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DISPERSIONESCOLOIDALES

¿Qué es una dispersión coloidal?

Una dispersión coloidal es un sistema disperso o polifásico de una o más fases dispersas de partículas con la fase dispersa distribuida a través de una fase contínua o dispersante.

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Forma de la partícula

Área superficial (AS) •  Las dispersiones coloidales tienen una gran superficie

específica (SE) comparada con un volumen idéntico de partículas de gran tamaño

•  Disminuyendo el tamaño de la partícula aumenta la razón o relación área-volumen superficial

AS = 6 cm2 V = 1 cm3 h = 1 cm

SE = AS V

h = 0.1 mm AS = 600 cm2 V = 1 cm3

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Clasificación: Tamaño Dispersión molecular Dispersión coloidal Dispersión gruesa

< 1.0 nm 1.0 nm – 0.5 µm > 0.5 µm

•  Invisible por microscopía electrónica (ME)

•  Pasan a través de una membrana semi-permeable o ultrafiltro

•  Difusión rápida

•  No resuelta por microscopía convencional; detectada al ME y al ultramicroscopio

•  Pasan a través del papel de filtro pero no a través de una membrana semi-permeable

•  Difunden muy lentamente

•  Visible al microscopio

•  No pasan a través de papel de filtro o una membrana semi-permebable

•  No difunden

• Moléculas de oxígeno • Iones normales • glucosa

•  Soles de plata coloidal •  Polímeros naturales o

sintéticos

•  Granos de arena •  Emulsiones y

suspensiones farmac. •  Hematíes

Dispersiones gruesas vs coloidales

¿Cómo podemos detectar las diferencias?

•  Papel de filtro

•  Sedimentación / formación de cremas

•  Microscopía

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¿Cómo podemos detectar las diferencias? •  Microscopía •  Membrana semi-permeable

» Diálisis

Dispersión molecular vs coloidal

Comienzo Equilibrio Dispersión molecular

Clasificación en función de las fases

Fase dispersa Sólido Líquido Gas

Sólido Suspensión sólida (plásticos teñidos,

oro coloidal en vidrio)

Suspensión coloidal (sol,

gel) Aerosol sólido (humo, polvo)

Líquido Emulsión sólida (perlas, ópalo)

Emulsión (leche)

Aerosol líquido (niebla, sprays,

líquidos)

Gas Espuma sólida (pan, espuma

plástica)

Espuma (espuma de

cerveza) N/A (miscibilidad

perfecta)

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Clasificación termodinámica

• Coloides liofílos (termodinámicamente estable)

• Coloides liofóbos (termodinámicamente inestable)

Coloides liófilos

•  ¿Qué es un coloide liófilo?  Siente Atracción por el disolvente  Solvatación extensa  Se forma espontáneamente  Si el medio dispersante es agua,

obtenemos un coloide hidrofílico  Estable termodinámicamente  Reversible y fácilmente reconstituido

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Sistemas coloidales liofílos •  Las dispersiones que espontáneamente se

forman de fases macroscópicas, y que son termodinámicamente estables con respecto tanto al ensachamiento de las partículas cuando se agregan como a la desintegración a moléculas individuales

Propiedad: distribución en tamaño de equilibrio (no cambia con el tiempo)

Formación de coloides liofílos

Dispersión Fase Solución

• Aumento en área superficial (desfavorable) • Aumento en número de partículas (favorable)

Condición de dispersión espontánea: Tr k30154 2 ÷≤σπ

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Ejemplo de sistema coloidal liofílo

P Fármaco libre

cmc Micela

Monómero

m/2m/2 n

CH 2CH2OHO CHCH2OCH3

CH2CH 2 HO

• Plurónico

Coloides liófobos •  ¿Qué es un coloide liófobo?

