Mestrado em Ciência de Materiais Faculdade UnB - Planaltina Introdução aos Sistemas Coloidais Prof. Alex Fabiano C. Campos, Dr Sistemas Dispersos DISPERSÃO é, genericamente, uma mistura de duas ou mais substâncias, em que as partículas de uma fase fase dispersa se encontram distribuídas no seio da outra fase dispersante. Indústria farmacêutica Meio Ambiente Sistemas dispersos estão presentes em todos ramos da Ciência de Materiais Academia Indústria de alimentos 1
Sistemas Dispersos SUSPENSÃO DISPERSÃO COLOIDAL SOLUÇÃO Partículas com tamanho médio maior que 1000 nm Partículas com tamanho médio entre 1 e 1000 nm Partículas com tamanho médio menor que 1 nm Sistemas Dispersos Visibilidade das partículas Solução coloide Suspensão Sistema homogêneo (não são visíveis a nenhum microscópio). Sistema heterogêneo (são visíveis ao ultramicroscópio). Sistema heterogêneo (são visíveis ao microscópio comum). Natureza do disperso Processos de separação por sedimentação Processos de separação por filtração Átomos, íons ou moléculas. As partículas não sedimentam por nenhum processo físico. A separação não é possível por nenhum tipo de filtro. Conjunto de átomos, íons ou moléculas; macromoléculas; poliletrólitos. As partículas sedimentam por ultracentrifugação. As partículas são separáveis por ultrafiltração. Grandes aglomerados de átomos, íons ou moléculas. As partículas sedimentam espontaneamente ou por centrifugação vulgar. As partículas são separáveis por meio dos filtros vulgares. Aparência geral Transparente Translúcido Opaco Exemplos Água com açúcar, ar, ouro 18 quilates. Geleia de frutas, tintas leite. Farinha suspensa em água, granito
Classificação dos coloides Quanto às fases do disperso e do dispersante Fase Dispersa Fase Dispersante Nome Exemplos Líquido Gás Aerossol líquido Sprays, neblina. Sólido Gás Aerossol sólido Fumaça, poeira. Gás Líquido Espuma Espuma de sabão. Líquido Líquido Emulsão Leite, maionese. Sólido Líquido Sol Tinta, pó de gelatina em água. Gás Sólido Espuma sólida Poliestereno expandido (Isopor ) Líquido Sólido Emulsão sólida Pérolas, opala. Sólido Sólido Sol sólido Diamante bruto. Classificação dos Coloides Quanto à natureza das partículas da fase dispersa 1. Coloidesmicelares: as partículas são formadas por agregados de átomos, moléculas ou íons. (Exemplos: enxofre em água, sabão em água);. Coloides moleculares: as partículas são formadas por macromoléculas. (Exemplo: amido em água). 3. Coloides carregados: as partículas são formadas por espécies com densidade superficial de carga elétrica. (Exemplo: proteínas em água). 3
Classificação dos Coloides Quanto à interação com a fase dispersante 1. Coloides Liófobos(sem afinidade pelo solvente) precisam passar por processos de estabilização para sua preservação; Exemplos: dispersões coloidais de ouro, prata, Fe(OH) 3, As S 3 etc. Classificação dos Coloides. Coloides Liófílos(têm afinidade pelo solvente) estabilizam-se espontaneamente. exemplos: gelatina, albumina em água etc. 4
Forma e Distribuição em Tamanho da Partículas Esféricas Cilíndricas Lamelares Forma e Distribuição em Tamanho da Partículas Histograma em tamanho coloide Polidisperso 5
Purificação dos Coloides Ultrafiltração: as partículas coloidais são retidas por meio de filtros especiais microporosidades. Ultracentrifugação: as partículas coloidais são seletivamente sedimentadas em centrifugas de alta velocidade. Ultracentrífuga Dispositivos empregados na ultrafiltração Purificação dos Coloides Diálise: espécies da solução verdadeira difundem-se para o solvente puro através de membranas especiais, separando-se das partículas coloidais, que são retidas. Eletrodiálise: quando as espécies da solução verdadeira são íons, a diálise pode ser feita por aplicação de um campo elétrico por meio da introdução de eletrodos ligados a pólos de um gerador. Dessa forma, ocorre uma migração dos íons para os pólos de carga oposta. Diálise Eletrodiálise 6
Propriedades dos Coloides Efeito Tyndall: trata-se da turvação ou opalescência que uma dispersão coloidal sofre quando atravessada por um feixe de luz, em decorrência espalhamento provocado pelas partículas. Nem todos os tipos de coloides exibem efeito Tyndall. Esse fenômeno é mais comum em sóis e aerossóis. Propriedades dos Coloides Movimento Browniano: movimento em linhas poligonais desordenadas (ziguezague) das partículas coloidais. Esse movimento é conseqüência das colisões entre as partículas do coloide e as moléculas de dispersante. 7
Propriedades dos Coloides Eletroforese: é a migração de coloides carregados para eletrodos de cargas opostas. coloides com partículas cuja densidade de carga superficial é negativa apresentam anaforese, enquanto os de carga superficial positiva apresentam cataforese. Essa técnica é muito utilizada para a separação de proteínas e resíduos de aminoácidos. Introdução à Estabilidade Coloidal Três forças fundamentais operam em partículas de sistemas coloidais em fase líquida: 1. Força gravitacional (tende a sedimentar ou crescer as partículas, dependendo de sua densidade com relação ao solvente); F 4 = πr g 3 ( ρ ρ ) 3 grav p s (partículas esféricas). Força de arraste viscoso (aumenta a resistência do movimento das partículas no meio dispersante); e Farraste = 6πrVη 3. Força resultante da energia cinética intrínseca às partículas (movimento browniano). mv 1k T 4 10 B 1 J 8
Considerando apenas (1) e (), a velocidade limite de uma partícula esférica em um dispersante cuja diferença de densidade é igual a 1 g/cm 3 pode ser calculada impondo-se: Logo 4 3 Fgrav = Farraste πr g( ρp ρs) = 6πrVη 3 r g V = 9 η ( ρp ρs) Farraste Fgrav Contudo, como as partículas apresentam movimento browniano, a velocidade típica de uma partícula esférica em movimento aleatório em um dispersante sem considerar os efeitos de atrito pode ser calculada como: 1 mv 1 310 410 v 3 ρ p πr 1 No caso de uma partícula com ρ p = g/cm 3 (ou seja, (ρ p -ρ s ) = 1): Conclusão O movimento browniano domina o comportamento das partículas de menor tamanho médio. As possíveis colisões (energia em geral superior a 10 k B T) podem resultar em fenômenos de agregação reversível (floculação) ou irreversível (coagulação), dependendo da intensidade das forças de caráter atrativo presentes. 9
Introdução à Estabilidade Coloidal Potencial DLVO Repulsão Eletrostática Atração de Van der Waals Repulsão entre as duplas camadas difusas Forças de dispersão de London 10
O Elo Entre Coloides e Superfícies Razão superfície/volume: S V π = = πr r 4 r 3 4 3 3 S = 3 cm V S = 1,56 cm 1 S = 3 10 cm V S = 1,56 10 4 1 cm 4 As propriedades de partículas de baixa dimensionalidade são governadas pela superfície. O Elo Entre Coloides e Superfícies Interface líquido - vapor A energia de superfície ou tensão superficial (γ) é o trabalho necessário para se criar uma nova unidade de área do líquido, em condições isotérmica e reversível. dw =γds 11