11.5 Coloides

Preparación de sistemas coloidales

Los coloides se preparan produciendo partículas de dimensiones coloidales y distribuyendo estas partículas en un medio de dispersión. Las partículas de tamaño coloidal se forman mediante dos métodos:

1. Métodos de dispersión: descomponer las partículas más grandes. Por ejemplo, los pigmentos para pintura se producen dispersando partículas grandes mediante la molienda en molinos especiales.
2. Métodos de condensación: crecimiento a partir de unidades más pequeñas, como moléculas o iones. Por ejemplo, las nubes se forman cuando las moléculas de agua se condensan y forman gotas muy pequeñas.

Algunas sustancias sólidas, al entrar en contacto con el agua, se dispersan de manera espontánea y forman sistemas coloidales. La gelatina, el pegamento, el almidón y la leche en polvo deshidratada se comportan de esta manera. Las partículas ya tienen un tamaño coloidal; el agua simplemente las dispersa. Las partículas de leche en polvo de tamaño coloidal se producen mediante la deshidratación de la leche en aerosol. Algunos atomizadores producen dispersiones coloidales de un líquido en el aire.

Una emulsión se puede preparar agitando o mezclando dos líquidos inmiscibles. Esto rompe un líquido en gotas de tamaño coloidal, que luego se dispersan por el otro líquido. Los vertidos de petróleo en el océano pueden ser difíciles de limpiar, en parte porque la acción de las olas puede hacer que el petróleo y el agua formen una emulsión. Sin embargo, en muchas emulsiones, la fase dispersa tiende a fusionarse, formar grandes gotas y separarse. Por ello, las emulsiones suelen estabilizarse con un agente emulsificante, una sustancia que inhibe la coalescencia del líquido disperso. Por ejemplo, un poco de jabón estabilizará una emulsión de queroseno en agua. La leche es una emulsión de grasa butírica en agua, con la proteína caseína como agente emulsificante. La mayonesa es una emulsión de aceite en vinagre, con componentes de yema de huevo como agentes emulsificantes.

Los métodos de condensación forman partículas coloidales por agregación de moléculas o iones. Si las partículas crecen más allá del rango de tamaño coloidal, se forman gotas o precipitados, y no se produce ningún sistema coloidal. Las nubes se forman cuando las moléculas de agua se agrupan y forman partículas del tamaño de un coloide. Si estas partículas de agua se unen para formar gotas de agua líquida suficientemente grandes o cristales de agua sólida, se asientan en el cielo en forma de lluvia, aguanieve o nieve. Muchos métodos de condensación implican reacciones químicas. Se puede preparar una suspensión coloidal roja de hidróxido de hierro(III) mezclando una solución concentrada de cloruro de hierro(III) con agua caliente:

Un sol de oro coloidal resulta a partir de la reducción de una solución muy diluida de cloruro de oro(III) por un agente reductor como el formaldehído, el cloruro de estaño(II) o el sulfato de hierro(II):

Algunos soles de oro preparados en 1857 siguen intactos (las partículas no se han fusionado ni asentado), lo que ilustra la estabilidad a largo plazo de muchos coloides.

Jabones y detergentes

Los pioneros fabricaban el jabón hirviendo las grasas con una solución fuertemente básica obtenida por lixiviación de carbonato de potasio, K₂CO₃, a partir de cenizas de madera con agua caliente. Las grasas animales contienen poliésteres de ácidos grasos (ácidos carboxílicos de cadena larga). Cuando las grasas animales se tratan con una base como el carbonato de potasio o el hidróxido de sodio, se forma glicerol y sales de ácidos grasos como el palmítico, el oleico y el esteárico. Las sales de los ácidos grasos se llaman jabones. La sal sódica del ácido esteárico, el estearato de sodio, tiene la fórmula C₁₇H₃₅CO₂Na y contiene una cadena de hidrocarburo no polar sin carga, la unidad C₁₇H₃₅—, y un grupo carboxilato iónico, la unidad —${\text{CO}}_2{}^{\text{–}}$ (Figura 11.31).

Figura 11.31 Los jabones contienen un extremo hidrocarbonado no polar (azul) y un extremo iónico (rojo). El extremo iónico es un grupo carboxilato. La longitud del extremo de hidrocarburo puede variar de un jabón a otro.