 No siente atracción por el disolvente  No hay capa de disolvente   Inestable e irreversible  Generalmente partículas inorgánicas  No se forma espontáneamente

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Sistemas coloidales liofóbicos •  Las dispersiones que son

termodinámicamente inestables y que sólo existen durante cierto periodo de tiempo (“estabilidad cinética”)

Formación de coloides liofóbicos

Fase Disolución supersaturada

Condensación

Dispersión

Propiedad: energía superficial excesiva (agregado)

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Ejemplos de coloides liofóbicos

•  Emulsiones (líquido en líquido, e.g., leche) •  Suspensiones coloidales (sólido en líquido,

e.g., sol, gel) •  Espumas y películas (gas en líquido) •  Aerosoles líquidos y sólidos

  Niebla, sprays (líquido en gas)   Humos, polvo ( sólido muy disperso en gas)

Método de dispersión Se reduce el tamaño de las partículas

gruesas reducidas mediante:

Molino / pulverización

Generadores ultrasónicos

Arco eléctrico en un líquido

Microfluidizador

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Disolución, tamaño de la partícula y calidad del cristal

Hay 3 razones que explican el aumento de la velocidad de disolución cuanto menor es el tamaño de las partículas:

1) Las partículas pequeñas tienen un gran área superficial por unidad de volumen 2)  La ecuación de Kelvin donde γ es la energía superficial del soluto, V su volumen molecular y S0 la solubilidad de una partículas sólida infinitamente grande (p.ej. una partícula con radio infinito o una superficie plana) 3) El proceso de pulverización rompe las partículas y aumenta los defectos cristalinos

La producción de las partículas pequeñas se hace por pulverizacíon, molienda, microcristalización. Todos estos métodos producen partículas con gran número de superficies y defectos

€

RT ln SS0

=2γVr

Microfluidizador

Esto es lo que se utiliza en la Industria

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Método de condensación Agregación de partículas pequeñas •  Supersaturación

 Tamaño de la partícula

•  Reacción química As2O3 + 3H2S As2S3 + 3H2O (HS-)

Coloides por asociación •  ¿Qué es un coloide por asociación?

 Anfifílicos  CMC

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Propiedades de la CMC

Concentración crtica Detergencia

Densidad

Conductividad

Tensión superficial

Presión osmótica

Conductividad equivalente

Tensión inferfacial

Unid

ades

de

med

ida

de c

ada

prop

ieda

d

Lauril-sulfato sódico (% en peso)

Ejemplo de CMC

1 = x1 + x2 CMC CMC1 CMC2

¿Cuál es la CMC de una mezcla de n-dodecil octaoxietileno glicol monoéter (C12E8) y de n-dodecil β-D-maltósido (DM) si se sabe que la CMC de C12E8 es 8.1 x 10-5 mol/L y su fracción molar es 0.75, y la CMC del DM es 15 x 10-5 mol/L.

x2 = (1 – x1) = (1 – 0.75) = 0.25

1/CMC = (0.75 / 8.1 x 10-5) + (0.25 / 15 x 10-5) = 10926

∴ CMC = 9.3 x 10-5 mol/L

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Recuerdo: sustancias anfifílicas Tipo Compuesto Anfifilo Contraión

Aniónico Lauril sulfato sódico CH3(CH2)11OSO3- Na+

Catiónico Bromuro de Cetil- trimetilamonio CH3(CH2)15N+(CH3)3 Br-

Neutro Polioxietilén lauril éter CH3(CH2)10CH2O(CH2OCH2)23H -

Anfifílico Sulfato de Dimetildodecilamonio-propano

CH3(CH2)11N+(CH3)2(CH2)3OSO2-

-

0

10

20

0 5 10 Concentración del anfifilo

Tens

ión

supe

rfic

ial

Propiedades comparativas Liófilas Asociación Liófobas

Partículas Moléculas orgánicas

Micelas; moléculas individuales son subcoloidales

Moléculas inorgánicasoro, plata

Solvatación Solvatadas Porción solvatada corresondiente

Poca, si algo

Formación Espontánea Espontánea, concentración debe

exceder la CMC

No espontánea

Efecto de electrolitos

Estable en presencia de electrolitos

Reducción en CMC Inestable en presencia de electrolitos

Viscosidad Aumenta cuando es mayor [fase

dispersa]

Aumenta cuando es mayor

[anfifílico]]

