1

FISICOQUÍMICA FARMACÉUTICA (0108) UNIDAD 3.

SISTEMAS DISPERSOS FARMACÉUTICOS.

Mtra. Josefina Viades Trejo 11 de septiembre de 2012

Definición y descripción de sistemas coloidales.

Definición. ¿Qué son los coloides?

Son soluciones de macromoléculas o bien, dispersiones de moléculas

pequeñas que forman agregados. Ejemplos: proteínas, hidratos de carbono

(almidón, celulosa), polímeros sintéticos o naturales; dispersiones de azufre,

KI, Au, óxido férrico etc.

¿Importancia?

Plásticos, gomas, papel, nubes, nieblas, pastas, geles, espumas,

cromatografía, alimentos fármacos, emulsiones, gomas,

Descripción. Su comportamiento está determinado por sus propiedades cinéticas,

eléctricas, ópticas y superficiales.

Fenómenos de transporte = Propiedades cinéticas → forma y tamaño

Tamaño: intermedio entre soluciones típicas y mezclas:

Soluciones →→→ coloides →→ mezclas

0.1 – 1 mµ →→→ 1nm - 1µm →→→ Más de varias µ

Forma:

1. Corpusculares: Macromoléculas globulares (biopolímeros con

interacciones entre cadenas laterales)

a) esferas: a / b = 1 , emulsiones, latex (dispersiones de polímeros

como gomas y plásticos en agua), aerosoles líquidos, casi

esféricas proteínas globulares, soles de oro.

b) Elipsoides: a / b ≠ 1 estas formas son irregulares y se manejan

modelos. Prolatos (cigarro) a / b > 1 es más importante longitud

que diámetro polinucleótidos y polipéptidos y Oblatos (esfera

achatada) a / b < 1 suspensiones de óxido férrico y arcillas

2. Cadenas estadísticas: Cambio continuo de forma en solución, polímeros

sin interacciones entre cadenas laterales, celulosa, colágena de piel,

tendones y huesos, queratina de uñas y pelo, miosina.

2

Flexibilidad: Es la capacidad de rotación alrededor del enlace que une los átomos.

1. Polímeros lineales: cambio constante de forma, flexibilidad perfecta.

2. Polímeros ramificados: formas más rígidas, mínima flexibilidad.

La flexibilidad es función de dos tipos de interacciones:

1. Polímero-polímero: ovillo más apretado tiende a precipitar.

2. Polímero-disolvente ovillo más desplegado.

Solvatación: Es la tendencia a mojarse que tiene una partícula coloidal o un grupo

funcional de una macromolécula.

1. Coloides liófilos: solvatación completa.

� Precipitados floculesntos

� Geles

2. Coloides liófobos: solvatación mínima

Relación Área / Volumen(superficie específica)

1 cm

A = 6 cm2

10-6 cm

A = 6 x 106 cm2

subdivisión

Sistemas bifásicos y microheterogéneos

3

Clasificación.

1. Dispersiones coloidales: sustancias insolubles agrupadas en masas que

contienen muchas moléculas individuales. Soles de Au, AgI, AS2O3,

aceite en agua. Son termodinámicamente inestables.

2. Soluciones macromoleculares: como soluciones acuosas de proteínas,

polísacáridos o altos polímeros en solventes orgánicos (gomas, resinas,

nylon). Termodinámicamente estables.

3. Coloides de asociación: sustancias solubles de bajo peso molecular que a

una concentración dada se asocian dando agregados coloidales, jabones,

sulfonatos, alquil sulfatos superiores, sales de aminas

Propiedades eléctricas.

Teorías de la doble capa eléctrica.

Origen de la carga:

1. Adsorción: sílice coloidal iones –OH.

2. Ionización: proteínas a ambos lados del pH isoeléctrico.

3. diferencia con la constante dieléctrica del medio.

Los sistemas coloidales con carga, como cualquier electrolito común deben

cumplir con las condiciones de electro neutralidad. El ión coloidal tiene una

carga neta muchas veces mayor que la de los iones pequeños, por lo que

requiere un exceso de contra-iones para lograr la electro neutralidad. Los co-

iones son los iones de igual signo que el coloide.

