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bibliográficas)
Algunas sustancias parecen disolverse inicialmente en un solvente, pero con el tiempo, la sustancia se separa del disolvente puro. Por ejemplo, partículas de arcilla finamente divididas dispersadas en agua eventualmente se asientan debido a la gravedad. La gravedad afecta a las partículas de arcilla porque son mucho más grandes que la mayoría de las moléculas, que consisten en miles o incluso millones de átomos. En contraste, las partículas dispersas en una solución verdadera (iones en una solución de sal o moléculas de glucosa en una solución de azúcar) son pequeñas (YouTube).
Entre estos
extremos se encuentran partículas dispersas que son más grandes que las
moléculas típicas, pero no tan grandes que los componentes de la mezcla se
separan bajo la influencia de la gravedad. Estos tipos intermedios de
dispersiones se denominan dispersiones coloidales o simplemente coloides. Los
coloides forman el intermedio gradual entre una mezcla homogénea y una mezcla
heterogénea. Al igual que las soluciones, los coloides pueden ser gases,
líquidos o sólidos.
El tamaño de
partículas se puede usar para clasificar una mezcla como coloide o solución.
Las partículas coloidales varían en diámetro de 5 a 1000 nm; Las partículas de
soluto son menores de 5 nm de diámetro. Una partícula coloidal puede incluso
consistir en una única molécula gigante. La molécula de hemoglobina, por
ejemplo, que transporta oxígeno en nuestra sangre, tiene dimensiones
moleculares de (6.5 * 5.5 * 5.0) nm y una masa molar de 64.500 g / mol.
Aunque las
partículas coloidales pueden ser tan pequeños que la dispersión parece uniforme
incluso bajo un microscopio, son lo suficientemente grandes para dispersar la
luz. En consecuencia, la mayoría de los coloides aparecen nublados u opacos a
menos que estén muy diluidos. (Por ejemplo, la leche homogeneizada es un
coloide de moléculas de grasa y proteína dispersas en agua).
Además, debido a
que dispersan la luz, un haz de luz puede verse cuando pasa a través de una
dispersión coloidal. Esta dispersión de la luz por las partículas coloidales,
es conocido como el efecto de Tyndall, y hace posible ver el rayo de luz de un
automóvil en un camino de tierra polvoriento, o la luz del sol que fluye a
través de árboles o de nubes. No todas las longitudes de onda se dispersan en
la misma medida. Los colores en el extremo azul del espectro visible se
dispersan más que los del extremo rojo por las moléculas y pequeñas partículas
de polvo en la atmósfera.
En un día cuando el cielo está cubierto, la luz del sol pasa
a través de la capa turbia de las nubes, dando lugar a la luz dispersa, difusa
en el suelo. Esto no exhibe la dispersión de Tyndall porque las gotitas de la
nube son más grandes que la longitud de onda de la luz y dispersan todos los
colores de igual manera aproximadamente. En un día en que el cielo despejado,
el color del cielo es azul debido a la dispersión de la luz, pero esto no se
denomina dispersión de Tyndall porque las partículas de dispersión son las moléculas
del aire. En ocasiones, el término efecto Tyndall se aplica incorrectamente a
la dispersión de la luz por partículas de polvo grandes (macroscópicas) en el
aire. El color del cielo se debe al efecto Rayleigh (YouTube), aunque ambos están
conectados y dependen del tamaño de las partículas disueltas en el aire.
Para que una dispersión de partículas califique para la
fórmula de Rayleigh, los tamaños de partículas deben ser inferiores a aproximadamente
40 nanómetros (para la luz visible). Las partículas coloidales son más grandes,
y están en la vecindad crítica del tamaño de una longitud de onda de la
luz. La dispersión de Tyndall, es decir,
la dispersión de partículas coloidales, es mucho más intensa que la dispersión
de Rayleigh debido a los tamaños de partícula más grandes implicadas en el
proceso. La importancia del factor de tamaño de partícula para la intensidad se
puede ver en el gran exponente que tiene en la declaración matemática de la intensidad
de la dispersión de Rayleigh.