Viscosidad no afectada

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PROPIEDADES OPTICAS DE COLOIDES •  Microscopia electrónica: se obtienen imágenes

de las partículas para observar el tamaño, forma y estructura de las partículas coloidales

•  Dispersión de la luz (Light scattering): depende del efecto Faraday-Tyndall y se utiliza para determinar el peso molecular de coloides. La dispersión se describe en función de la turbidez, τ ,descenso fraccional en intensidad debido a la dispersión de la luz incidente que atraviesa a través de 1 cm de disolución

Propiedades ópticas de coloides •  Dispersión de la luz (light scattering)

 Efecto Faraday-Tyndall

Turbidez (τ) = ln

• 

• 

BcM

Hc2

1+=

!

€

H =32π 3n2 dn dc( )

2

3λ4N0

1

2

3

4

0 5 10 15 20 C x 10 3 (g.cm -3 )

Hc/

t τ x 1

0 4 (mol

.g -1 )

y = mx + b

1 M

Is I

Dimensiones de la partícula pequeñas comparadas con la λ

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Ejemplo de turbidez

Se determinó la turbidez de una disolución acuosa de sulfonato sódico de dodecil-benceno (SDBS) por light scattering a varias concentraciones por encima de su CMC:

c x 103 (g.cm-3) 2.68 7.58 13.30 22.15 τ x 102 (cm-1) 1.09 1.80 2.08 2.31

El valor de H es 4.00 x 10-6 mol.cm2.g-2 y el peso molecular del monómero de SDBS es 349 g.mol-1

a) ¿Cuántos monómeros hay en una micela? b) ¿Cuál es el valor de la constante de asociación, B?

Solución τ x 102 (cm-1) 1.09 1.80 2.08 2.31c x 103 (g.cm3) 2.68 7.58 13.30 22.15Hc / τ x 10-4 0.98 1.68 2.56 3.84

0

1

2

3

4

0 5 10 15 20 25c x 103 (g.cm-3)

Hc

/ τ

x 1

0-4

2B = pendiente = (3.84 - 0.98) / (22.15 - 2.68) = 1.47 x 10-8

B = 0.735 x 10-8 mol.cm3.g-2

0.98 = 1/M + 1.47 x 2.68 1/M = 5.824 x 10-5

∴ M = 17 170 g.mol-1

Monómeros = 17 170 / 349 = 49

y = mx + b

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ESTABILIDAD COLOIDAL

Movimiento browniano Formación de cremas

Sedimentación Convección

Estabilidad coloidal

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Movimiento browniano •  Movimiento errático de las partículas, que

puede ser observado con partículas de hasta unos 5 µm

•  La velocidad de las partículas aumenta con el descenso del tamaño de las partículas

•  La adición de sustancias, como la glicerina, que aumentan la viscosidad disminuyen y llegan a parar el movimiento Browniano

Difusión

rNRTDπη6

=

Primera ley de Fick

Ecuación de Stokes-Einstein

dxdcDS

dtdq

−=

€

D =RT6πηN

4πN3Mv

3

Si las partículas son aproximadamente esféricas, la ec. Siguiente sirve para determinar el radio y el peso molecular de las partículas

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Ejemplo de difusión

El coeficiente de difusión a 20 °C de una proteína esférica es 7.0 x 10-7 cm2/sec y el volumen específico parcial es 0.75 cm3/g. Si la viscosidad del disolvente es 0.01 g/cm sec, ¿cuál es el peso molecular de la proteína?(R = 8.31 x 107 erg/ºC mol and N = 6.02 x 1023 mol-1)

€

D =RT6πηN

4πN3Mv

3

€

4πN3Mv

=6DπηNRT

3

3211621

=ηπ DRT

NvM M ≅ 100 000 g/mol

Presión osmótica

cRT=πEcuación de vanʼt Hoff

+= gg

BcM

RTc

1π

0 0

cg

π/c

g

ideal

Sistema coloidal-Buen disolvente

Sistema coloidal-Mal disolvente

Sirve para calcular el M de un coloide en disolución

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Ejemplo Se determinó la presión osmótica de una fracción de poliestireno a 25 °C a varias concentraciones. cg (g.litro-1) 6.0 12 18 24π / cg x 10-5 (1 atm.g-1) 12.5 16.3 20.0