Las teorías de la doble capa eléctrica tratan de la distribución de contra iones y

co-iones en las proximidades de una superficie cargada que está en contacto

con un medio.

Cuando hay dos fases de diferente constitución química en contacto, se

establece una diferencia de potencial entre las fases acompañada de separación

de cargas.

Para explicar las teorías sobre la estructura de la doble capa supongamos que

una de las fases es un sólido y la otra una dispersión electrolítica. El sólido

tiene una carga positiva y la solución una carga negativa equivalente; hay

varias posibles distribuciones de la carga, que corresponden a diferentes

valores de potencial:

Doble capa de Helmholtz: La primera posibilidad es que la carga negativa se

localice en un plano a una distancia pequeña δ a la cual el potencial es cero.

4

Doble capa de Gouy-Chapman: No se equilibra la carga positiva a la distancia

δ, sino que la carga negativa equivalente se distribuye de manera difusa por

toda la solución. Esta doble capa se conoce como doble capa difusa.

Doble capa de Stern: La carga negativa no equilibra suficientemente a la

carga positiva de la superficie a la distancia δ sin embargo el potencial baja

casi a cero en esta región, mientras que el resto de la capa es difusa, esto es

hay una combinación de capa compacta (fija) y difusa (móvil)

ϕ

x δ

+

+

+

+

+ +

+

Contra iones y co iones

distribuidos homogéneamente

-

-

-

-

-

-

-

Doble capa eléctrica sólo tiene una

parte fija o compacta

+

+

+

+

+

+

+

-

+

-

-

ϕ

x δ

- +

- +

- + - +

- + -

- + - +

Doble capa eléctrica sólo tiene una parte

difusa o móvil

5

Potencial zeta. El potencial es el trabajo necesario para mover una carga unitaria hacia un

punto dado.

En el vacío el trabajo es infinito porque la intensidad del campo eléctrico es

constante e independiente de la distancia, pero en las soluciones los iones en el

medio ejercen un efecto de pantalla que disminuye la intensidad del campo

casi a cero a una distancia mínima respecto a la superficie por lo que el seno

de la solución está lo suficientemente alejada para que el potencial sea cero.

A medida que el ión cruza varias capas de solución el trabajo necesario

correspondiente a cada una es el potencial en esa capa.

Potencial de Gouy (ψ0) es el potencial que corresponde a la superficie cargada

es una medida del potencial total de la doble capa.

Potencial de Stern (ψδ) es el potencial correspondiente al límite entre la parte

difusa y la parte compacta de la doble capa.

Potencial zeta o electrocinético (ξ) es el potencial en el plano de corte que

separa la parte fija de la móvil pero dentro de la parte móvil. Es una medida

del trabajo necesario para separar la parte difusa o móvil de la parte fija de la

doble capa.

Estabilidad de coloides.

Como el área interfacial tiende a disminuir todos los sistemas son

parcialmente inestables.

+

+

+

+

+

+

+

-

-

- -

- -

ϕ

x δ

+ -

-

-

- -

+

+

+

+

+

Doble capa eléctrica combinación de una

parte compacta (fija) y difusa (móvil)

6

Son coloides estables aquellos que tienen una agregación de partículas muy

lenta.

La atracción se debe a fuerzas atractivas de van der Waals entre los átomos de

diferentes partículas.

Estabilidad

Repulsión entre dobles

capas eléctricasSolvatación

La repulsión entre dobles capas eléctricas depende del espesor (δ) de la doble

capa

El valor de δ depende de la concentración y de la valencia de los contra iones

Se define δ como la distancia respecto a la partícula cargada, para la cual el

potencial disminuye l/e = 0.37 de su valor inicial

El aumento de la concentración del contra ión produce compresión de la doble

capa.

El aumento de la valencia del contra ión produce compresión de la doble capa.

Estabilidad de coloides liófobos. Regla de Schulze-Hardy.

Floculan si se presenta una compresión de la doble capa

eléctrica

Estabilidad de Coloides Liofóbicos

Estabilidad

Repulsión dobles

capas eléctricasSolvatación

7

Los coloides liófobos requieren poseer carga para que opere la repulsión entre

dobles capas eléctricas.

