grandes de materia el batido y la agitación se emplean para formar emulsiones y espumas como la mayonesa y la nata batida. El almidón, la cola, la gelatina, se disgregan espontáneamente en partículas coloidales cuando se colocan en el agua. Calentando y agitando se acelera el proceso y condensación: la formación de la niebla y las nubes son los mejores ejemplos de condensación. También, la formación de sustancias insolubles a partir de soluciones, la formación del negro de humo que es la forma coloidal del carbón y se emplea para fabricar la tinta de imprenta y la tinta china. Los coloides cobran gran importancias, todos los tejidos vivos son coloidales. El suelo en parte está constituido de una materia coloidal. Muchos de los alimentos que ingerimos son coloides: el queso, la mantequilla, las jaleas, la mayonesa, la leche. En la industria, los cauchos, los plásticos, las pinturas, las lacas. En la fabricación de las cerámicas, los plásticos, los textiles, el papel, jabones, insecticidas agrícolas, purificación y flotación de minerales, dependen de la absorción en la superficie de materia coloidal, con todos los aportes y gran utilidad de los coloides en la química de superficies estos pueden ser definidos como un puente que comunica a las suspensiones con las soluciones, es decir, son un paso intermedio entre ambas. JUAN MANUEL GUTIERREZ, FISICOQUIMICA UPC. 2
FISICOQUIMICA
QUIMICA DE SUPERFICIES: COLOIDES
Ensayo olga.
LA QUIMICA Y LAS SUPERFICIES: QUIMICA INTERFACIAL
Gran parte de las ciencias experimentales y naturales están basadas en el lenguaje molecular de la química cuya capacidad es construir, comprender y manejar "moléculas ", medir y predecir sus propiedades, modelar su comportamiento y aplicarlo al armado en bloques para lograr materiales de propiedades predefinidas, reconocimiento molecular y diseño de dispositivos para la detección e identificación de especies químicas. Desde fines del siglo XIX, la expansión de la química brindó a la sociedad materiales plásticos, medicamentos, fertilizantes, herbicidas, armas y gran cantidad de sustancias de uso diario. Entre los nuevos desafíos de la química hoy cabe mencionar el procesado de las materias primas en forma sustentable (verde), la comprensión molecular del funcionamiento de la biología para mejorar la calidad de vida a través de la química, y copiar de la biología mecanismos (biomimética) para obtener materiales y energía sustentable con el ambiente, por ejemplo la fotosíntesis artificial para la conversión de energía solar en moléculas útiles y electricidad, el autoensamblado molecular basado en interacciones supramoleculares altamente selectivas para desarrollar fuentes de energía alternativas al petróleo, uso prudente e inteligente de los recursos naturales, mejorar la salud humana, combatir el hambre, etc. Las interfaces entre fases o regiones de distintas propiedades físicas y químicas juegan un importante papel en la biología, los materiales, catálisis, conversión de energía química en eléctrica, detectores químicos de alta selectividad y sensibilidad, etc. Tal es su importancia que la existencia de cavidades delimitadas por membranas que separan la química en el interior de las células vivas respecto del medio exterior hostil a las biomoléculas ha permitido la vida en el planeta Tierra basada en procesos químicos en dichas interfaces. Dicha química interfacial es compatible con la continuidad de la vida en la Tierra, de ahí la importancia de la biomética que trata de compren-der y replicar la química en los seres vivos y aplicarla a procesos para conversión de energía, desarrollo de materiales, salud, protección del ambiente, alimentos, etc. El almacenamiento de energía eléctrica en energía contenida en los enlaces entre los átomos y la conversión de ésta nuevamente en energía eléctrica por ejemplo en baterías y en celdas de combustible ocurre debido a reacciones químicas en interfaces entre medios de diferente conductividad eléctrica, siendo 3
FISICOQUIMICA
QUIMICA DE SUPERFICIES: COLOIDES
dichas reacciones químicas las llaves o conmutadores para la conducción de la electricidad en dichas interfaces. En la detección de niveles de ultra vestigios de contaminantes en aguas, aire, suelos o en alimentos se requieren detectores químicos que permiten el reconocimiento molecular y la transducción de una señal óptica o eléctrica que luego pueda procesarse. Dichas etapas de reconocimiento molecular, transducción de información química en óptica o eléctrica requieren de la química en las interfaces, bien porque las superficies amplifican concentrando moléculas o bien porque lo hacen mediante procesos fotofísicos, fotoquímicos o electroquímicos. En la remediación de contaminantes en el aire, suelos o aguas las interfaces aportan gran área superficial en los coloides o en las estructuras tridimensionales porosas que permite la adsorción , es decir la interacción física y química de las moléculas que prefieren situarse en la superficie respecto del medio en contacto. La química de interfaces también resulta relevante en tratamientos y acabo de superficies, cuyas propiedades deben ser diferentes de los respectivos materiales en volumen, p.ej. en pinturas, cromados, niquelados, etc.; o bien en superficies funcionales con propiedades antibacterianas, superhidrofóbicas, autolimpiantes, catalíticas; o propiedades ópticas particulares (p.ej. lentes de contacto con superficie coloreada), superficies anti-reflectantes, etc. Los procesos de deterioro de materiales por corrosión y las tecnologías para su prevención están basados también en reacciones químicas en interfaces. En catálisis heterogénea para aplicaciones desde la petroquímica hasta la síntesis de fármacos, las reacciones químicas en interfaces determinan la selectividad y el grado de conversión del proceso. En particular, en una economía post petróleo la humanidad enfrenta el desafío de contar con procesos químicos sustentables para la fabricación fundamentalmente de fibras y combustibles que hoy se obtienen del petróleo. Dicha química debe ser sustentable (verde) desde la producción, durante su uso y aún en la etapa de desecho (debe planificarse la química de los procesos y productos “desde la cuna hasta el féretro”). En nanotecnología, las propiedades están determinadas por el tamaño en la escala del nanómetro o sea la escala de las moléculas (1 nanómetro es la mil millo-nésima parte de un metro), así la interacción con la luz, las propiedades magnéticas, eléctricas, temperatura de fusión, etc. cambian dramáticamente en dicha escala en relación a las mismas en escala macroscópica. En particular dado que la relación área/ volumen crece inversamente al radio de la partícula, las 4
FISICOQUIMICA
QUIMICA DE SUPERFICIES: COLOIDES
propiedades de la interfaces partícula/medio son fundamentales ya que a menor tamaño será mayor la superficie por unidad de volumen. La química que ocurre en dichas interfaces es de gran interés tanto científico como tecnológico: p.ej. en diagnóstico y terapéutica, en materiales como las nuevas pinturas para automóviles, nano partículas utilizadas para descontaminación, nuevos catalizadores en celdas de combustible, baterías de alta densidad de potencia en dispositivos electrónicos y en autos híbridos y eléctricos, etc.
5
FISICOQUIMICA