La dispersión de Rayleigh (en honor a Lord Rayleigh, que fue
el primero en explicarlo en 1871) es la dispersión de la luz visible o
cualquier otra radiación electromagnética por partículas cuyo tamaño es mucho
menor que la longitud de onda de los fotones dispersados. Ocurre cuando la luz
viaja por sólidos y fluidos transparentes, pero se ve con mayor frecuencia en
los gases. La dispersión de Rayleigh de la luz solar en la atmósfera es la
principal razón de que el cielo se vea azul. En términos prácticos la dispersión implica un aumento de color a un
determinado espesor y un borrado de color a otro espesor. Al aumentar el
espesor el color que se dispersaba primero y era muy intenso se borra y solo se
aprecian los siguientes colores en ser dispersados. La fuerte dependencia de la
dispersión con la longitud de onda de la luz supone que en la atmósfera la luz
azul se dispersa mucho más rápido que la luz roja. En la atmósfera, esto
provoca que los fotones de luz azul se dispersen mucho más que los de
longitudes de onda mayores a 490nm; y por este motivo vemos el cielo azulado en
todas direcciones y sólo lo vemos enrojecido cuando el Sol se encuentra próximo
al horizonte, debido a que la luz atraviesa mucho más espesor de atmósfera y
los rayos que nos llegan están muy empobrecidos en fotones azules, previamente
dispersados.
Cabe destacar que,
a pesar del uso del término fotón, la ley de dispersión de Rayleigh fue
desarrollada antes de la invención de la mecánica cuántica y, por lo tanto, no
se basa fundamentalmente en la teoría moderna sobre la interacción de la luz
con la materia. No obstante, la dispersión de Rayleigh es una buena
aproximación a la forma en que la luz es dispersada por partículas mucho más
pequeñas que su longitud de onda.
Un iris azul en un ojo se debe a la dispersión de Tyndall en
una capa translúcida en el iris. Los iris castaños tienen la misma capa,
excepto con más melanina en ella. La melanina absorbe la luz. En ausencia de
melanina, la capa es translúcida (es decir, la luz que pasa a través de ella se
dispersa de forma aleatoria y difusa) y una parte notable de la luz que entra
en esta capa translúcida vuelve a emerger a través de una trayectoria
dispersada. Es decir, hay retrodispersión, la redirección de las ondas
luminosas de vuelta al aire libre.
La dispersión tiene lugar en mayor medida a las longitudes
de onda más cortas “azules y violetas”. Las longitudes de onda más largas
“rojos y anaranjados” tienden a pasar directamente a través de la capa
translúcida con trayectorias no alteradas, y luego encuentran la capa siguiente
más atrás en el iris, que es un absorbente de luz. Debido a que las longitudes
de onda más cortas son las longitudes de onda azules, esto da lugar a un tono azul
en la luz que sale del ojo.
El iris azul es un ejemplo de color estructural, en
contraposición al color del pigmento. La ausencia completa de pigmento en los
ojos (albinismo) hace que el ojo aparezca rojo, debido a la visibilidad del
rojo de la retina a través del iris.
Los coloides más
importantes son aquellos en los que el medio dispersante es agua. Estos
coloides pueden ser hidrofílicos "amantes del agua" o hidrófobos
"temerosos del agua". Los coloides hidrófilos son más parecidos a las
soluciones que hemos examinado anteriormente. En el cuerpo humano, las
moléculas de proteína extremadamente grandes tales como enzimas y anticuerpos
se mantienen en suspensión por interacción con moléculas de agua circundantes.
Una molécula hidrófila se pliega de tal manera que sus grupos hidrófobos están
alejados de las moléculas de agua, en el interior de la molécula doblada,
mientras que sus grupos polares hidrófilos están en la superficie,
interactuando con las moléculas de agua. Los grupos hidrófilos contienen
generalmente oxígeno o nitrógeno y con frecuencia llevan una carga.