Los detergentes (sustitutos del jabón) también contienen cadenas de hidrocarburos no polares, C₁₂H₂₅—, y un grupo iónico, como un sulfato—${\text{OSO}}_3{}^{\text{–}},$ o un sulfonato—${\text{SO}}_3{}^{\text{–}}$ (Figura 11.32). Los jabones forman compuestos insolubles de calcio y magnesio en el agua dura; los detergentes forman productos solubles en el agua, lo que supone una clara ventaja para los detergentes.

Figura 11.32 Los detergentes contienen un extremo hidrocarbonado no polar (azul) y un extremo iónico (rojo). El extremo iónico puede ser un sulfato o un sulfonato. La longitud del extremo de hidrocarburo puede variar de un detergente a otro.

La acción limpiadora de los jabones y detergentes puede explicarse en términos de las estructuras de las moléculas implicadas. El extremo hidrocarbonado (no polar) de una molécula de jabón o detergente se disuelve en sustancias no polares, como el aceite, la grasa o las partículas de suciedad, o es atraído por ellas. El extremo iónico es atraído por el agua (polar), como se ilustra en la Figura 11.33. Como resultado, las moléculas de jabón o detergente se orientan en la interfaz entre las partículas de suciedad y el agua, por lo que actúan como una especie de puente entre dos tipos diferentes de materia, la no polar y la polar. Este tipo de moléculas se denominan anfifílicas, ya que tienen una parte hidrofóbica ("temerosa del agua") y otra hidrofílica ("amante del agua"). Como consecuencia, las partículas de suciedad quedan suspendidas en forma de partículas coloidales y son arrastradas con facilidad.

Figura 11.33 Este corte transversal en forma de diagrama de una gota de aceite emulsionada en agua muestra cómo el jabón o el detergente actúan como emulsionantes.

La química en la vida cotidiana

Derrame de petróleo de Deepwater Horizon

La explosión de la plataforma petrolífera Deepwater Horizon el 20 de abril de 2010 en el Golfo de México, cerca de Mississippi, dio comienzo al mayor vertido de petróleo marino de la historia de la industria petrolífera. En los 87 días siguientes a la explosión, se calcula que se derramaron 4,9 millones de barriles (210 millones de galones) de petróleo del pozo roto, a 5.000 pies bajo la superficie del agua. El pozo se declaró finalmente sellado el 19 de septiembre de 2010.

El petróleo crudo es inmiscible y menos denso que el agua, por lo que el petróleo derramado subió a la superficie del agua. Se utilizaron barreras flotantes, barcos separadores de aceites flotantes y quemas controladas para eliminar el petróleo de la superficie del agua en un intento por proteger las playas y los humedales de la costa del Golfo. Además de la eliminación del petróleo, también se intentó reducir su impacto medioambiental haciéndolo "soluble" (en el sentido amplio del término) y permitiendo así que se diluyera hasta niveles que se espera que sean menos dañinos por el gran volumen de agua del océano. Para ello se utilizaron 1,84 millones de galones del dispersante de petróleo Corexit 9527, la mayoría de los cuales se inyectaron bajo el agua en el lugar de la fuga, y se rociaron pequeñas cantidades sobre el derrame. Corexit 9527 contiene 2-butoxietanol (C₆H₁₄O₂), una molécula anfifílica cuyos extremos polares y no polares son útiles para emulsionar el petróleo en pequeñas gotas, aumentando el área superficial del petróleo y haciéndolo más disponible para que lo digieran las bacterias marinas (Figura 11.34). Si bien este enfoque evita muchos de los peligros inmediatos que el petróleo a granel supone para los ecosistemas marinos y costeros, introduce la posibilidad de efectos a largo plazo derivados de la introducción de los componentes complejos y posiblemente tóxicos del petróleo en la cadena alimentaria del océano. Varias organizaciones participan en el seguimiento del impacto prolongado de este derrame de petróleo, incluida la Oficina Nacional de Administración Oceánica y Atmosférica (visite este sitio web para obtener más detalles).

Figura 11.34 (a) Esta imagen de satélite de la NASA muestra la marea negra del derrame de Deepwater Horizon. (b) Un avión de las Fuerzas Aéreas de los EE. UU. rocía Corexit, un dispersante. (c) Se muestra la estructura molecular del 2-butoxietanol (créditos: a: modificación del trabajo de "NASA, FT2, demis.nl"/Wikimedia Commons; b: modificación del trabajo de "NASA/MODIS Rapid Response Team"/Wikimedia Commons).