23.8 ¿Cuál es el peso molecular de las partículas? R = 0.0821 l.atm.C-1.mol-1

RTB = (23.8 – 12.5) / (24 – 6)(0.0821 x 298)B = 0.63 x 105 ∴ B = 2.57 x 103 l.mol.g-2

1/M = 3.57 x 10-6

∴ M = 279 749 g.mol-1

Sedimentación

•  Ley de Stokes (dis. diluidas) ρ0 es la densidad de las partículas y ρ la densidad del disolvente;

r es el radio de las partículas; g la aceleración de la gravedad y η0 la viscosidad del medio

•  Aplicación: medida del M de un polímero

( )0

02

92

η

ρρ grv −=

v es el volumen especifico parcial del polímero,. s y D se calculan

)1( 0ρvDRTsM−

=

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Ejemplo de Sedimentación Se dispersan partículas de Albúmina de 10 µm diámetro y densidad de 1.4 g.cm-3 en una disolución acuosa de polímero con una densidad de 1.01 g.cm-3 y una viscosidad de 1000 cps. ¿Cuál es la velocidad de sedimentación de las partículas? 1000 cps = 10 poise = 10 g.cm-1.sec-1 v = [2r2(ρ – ρ0)g] / 9η� = [2 x (5 x 10-4)2 (1.4 – 1.01) x 981] / 9 x 10 = [2 x (2.5 x 10-7) (0.39 x 981)] / 90 = 2.13 x 10-6 cm.s-1

Tiempo ≈ 55 días por 10 cm

Sedimentación: formación de cremas

•  La velocidad de formación de cremas depende de la diferencia de densidades, el radio de las particulas y la viscosidad del medio

•  Reducción de la formación de cremas   Formando menores partículas (r)   Aumentando la viscosidad de la fase continua (η)   Disminuyendo la diferencia de densidad entre las dos fases Las partículas colisionarán todavía pero disminuye la frecuencia

del impacto. Las fuerzas de interacción tanto repulsivas como atractivas y la naturaleza de la superficie de las partículas determinarán si las partículas entran en permanente contacto (sólidas) o coalescen (líquido)

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Fuerzas de interacción entre partículas

coloidales

• Fuerzas de repulsión electrostática • Fuerzas de van der Waals o fuerzas electromagnéticas de atracción • Fuerzas estéricas, dependientes de la geometría y conformación de moléculas en la interfase de la partiúcla • Fuerzas solvatación debido a los cambios en las cantidades de disolvente adsorbido sobre las proximidades de las partículas vecinas

Fuerzas de repulsión electróstica y de atracción de van der Waals

• Se estudia en base a la teoría de Deryagin, Landau, Verwey y Overbeek (DLVO), que sirve satisfactoriamente para explicar cuantitativamente la estabilidad de las suspensiones hidrofóbicas

• Las fuerzas de van der Waals son siempre atractivas. En base a la aditividad de las energías de van der Waals entre moléculas vecinas, Hamaker determinó las ecuaciones, asumiendo que las energías de atracción varia con la inversa de la 6xta potencia de la distancia entre ellas. A mayores separaciones, la dependencia inversa cambia hasta la séptima potencia. El modelo emplea dos esferas de radio a a una distancia H, siendo R igual a 2a+H

H

a

R

Hamaker calculó la energía de atracción Va, como

La constante A depende de las propiedades de las partículas y del medio en el que están dispersas. Cuando H/a es pequeño, entonces las partículas son grandes relativas a la distancia de separación, y la ecuación se reduce a VA=-Aa/12H €

VA = −A6

2a2

R2 − 4a2+2a2

R2+R2 − 4a2

R2

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Fuerzas electrostáticas La carga eléctrica se debe a la ionización de los grupos superficiales o a la adsorción de iones Las fuerzas electrostáticas proceden de la interacción de las dobles capas eléctricas que rodean a las partículas en suspensión