+ electrolito = coloide estable

Coloide liófobo

+ exceso de electrolito = floculación

(debido a la compresión de la doble capa)

Regla de Schulze-Hardy

Schulze 1882 estableció que

Diferentes electrolitos dan diferentes valores de floculación.

El ión responsable de la floculación es el contra ión en exceso.

El contra ión en exceso produce una compresión del espesor de la doble capa

Hardy (1900.). El contra ión en exceso es responsable de la floculación.

Su capacidad floculante depende de su valencia pero no de la naturaleza del

contra ión.

Valor de floculación = concentración de floculación rápida (Cfr).

La Cfr es la concentración mínima con la cuál se consigue la floculación

rápida. La Cfr es la misma para iones de igual valencia pero diferente para

iones de valencia mayor o menor.

Cfr del Ca2+

es ± 100 veces menor que la Cfr del Na+.

Debido a la mayor influencia del calcio sobre el espesor de la doble capa

La Regla de Schulze-Hardy se refiere a los dos efectos conjuntos (carga

opuesta y valencia del contra-ión) sobre la estabilidad de un coloide liófobo.

Estabilidad de coloides liófilos.

No requieren la adición de electrolitos, son estables aun si el

potencial zeta se reduce a cero.

Estabilidad de Coloides Liofílicos

Estabilidad

Repulsión dobles

capas eléctricas Solvatación

8

La adición de electrolito aunque no indispensable contribuye a la estabilidad.

A pesar de que un exceso de electrolito comprime la doble capa, no se

produce la coagulación salvo que el contra ión compita con el ión coloidal por

el agua de hidratación.

La capacidad coagulante no depende de la valencia pero si de la naturaleza del

contra ión (su capacidad de hidratación)

Aniones:

citrato>tartrato>SO4 2->acetato>Cl->NO-

2>I->CNS-

Cationes:Li+>K+>Na+>NH4

+>Mg2+

El orden en ambas series depende de la estructura y

tamaño del ión coagulante y es muy parecido al

orden de hidratación de estos iones.

Serie Liotrópica o de Hoffmeister.Precipitación salina.

Teoría DLVO (Deryaguin-Landau-Verwey-Overbeek). Estabilización electrostática.

La estabilidad del coloide depende de la forma neta de la curva de energía de

interacción del sistema, es decir la suma de la energía atractiva (van der

Waals) y energía repulsiva (repulsión dobles capas) como una función de la

distancia de separación entre partículas.

Para un electrolito uno a uno de valencia z y concentración C0 la densidad de

carga en exceso en un punto de la doble capa de potencial ψ es

Ψ+−

Ψ−=

KT

e

KT

zezCe expexp0ρ

Poisson relaciona el exceso de densidad con la variación del potencial

respecto a la distancia

9

ερ

δδ e

x

−=

Ψ2

2

ε es la permisividad del medio, combinando las dos expresiones se tiene la

ecuación de Poisson-Boltzman que muestra que el potencial en la doble capa

disminuye de forma aproximadamente exponencial con la distancia.

( )xze

KTδ−

=Ψ exp4

Al disminuir la distancia entre partículas las dobles capas comienzan a

traslaparse los potenciales eléctricos de las dobles capas se vuelven aditivos

incrementando la contribución eléctrica a la energía libre total por tanto hay

repulsión debido a este aumento de energía total.

La forma del potencial de traslape de las dobles capas también es

aproximadamente exponencial respecto a la distancia de separación entre

partículas H

)exp(64 0 H

KTCGelec δ

δ−

=∆

Si se suma el potencial atractivo de van der Waals y el potencial repulsivo

electrostático se tiene la expresión de del potencial total

( )2

0

12)exp(

64

H

AH

KTCG H

T πδ

δ−

−

=∆

Donde AH es la constante de Hamaker para coloides. Resolviendo la ecuación

anterior para diferentes concentraciones de un electrolito, se obtienen una

serie de curvas, los máximos en estas curvas representan barreras energéticas

impuestas por las dobles capas eléctricas, conforme la concentración del

electrolito aumenta la altura de las barreras disminuye.