Propiedades eléctricas de las partículas coloidales

Las partículas coloidales dispersas suelen estar cargadas eléctricamente. Una partícula coloidal de hidróxido de hierro(III), por ejemplo, no contiene suficientes iones de hidróxido para compensar exactamente las cargas positivas de los iones de hierro(III). Así, cada partícula coloidal individual tiene una carga positiva y la dispersión coloidal está formada por partículas coloidales cargadas y algunos iones de hidróxido libres que mantienen la dispersión eléctricamente neutra. La mayoría de los coloides de hidróxido metálico tienen cargas positivas, mientras que la mayoría de los metales y sulfuros metálicos forman dispersiones con carga negativa. Todas las partículas coloidales de cualquier sistema tienen cargas del mismo signo. Esto ayuda a mantenerlas dispersas porque las partículas que contienen cargas similares se repelen entre sí.

La naturaleza cargada de algunas partículas coloidales puede aprovecharse para eliminarlas de diversas mezclas. Por ejemplo, las partículas que componen el humo suelen estar dispersas coloidalmente y cargadas eléctricamente. Frederick Cottrell, un químico estadounidense, desarrolló un proceso para eliminar estas partículas. Las partículas cargadas son atraídas por electrodos altamente cargados, donde se neutralizan y se depositan como polvo (Figura 11.36). Se trata de uno de los métodos importantes utilizados para limpiar el humo de diversos procesos industriales. El proceso también es importante para la recuperación de productos valiosos a partir del humo y el polvo de combustión de las fundiciones, los hornos y las calderas. También existen filtros de aire electrostáticos similares diseñados para uso doméstico con el fin de mejorar la calidad del aire interior.

Retrato de un químico

Frederick Gardner Cottrell

Figura 11.35 (a) Frederick Cottrell desarrolló (b) el precipitador electrostático, un dispositivo diseñado para frenar la contaminación atmosférica eliminando las partículas coloidales del aire (créditos b: modificación del trabajo de "SpLot"/Wikimedia Commons).

Nacido en Oakland, California, en 1877, Frederick Cottrell devoraba los libros de texto como si fueran novelas y se graduó de la escuela secundaria a los 16 años. A continuación, ingresó en la Universidad de California (UC), en Berkeley, donde obtuvo una licenciatura en tres años. Ahorró dinero de su salario anual de 1200 dólares como profesor de química en la escuela secundaria de Oakland para financiar sus estudios de química en Berlín con el premio Nobel Jacobus Henricus van 't Hoff, y en Leipzig con Wilhelm Ostwald, otro premio Nobel. Tras obtener su doctorado en química física, regresó a Estados Unidos para enseñar en la Universidad de California en Berkeley. También fue consultor de la empresa DuPont, donde desarrolló el precipitador electrostático, un dispositivo diseñado para frenar la contaminación atmosférica eliminando las partículas coloidales del aire. Cottrell utilizó los ingresos de su invento para fundar una corporación de investigación sin fines de lucro para financiar la investigación científica.

Figura 11.36 En un precipitador Cottrell, las partículas cargadas positiva y negativamente son atraídas por electrodos altamente cargados, donde se neutralizan y se depositan en forma de polvo.

Geles

Los postres de gelatina, como Jell-O, son un tipo de coloide (Figura 11.37). La gelatina cuaja al enfriarse porque la mezcla acuosa caliente de gelatina se coagula al enfriarse, lo que produce un cuerpo extremadamente viscoso conocido como gel. Un gel es una dispersión coloidal de una fase líquida en una fase sólida. Parece que las fibras del medio de dispersión forman una red tridimensional compleja, cuyos intersticios están llenos del medio líquido o de una solución diluida del medio de dispersión.

Figura 11.37 Los postres de gelatina son coloides en los que una solución acuosa de edulcorantes y sabores se dispersa a través de un medio de proteínas sólidas (créditos de la foto: modificación del trabajo de Steven Depolo).

La pectina, un hidrato de carbono procedente de los zumos de frutas, es una sustancia gelificante importante en la elaboración de la gelatina. El gel de sílice, una dispersión coloidal de dióxido de silicio hidratado, se forma cuando se añade ácido clorhídrico diluido a una solución diluida de silicato de sodio. El calor enlatado es un gel inflamable que se fabrica mezclando alcohol y una solución acuosa saturada de acetato de calcio.