clase 1. sistemas dispersos aspectos fundamentales-1.ppt

Leadina Sánchez Barboza

Sistemas Dispersos: Aspectos

Fundamentales

Ubicación de la materia:

Objetivo de la materia:

Al finalizar el curso el estudiante podrá:

•Definir y diferenciar fase e interfase.•Definir que es un sistema disperso y su clasificación.•Diferenciar entre coloides y suspensiones.•Reconocer los parámetros fisicoquímicos de los cuales depende la estabilidad de coloides y suspensiones.•Comprender como se ven influenciados la estabilidad de los sistemas dispersos al introducir en el medio agentes tensoactivos.•Entender el fenómeno de adsorción de los agentes tensoactivos en la interfase sólida-líquida.

Evaluación:

Evaluación individual: Examen parcial (30 puntos) Evaluación colaborativa o grupal: se realizarán las siguientes actividades para el aprendizaje: Exposición: 25 puntosEstudio de caso: 25 puntosCo-evaluación: 10 puntosAuto-evaluación: 10 puntos

Sistemas Dispersos o Coloidales. Definiciones

Solución: Sistema homogéneo obtenido al mezclar dos sustancias el soluto y el solvente, en los cuales ambos componentes tienen moléculas con tamaños similares.

Sistemas Coloidales: Aquellos donde las partículas de la fase dispersa poseen tamaños muchos mayores que las moléculas del solvente (soluciones micelares, microemulsiones, soluciones de macromoléculas, etc).

Entre las características de los sistemas dispersos están el que presentan una gran relación de área/volumen, lo cual hace que los efectos superficiales se vean amplificados y sean quienes controlen el comportamiento del sistema.

Un sistema evolucioanará espontáneamente hacia el estado con menor energía libre (ΔG < 0)

SOLUCIONES ΔG < 0 Mezcla espontánea

DISPERSIONES ΔG > 0

Mezcla NO espontánea

Separación de las fases espontánea

Cinética? Si es lenta

Sistema estable cinéticamente

Energéticamente metaestable

Proteger a las partículas dispersadascontra la agregración

Interacciones repulsivas

Sistemas Dispersos o Coloidales. Definiciones

Sistemas Dispersos: Sistemas heterogéneos donde las partículas dispersas generalmente son de tamaño coloidal, cercano a 1 m (emulsiones, espumas, suspensiones). En estos sistemas existen partículas o gotas que constituyen la fase dispersa, las cuales deben ser dispersadas en una segunda fase, conocida como continua.Química de Superficies: El comportamiento de moléculas grandes es gobernado por la fuerza de gravedad, mientras que para objetos coloidales lo determinante es el movimiento térmico y las propiedades de superficie.

- Movimiento Browniano las partículas pueden difundir al azar debido a energía térmica

- Energía Interfacial depende de las diferencias químicas entre las fases dispersa y continua

-Sistemas Heterogéneos: fase continua/fase dispersa

Un estado especial de la materia

- Dispersiones ordinarias: Suspensiones y emulsiones con partículas mayores de 1µm (10-4 a 10-2 cm).

- Partículas de: 10-7 a 10-2 cm (polidispersidad):

- Se presentan sistemas múltiples, Ej: W/O/W

- Clasificación: Tamaño de partícula, estados de agregación, estructura e interacciones de la interfase.

- Dispersiones finas o coloides propiamente dichos: partículas menores de 1µm (10-4 a 10-7 cm).

Sistemas Dispersos o Coloidales. Generalidades

- Emulsiones / Liquído-Líquido- Suspensiones/ Sólido-Líquido

Alimentos: salsas, mayonesa, margarina, jugos

Pinturas

Cosméticos

Productos de limpieza

Fluidos petroleros

Medicamentos

-Espumas / Gas-Líquido

Cosméticos

Fluidos petroleros


- Dispersiones / Sólido-Gas

Humos

Sistemas Dispersos en nuestro día a día

Sistemas Dispersos en nuestro día a día

Líquido Líquido Emulsión Petróleo Grasas de digestión,Medicamentos,

Leche Membranas biológicasCosméticos


Alimentos

Líquido Gas Espumas Hidrocarburos Secreciones Cosméticos

Rios contaminados AnimalesAlimentos Gas Sólido Aerosoles Polvo volcánico PolenMedicamentos Gas Líquido Aerosoles Nubes Spray

