Sistemas Dispersos RESUMO TEÓRICO E EXERCÍCIOS. 4º ano 1º Semestre 2016/2017
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- Armando Carreira Bonilha
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1 Sistemas Dispersos RESUMO TEÓRICO E EXERCÍCIOS TECNOLOGIA FARMACÊUTICA II GRUPO 1 JOANA LUZ, JOANA LOPES, SARA MAGALHÃES E SORAIA SANTOS 4º ano 1º Semestre 2016/2017
2 Sistemas coloidais Potencial Zeta Teoria DLVO Outras teorias alternativas à DLVO SUMÁRIO Teoria X-DLVO Teoria de Sogami-Ise Teoria do Co-Volume Teoria de Lifshitz Regra Schulze-Hardy Lei de Stokes Exercícios Lei de Stokes Sistemas Dispersos GRUPO 1 JOANA LUZ, JOANA LOPES, SARA MAGALHÃES E SORAIA SANTOS 2
3 Sistemas coloidais Um colóide, ou sistema coloidal, consiste numa mistura na qual uma ou mais substâncias se encontram uniformemente dispersas numa outra substância, sob a forma de pequenas partículas, formadas por agregados de moléculas. Um sistema coloidal apresenta, assim, dois componentes: o meio disperso (fase dispersa) e o meio dispersante (fase contínua). Mistura homogénea (solução com partículas inferiores a 1 nm) Situação intermédia (partículas entre 1 nm e 1 µm) - sistema coloidal Mistura heterógenea (suspensão com partículas superiores a 1 µm) Sistemas Dispersos GRUPO 1 JOANA LUZ, JOANA LOPES, SARA MAGALHÃES E SORAIA SANTOS 3
4 Sistemas coloidais Movimentação rápida, aleatória, desordenada e caótica das partículas - movimento browniano. Efeito Tyndall - a capacidade que as partículas coloidais têm de dispersar a luz quando esta atravessa um meio coloidal, o que as permite distinguir das soluções. Sistemas Dispersos GRUPO 1 JOANA LUZ, JOANA LOPES, SARA MAGALHÃES E SORAIA SANTOS 4
5 Sistemas coloidais Classificação dos Sistemas Coloidais Fase dispersa Gás Líquido Sólido Gás Nenhum (todos os gases são miscíeveis) Aerosol Líquido Aerosol Sólido Ex. fumaça Meio dispersante Líquido Espuma Emulsão Ex. maionese Sol Sólido Espuma sólida Ex. pedrapomes Gel Ex. sílica-gel Sol Ex. rubi Sistemas Dispersos GRUPO 1 JOANA LUZ, JOANA LOPES, SARA MAGALHÃES E SORAIA SANTOS 5
6 Sistemas coloidais Partículas carregadas repelem-se e atraemse umas às outras, mantendo os coloides dispersos e em suspensão. Partículas não carregadas estão livres para colidirem e se agregarem. Sistemas Dispersos GRUPO 1 JOANA LUZ, JOANA LOPES, SARA MAGALHÃES E SORAIA SANTOS 6
7 Potencial Zeta Potencial Zeta - é uma medida da magnitude da repulsão/atração eletrostática ou carga entre as partículas, e é um dos parâmetros fundamentais que se sabe afetarem a estabilidade das suspensões. Fatores que o influenciam: - ph - Condutividade - Concentração dos componentes da formulação. Sistemas Dispersos GRUPO 1 JOANA LUZ, JOANA LOPES, SARA MAGALHÃES E SORAIA SANTOS 7
8 Potencial Zeta Valores de Potencial Zeta: +30 mv ou -30 mv estáveis -30 mv e +30 mv instáveis e podem flocular Zetasizer Nano ZSP Sistemas Dispersos GRUPO 1 JOANA LUZ, JOANA LOPES, SARA MAGALHÃES E SORAIA SANTOS 8
9 Teoria DLVO Teoria desenvolvida por 4 cientistas: Boris Derjaguin, Lev Landau, Evert Verwey e Theo Overbeek; Explica a estabilidade dos sistemas coloidais/suspensões com base em 2 forças: Força electroestática Forças de Van der Waals Forças repulsivas Forças atrativas Sistemas Dispersos GRUPO 1 JOANA LUZ, JOANA LOPES, SARA MAGALHÃES E SORAIA SANTOS 9
10 Teoria DLVO Interação entre as 2 forças determina se ocorre agregação Sistemas Dispersos GRUPO 1 JOANA LUZ, JOANA LOPES, SARA MAGALHÃES E SORAIA SANTOS 10
11 Teoria DLVO A Teoria DLVO explica a tendência de aglomeração, ao combinar a curva de energia atrativa com a curva de energia repulsiva formando a Curva de Energia de Interação. Barreira de Energia ponto de repulsão máxima se as partículas colidirem com energia suficiente para ultrapassar esta barreira, ocorre aglomeração. F T = F R + F A F T Energia total de interação F R Energia devido às forças de repulsão F A Energia devido às forças elétricas de Van der Waals Sistemas Dispersos GRUPO 1 JOANA LUZ, JOANA LOPES, SARA MAGALHÃES E SORAIA SANTOS 11