Plano de la capa

ζ

• La interacción conduce a repulsión si las partículas tienen cargas superficiales y potenciales en la superficie del mismo signo y magnitud

• Cuando la carga superficial se debe a la adsorción de los iones que determinan el potencial: el potencial en la superficie Ψ0 se determina por la actividad de estos iones y permanece constante durante la interacción con otras partículas, si no varia la extensión de la adsorción (eso no ocurre en los sistemas reales)

Doble capa eléctrica • El número de iones positivos disminuye cuando nos alejamos de la superficie y el potencial se hace cero cuando las concentraciones son iguales

• Potencial superficial, potencial de Stern

• Cuando las partículas se mueven, la superficie efectiva se define como superficie o capa de cizalla, que está un poco alejada de la capa de Stern, y dependerá de la rugosidad de la superficie, número de macromoléculas adsorbidas, etc

• Las fuerzas repulsivas electrostáticas disminuyen como una función exponencial de la distancia y tiene un rango del orden del espesor de la doble capa igual a 1/κ, que es la longitud de Debye vista en el capítulo de electrolitos

distancia

Ψ0

Ψδ

+

+

+

+ +

+ +

+

+

+

+

-

-

-

- -

ζ

1/κ

- -

-

- -

+

δ Pot

enci

al

- +

+

-

Iones que determinan el potencial

Contraiones hidratados

Coiones negativos

Capa Stern

Capa cizalla

€

1/κ =εε0RTF 2I

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Interacciones repulsivas

No hay ecuaciones sencillas para estas interacciones. Sólo en el caso que los potenciales en la superficie sean pequeños (y constantes) y los valores de kappa sean pequeños (es decir, cuando la doble capa se extienda más allá del radio de la partícula), y los potenciales Ψ0 constantes

Para pequeños valores de Ψδ y de la ecuación anterior se simplifica a €

VR = 2πεε0aψδ2 e−κH

1+H2a

€

e−κH

€

VR = 2πεε0aψδ2e−κH

DLVO: Distancia óptima

Distancia

Energía

• Atracción

• Repulsión

• Atracción

Distancia óptima

• Atracción de van der Waals • Repulsión electrostática

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Estabilidad

Repulsión

Curva compuesta

Atracción

Distancia interpartícula

Barrera potencial

Mínimo primario (atracción)

Mínimo secundario (atracción)

Teoría DLVO

Ener

gía

1.  La combinación de la energía potencial repulsora VR con la energía potencial atractiva VA da el potencial total de interacción

2.  A pequeñas y gran distancias la energía potencial de van der Waals es mayor que la de repulsión, que es proporcional a exp(-kH)

3.  Si el máximo es muy pequeño, dos partículas interaccionando pueden alcanzar el mínimo primario y en este estado, no se puede escapara de él (pueden ocurrir consecuentes cambios irreversibles en el sistema tales como sinterizado, recristalización o coalescencia

4.  Cuando el máximo es suficientemente alto, las dos partículas no se ponen en contacto

Estabilidad

Repulsión

Curva compuesta

Atracción

Distancia interpartícula

Barrera potencial

Mínimo primario (atracción)

Mínimo secundario (atracción)

Importancia del mínimo secundario

Ener

gía

5. La profundidad del mínimo secundario es importante para definir las condiciones de dispersión hidrofóbica

6. Si el mínimo secundario es menor que la energía térmica (kT, siendo k la constante de Boltzmann), las partículas se repelerán entre sí

7. Cuando las partículas son lo suficientemente grandes, el mínimo secundario puede durante cierto tiempo atrapar las partículas, cuando no haya barrera de energía que superar (importancia en la floculación, que veremos en el siguiente capítulo, porque se puede dar floculación en este estado) A distancias intermedias, la energía de

repulsión puede ser la más importante

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Fenómenos electrocinéticos •  Electrofóresis

•  Los cambios en el valor de ζ servirán para predecir la estabilidad del sistema tas la adición de agentes floculantes, surfactantes y otros aditivos