10

Se puede decir que las condiciones para una coagulación rápida (ccc) son

cuando ∆GT=0 y (d∆GT/dH)=0 de modo que

620

1)(

zAcccC

H

α

La ecuación anterior concuerda con la regla de Schultze-Hardy predice

relaciones de 1:0.016: 0.00014 para iones de valencia 1, 2 y 3

respectivamente, además conforme AH aumenta la ccc de electrolitos con las

mismas características eléctricas disminuye.

Estabilización estérica.

Un mecanismo de estabilización diferente al de la repulsión de dobles capas,

es la presencia de un coloide liófilo adsorbido en la partícula que proporciona

lo que se conoce como estabilización estérica o entrópica, hay divergencias

en cuanto a que sea el mismo fenómeno la estabilización estérica que la

entrópica.

Al coloide se le conoce como coloide protector no requiere poseer carga

eléctrica para ejercer su efecto pero si deben tener un carácter hidrófilo-

lipófilo y un peso molecular relativamente alto. El resultado neto es la

formación de una capa adsorbida relativamente gruesa que impide un mayor

acercamiento de partículas.

Cuando dos partículas que tienen una capa adsorbida del coloide protector, se

acercan y las capas se empiezan a inter penetrar se pueden producir dos

efectos:

11

a) Efecto osmótico debido al incremento en la concentración local de las

especies adsorbidas entre las dos partículas.

b) Efecto entrópico o de restricción de volumen porque las partículas que

interaccionan pierden ciertos grados de libertad debido al

abigarramiento.

El efecto osmótico produce un efecto entálpico desfavorable por la

desolvatación de las partículas al estar más densamente “empacadas”, el

efecto entrópico produce un decremento de entropía. La disminución de

entropía es un efecto desfavorable y para contrarrestarlo las partículas deben

separarse para recuperar grados de libertad y el disolvente se mueve hacia

ellas para resolvatarlas dando por resultado una barrera energética que retarda

el acercamiento de partículas proporcionando un mecanismo estabilizador

muy efectivo.

En un sistema estabilizado exclusivamente por un mecanismo estérico (sin

intervención de cargas eléctricas), la energía neta de interacción está dada por

la suma de las fuerzas atractivas de van der Waals y las interacciones estéricas

repulsivas

atraccionestericatotal GGG ∆−∆=∆

Los agentes poliméricos protectores o estabilizadores estéricos deben estar

firmemente anclados en al menos un punto de la partícula o mejor a varios

puntos. Si el anclaje es en un solo punto resultará en un sistema con un “cola

que se mece libremente” proyectándose hacia la solución, si el anclaje

involucra dos o más puntos se formarán varias “lazos o presillas” y algunas

colas libres, aparentemente la primera situación provee una mayor

estabilización debido al mayor alcance de las colas libres, sin embargo con los

lazos al iniciarse la interpenetración habrá el doble de unidades afectadas por

la restricción de volumen produciendo un efecto entrópico más fuerte, no es

posible decir cual configuración es mejor además en un sistema dado ambas

pueden estar presentes.

12

Efecto del disolvente: El disolvente juega un papel muy importante en la

efectividad del proceso de estabilización, si la naturaleza del disolvente

cambia de modo que sea mejor disolvente para las unidades monoméricas que

se anclan o sea, para el polímero protector entonces las cadenas pueden estar

más débilmente adsorbidas dificultando la floculación; en cambio si la

naturaleza del disolvente se cambia en forma contraria del grosor de la capa

adsorbida disminuye reduciendo la estabilidad.

Efecto del peso molecular. Debe ser relativamente alto (mayor alcance de las

colas libres = mayor espesor de la capa protectora) pero hasta un límite. Si el

peso molecular es muy alto y además la molécula posee varios sitios de

anclaje, puede unirse a más de una partícula manteniéndolas unidas en lugar

de evitar su unión. Este efecto se conoce como sensibilización o floculación

“puenteada”, especialmente en casos en que la concentración de partículas es

mucho mayor que la del polímero protector.