12 Teoria DLVO Situação: Forças repulsivas de intensidade elevada Potencial Zeta elevado Barreira repulsiva Repulsão evita fenómenos de floculação Suspensão defloculada Atração máxima - Caking Sistemas Dispersos GRUPO 1 JOANA LUZ, JOANA LOPES, SARA MAGALHÃES E SORAIA SANTOS 12
13 Teoria DLVO Situação: Forças repulsivas de intensidade baixa Potencial Zeta baixo Não existe barreira repulsiva Atração elétrica com consequente anulação de cargas Aproximação de partículas Caking Floculação Fenómenos de floculação Sistemas Dispersos GRUPO 1 JOANA LUZ, JOANA LOPES, SARA MAGALHÃES E SORAIA SANTOS 13
14 Teoria DLVO Situação: Forças repulsivas intermédias Potencial Zeta intermédio Sistema Ideal Sistema Ideal: 30 a 100 mv Sistema facilmente redispersível Floculação controlada Sistemas Dispersos GRUPO 1 JOANA LUZ, JOANA LOPES, SARA MAGALHÃES E SORAIA SANTOS 14
15 Teoria DLVO Limitações desta Teoria Não tem em conta outras forças que possam existir no sistema (forças de Born, forças de adesão, interações hidrofóbicas); Não são consideradas interações não eletrostáticas; Não existe uma correlação entre o tamanho dos iões; Não descreve corretamente os efeitos a curto alcance. Sistemas Dispersos GRUPO 1 JOANA LUZ, JOANA LOPES, SARA MAGALHÃES E SORAIA SANTOS 15
16 Teoria X-DLVO ou DLVO estendida Interações entre partículas imersas numa solução Interações de Lifshitz - Van Der Waals Interações polares ou ácido base de Lewis Interações eletrostáticas resultantes da sobreposição das duplas camadas elétricas Interações resultantes dos movimentos Brownianos ΔGTOT = ΔGLW + ΔGAB + ΔGDL + ΔGBR Sistemas Dispersos GRUPO 1 JOANA LUZ, JOANA LOPES, SARA MAGALHÃES E SORAIA SANTOS 16
17 Teoria X-DLVO ou DLVO estendida Sistemas Dispersos GRUPO 1 JOANA LUZ, JOANA LOPES, SARA MAGALHÃES E SORAIA SANTOS 17
18 Teoria de Sogami-Ise (CAT) CAT Coloumbic Attrction Theory opresença de forças atrativas coulombianas de longo alcance. o Suspensões coloidais de partículas com alta concentração de sais e superfície muito carregada. Aproximação e rearranjo dos iões presentes nas suspensões ao redor das partículas. Diminuição da energia livre. Força de atração entre as partículas coloidais. Interação repulsiva Presença de partículas com superfície pouco carregada. Interação atrativa Presença de partículas com superfície muito carregada. Suspensões Orais GRUPO 1 JOANA LUZ, JOANA LOPES, SARA MAGALHÃES E SORAIA SANTOS 18
19 Teoria de Sogami-Ise Condições favoráveis ao aumento das forças de atração entre partículas coloidais: Temperatura baixa A temperaturas elevadas aumenta a energia cinética o que favorece a fuga de iões sob influencia das partículas carregadas. Há aumento da espessura da dupla camada difusa e consequente diminuição da força atrativa. Concentração Elevada A elevada concentração de partículas diminui a migração dos iões. Partículas fortemente carregadas A atração é favorecida pela distribuição dos iões em redor das partículas. Iões multivalentes Presença de iões multivalentes intensifica a atração partícula-iao e consequentemente a atração partículapartícula. Força Iónica Fraca O aumento da concentração de iões conduz à anulação da força eletrostática de longo alcance. Suspensões Orais GRUPO 1 JOANA LUZ, JOANA LOPES, SARA MAGALHÃES E SORAIA SANTOS 19
20 Teoria do Co-Volume ou Volume Excluído o O co- volume de uma partícula é definido como uma região ao redor de uma partícula na qual esta pode rodar livremente sem tocar noutras partículas coloidais. oeste Volume que não pode ser ocupado pelo centro de outra partícula. onão pode existir sobreposição de orbitais. Fatores Viscosidade Composição iónica do meio Fração do espaço físico real de uma partícula Formato da partícula Para uma esfera o seu co-volume é quatro vezes maior que o volume da partícula Fig. 2 - Modelo do Volume Excluído O aumento do volume excluído gera um aumento na densidade de cargas entre as partículas. Variação do potencial zeta. Suspensões Orais GRUPO 1 JOANA LUZ, JOANA LOPES, SARA MAGALHÃES E SORAIA SANTOS 20