( )41094××

∈×=

πηζ

Ev

Ev141≅ζ

ε es la constante dieléctrica de la fase continua y η su viscosidad

Medida del potencial Zeta

Electrodo

Suspensión muy diluida

Microelectroforesis

Capilar

Microscopio D(básico)

D(ácido) + -

La velocidad de migración de las partículas bajo un potencial aplicado puede determinarse microscópicamente con un sistema de medición del tiempo y una cuadrícula ocular

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Ejemplo electrocinético

La velocidad de migración de una disolución acuosa de hidróxido ferrico fue determinada a 20 °C, y se encontró que era de 16.5 x 10-4 cm/sec. La distancia entre electrodos en la célula fue 20 cm y la FEM de110 volts. ¿Cuál es el potencial ζ de la disolución?

E = (110 volt) / (20 cm) = 5.5 volt/cm Movilidad = v/E = (16.5 x 10-4 cm/sec) / (5.5 volt/

cm) = 3 x 10-4 cm2.volt-1.sec-1 ∴ ζ = 141 x 3 x 10-4 = 0.042 volt

Ev141≅ζ

Potencial de Nernst y potencial zeta

a b c

a’ b’ c’

distancia Pot

enci

al, E

Capa fuertemente enlazada Capa difusa

(-)

(+) ξ1

ξ2

ξ3

El potencial zeta gobierna el grado de repulsión entre partículas dispersas adyacentes, cargadas similarmente

Si el potencial zeta baja de un valor dado, las fuerzas atractivas exceden las fuerzas repulsivas y las partículas se acercan, produciéndose coagulación

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Potencial Zeta

•  Interprete este diagrama en cuanto a la distribución de cargas de tres casos con el mismo potencial Zeta

Efecto de los electrolitos sobre la superficie

•  Los coloides farmacéuticos son sistemas complejos. Vamos a considerar el efecto de la adición de electrolitos (simples o polímeros)

•  Hemos visto que la adición de electrolitos afecta al valor de κ

•  A baja [electrolito] (baja κ), la extensión de la doble capa es grande y VR se expande a distancias grandes alrededor de las partículas

•  La suma de VR y VA da una curva de energía total con un máximo primario alto

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Efecto de los electrolitos sobre la superficie

•  El descenso de la doble capa al añadir electrolito produce un mayor descenso en VR y que la curva tenga ahora un menor

máximo primario, pero sobre todo un mínimo secundario

•  Importante porque se forma floculación pero no coagulación

ya que lo evita el máximo primario

0

k0

K=105 cm-1

K=3 105 cm-1

K=106 cm-1

K=107 cm-1 o superior

K=3 106 cm-1

1019

VR

105 H (cm) 0.5 1.0 1.5

-0.5

0.5

1.0

1.5

Múltiplos de kT

30 kT

20 kT

10 kT

1 kT

10 kT

20 kT

Efecto sobre la estabilidad del potencial en la superficie

•  VR aumentará cuando aumente Ψ0 •  Hay un descenso en el máximo primario cuando el potencial

superficial disminuye •  A valores intermedios aparece un mínimo secundario

0

Ψ0=32 mV

Ene

rgía

pot

enci

al d

e in

tera

cció

n (1

0-19

J)

105 H (cm) 2.5 1.0 1.5

-0.5

0.5

1.0

-1.0

Ψ0=25.6 mV

Ψ0=19.2 mV

Ψ0=12.8 mV

Ψ0=0 mV

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Repulsión entre superficies hidratadas

•  Estabilización entálpica: partículas con macromoléculas adsorbidas sobre la superficie, conduce a repulsión, debido al cambio de entalpía positivo que interviene por la liberación de agua (energéticamente desfavorable)

•  No necesariamente es de origen entálpico, puede darse mayor libertad conformacional que conduce a un -∆S, aumentando su contribución a ∆G, y de ahí conduciendo a repulsión

•  Importante cuando H = 2δ, siendo δ la longitud de la cadena

Aplicaciones farmacéuticas de los coloides

•  Hidrogeles •  Micropartículas •  Emulsiones y microemulsiones •  Liposomas •  Micelas •  Nanopartículas •  Nanocristales