Los coloides
hidrófobos sólo pueden dispersarse en agua si están estabilizados de alguna
manera. De lo contrario, su falta natural de afinidad por el agua hace que se
separen del agua. Un método de estabilización implica la adsorción de iones
sobre la superficie de las partículas hidrófobas. (Adsorción significa
adherirse a una superficie, difiere de la absorción, que significa pasar al
interior, como cuando una esponja absorbe agua). Los iones adsorbidos pueden
interactuar con el agua, estabilizando así el coloide. Al mismo tiempo, la
repulsión electrostática entre los iones adsorbidos sobre las partículas
coloides vecinas evita que las partículas se peguen en lugar de dispersarse en
el agua.
Los coloides hidrófobos también pueden estabilizarse mediante grupos hidrofílicos en sus superficies. Las gotas de aceite son hidrófobas, por ejemplo, y no permanecen suspendidas en agua. En su lugar, se agregan, formando una mancha de aceite en la superficie del agua. El estearato sódico, o cualquier sustancia similar que tenga un extremo que sea hidrófilo (ya sea polar o cargado) y un extremo que sea hidrófobo (no polar), estabilizará una suspensión de aceite en agua. La estabilización resulta de la interacción de los extremos hidrófobos de los iones estearato con las gotas de aceite y los extremos hidrofílicos con el agua.
Figura 27. Formación de micelas. En general los ácidos carboxílicos y ácidos grasos
poseen un extremo polar soluble, por lo que pueden estabilizarse formando una
gotita con las puntas solubles mirando al exterior y las colas no solubles
formando una masa interna.
La estabilización coloidal tiene una aplicación interesante
en el sistema digestivo humano. Cuando las grasas en nuestra dieta llegan al
intestino delgado, una hormona hace que la vesícula biliar excrete un líquido
llamado bilis. Entre los componentes de la bilis se encuentran los compuestos
que tienen estructuras químicas similares al estearato sódico; Es decir, tienen
un extremo hidrófilo (polar) y un extremo hidrofóbico (no polar). Estos
compuestos emulsionan las grasas en el intestino y permiten así la digestión y
absorción de vitaminas liposolubles a través de la pared intestinal. El término
emulsionar significa "formar una emulsión", una suspensión de un
líquido en otro, siendo la leche un ejemplo. Una sustancia que ayuda a la
formación de una emulsión se llama un agente emulsionante. Si usted lee las
etiquetas en los alimentos y otros materiales, encontrará que una variedad de
productos químicos se utiliza como agentes emulsionantes. Estos productos
químicos típicamente tienen un extremo hidrófilo y un extremo hidrófobo. Aunque
el término sustancia química los hace ver como venenos, en realidad muchos de
ellos son ácidos grasos como los empleados por las membranas celulares para
construirse a sí mismas.
Las moléculas de gas se mueven a una velocidad media que
depende inversamente de su masa molar, en línea recta, hasta que chocan con
algo. La trayectoria libre media es la distancia media que las moléculas viajan
entre las colisiones. La teoría cinética-molecular de los gases supone que las
moléculas de gas están en movimiento continuo y aleatorio. Las partículas
coloidales en una solución sufren movimientos aleatorios como resultado de
colisiones con moléculas disolventes.
Debido a que las partículas coloidales son masivas en
comparación con las moléculas de disolvente, sus movimientos de cualquier
colisión son muy pequeños. Sin embargo, hay muchas de tales colisiones, y
causan un movimiento al azar de la partícula coloidal entera, llamada
movimiento browniano. En 1905, Einstein desarrolló una ecuación para el
cuadrado medio del desplazamiento de una partícula coloidal, un desarrollo
históricamente muy importante ya que fue empleada para demostrar la existencia
de los átomos. Como es de esperar, cuanto más grande es la partícula coloidal,
más corta es su trayectoria libre media en un líquido dado. Hoy en día, la
comprensión del movimiento browniano se aplica a diversos problemas en todo,
desde la elaboración del queso hasta la obtención de imágenes médicas.
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