21 Teoria de Lifshitz oa teoria moderna da dispersão segundo Lifshitz salienta a atração entre as partículas, em distâncias superiores às dimensões atómicas, segundo a qual esta propaga-se como uma onda eletromagnética. oa partícula coloidal oscila de posição variando os dipolos e a energia que irradia. oconsidera cada sistema como contínuo e homogéneo. oignora a estrutura atómica e considera que as forças entre macro-partículas sejam tratadas num meio contínuo. Limitações Cargas superficiais grandes geram grandes campos elétricos e altas concentrações de contra-iões à superfície. A constante dielétrica e o índice de refração dos corpos são definidos e não dependem da solução nem do meio Diminuição da constante dielétrica próximo à superfície Suspensões Orais GRUPO 1 JOANA LUZ, JOANA LOPES, SARA MAGALHÃES E SORAIA SANTOS 21
22 Regra Schulze-Hardy Liofóbico - sólidos (em suspensões aquosas) hidrofóbicos, não molháveis e que em suspensão são sensíveis à adição de sais A concentração de coagulação crítica (CCC) para uma solução coloidal liofóbica é extremamente sensível à valência dos contra-iões (valências altas conferem uma baixa CCC) Sistemas Dispersos GRUPO 1 JOANA LUZ, JOANA LOPES, SARA MAGALHÃES E SORAIA SANTOS 22
23 Regra Schulze-Hardy Sistemas Dispersos GRUPO 1 JOANA LUZ, JOANA LOPES, SARA MAGALHÃES E SORAIA SANTOS 23
24 Regra Schulze-Hardy Concentrações das soluções de eletrólitos usadas para obtenção de uma agregação satisfatória Tipo de ião Intervalo de concentrações aproximadas (mmol/l) Monovalente 25 a 150 Divalentes 0,5 a 2,0 Trivalentes 0,001 a 0,1 A influência da valência e da concentração dos iões sobre a agregação de uma partícula em suspensão pode ser determinada experimentalmente através da : o Medição da alteração do potencial zeta o Observação do grau de agregação o Altura do sedimento Na 3 PO 4 => 3 Na + + PO 3-4, como há maior nº de iões Na + a rodear a SA (-) o Potencial Zeta irá reduzir a uma dada concentração desse sal. NaCl => Na + + Cl -, neste caso tem-se uma fraca contribuição por isso é menos eficaz a variar o Potencial Zeta Sistemas Dispersos GRUPO 1 JOANA LUZ, JOANA LOPES, SARA MAGALHÃES E SORAIA SANTOS 24
25 Lei de Stokes Fatores que condicionam a sedimentação: Vs = 2r2 ρ i ρ e g 9η Esta lei relaciona o tamanho da partícula com a velocidade com que ela sedimenta em meio líquido. Desse modo, quanto maior for a partícula mais rapidamente ela irá sedimentar. Vs Velocidade de sedimentação (cm/s) r raio (cm) g gravidade (cm/s 2 ) ρ - densidade (g/ml) η - viscosidade (Poise) Modificação do tamanho de partícula Modificação da densidade da Fase externa Modificação da viscosidade da Fase externa Sistemas Dispersos GRUPO 1 JOANA LUZ, JOANA LOPES, SARA MAGALHÃES E SORAIA SANTOS 25
26 Lei de Stokes ρ i = 3,50 g/cm 3 d = 120 μm r = 60 μm = 0,006 cm ρ e = 1,01 g/cm 3 η = 30,0 P = 30,0 g/ cm -1 / s -1 g = 9,8 m/s 2 = 980 cm/s 2 Vs = 2r 2 ρ i ρ e g 9η V S = 2 x (6x10 3 cm) 2 x 3,50 1,01 g/cm 3 x 981cm/s 2 9x30 g/cm 1 / s 1 = 6, cm/s Sistemas Dispersos GRUPO 1 JOANA LUZ, JOANA LOPES, SARA MAGALHÃES E SORAIA SANTOS 26
27 Lei de Stokes ρ i = 1,8 g/cm 3 d = 80 μm r = 40 μm = 0,004 cm ρ e = 1,0 g/cm 3 g = 9,80665 m/s 2 = 980,665 cm/s 2 Vs = 3x10-4 cm/seg Vs = 2r2 ρ i ρ e g 9η cm/s = 2 x (0,004 cm)2 x 1,8 1,0 g/cm 3 x 981cm/s 2 9η η = 9,298 Poise = 0,9298 kg/m / s = 0, 9298 Pa. s Sistemas Dispersos GRUPO 1 JOANA LUZ, JOANA LOPES, SARA MAGALHÃES E SORAIA SANTOS 27
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Roberto Márcio Assinado de forma digital por Roberto Márcio DN: CN = Roberto Márcio, C = BR, O = Área 1, OU = Faculdade de Ciência e Tecnologia Motivo: Sou o autor deste documento Dados: 2004.08.10 21:56:32-03'00'
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