Niebla Cosméticos,

Sólido Sólido Suspensiones Madera HuesosAgregados Sólido Líquido Material poroso Yacimientos Petroleros Perlas, nácar

Plásticos de alto impacto

Sólido Gas Espuma sólida Piedra pómez Esponjas Zeolitas

Fase dispersa y dispersante

Fase dispersa, interna o discontinua

Fase dispersante, externa o continua

No existe prácticamente ninguna actividad individual, comercial o industrial que no involucre detergencia, espumas, emulsiones, dispersiones etc., pudiéndose decir que se debe enfrentar o usar fenómenos interfaciales cada vez que estemos en presencia de una frontera bidimensional de los objetos tridimensionales que conforman nuestro mundo (Rojas y Bullon, 2007). Así por ejemplo, en las industrias cosméticas se producen un sin número de lociones, cremas, espumas, suspensiones, dispersiones, etc, en los cuales el acondicionamiento dispersado es esencial para conferirles las propiedades deseadas.

Definiciones

Zona de transición donde las propiedades cambian desde su valor en una fase hasta el valor que adquieren en otra, región tridimensional de contacto entre dos fases.

Mínima cantidad de trabajo requerida para crear una interfase.

Es una medida de la energía libre interfacial por unidad de área.

Sustancia química que tiene la habilidad de adsorberse en una interfase, modificando la energía libre interfacial.

ENERGIA LIBREINTERFACIAL:

TENSIÓNINTERFACIAL:

SURFACTANTE:

INTERFASE:(ZONA INTERFACIAL)

FASE: Porción homogénea de la materia, con lo cual se desea significar que sus propiedades (p.e. P, T, Ci) no varíen con el tiempo de una zona a otra. Aquella parte del sistema que es en su conjunto química y físicamente idéntica.

Es cualquier parte homogénea y físicamente distinta, en un sistema, que está separada de las otras partes del sistema por una superficie limítrofe definida.

Conceptos Básicos • Las moléculas en el interior de la masa de un líquido son atraídas por igual en todas las direcciones

• Las moléculas en la superficie de un líquido son atraídas hacia el interior debido a un desbalance de fuerzas

• Las moléculas en la superficie poseen más energía que aquellas en el interior de la masa líquida

• Se requiere realizar trabajo para llevar una molécula desde el interior de la masa del líquido hasta la superficie

• Se requiere realizar trabajo para crear una interfase o expandir una existente

VAPOR

LIQUIDO

TENSIÓN SUPERFICIAL

Sistemas Dispersos o Coloidales. Generalidades

• Las dispersiones se caracterizan por poseer un

área interfacial relativamente grande, por lo

cual se requiere cierta cantidad de energía

para formarlas y mantenerlas.

• Las dispersiones son sistemas

termodinámicamente inestables, no obstante,

manejando principios de química coloidal y

fenómenos interfaciales, se pueden hacer

cinéticamente estables.

dG = dA > 0

Energía Superficial o Interfacial

dG = dA dG: cambio en la energía libre de Gibbs de exceso

dw = dA: tensión interfacial dw: trabajo requerido para crear la nueva superficie, proporcional a la cantidad de moléculas movidas a la superficie

reducir área superficialPara minimizar Energía libre de Gibbs (aumentar tamaño gotas)

o el Trabajo disminuir tensión (agregar surfactante)

Conceptos Básicos

dG=dw dG=dWdG = dw para un sistema cerrado a P y T constantes

Propiedades Básicas

-Capacidad de adsorberse en las interfases

-Tendencia a asociarse para formar estructuras organizadas

Aceite

Surfactantes

Grupo Apolar o Hidrofóbico

Grupo Polar o Hidrófilo

Sección lipofílica

Sección hidrofílica

H

CC

CC C CC

C C

C

CC

C

C CC C C

HH H H H

HH

HH H H

H

H

HH H

HH

HH

H

S

O

O

O

Na

Representación general

Cola lipofílica Cabeza hidrofílica

Surfactante Sol. acuosa

Cosurfactante

Aceite

Surfactante Sol. acuosa

Cosurfactante

Aceite

Protocolo de Mezcla

Formación de Micelas y Emulsificación

Micelas Microemulsiones

Emulsiones

Surfactante

en Sol. acuosa

Aceite

Fenómenos relacionados con la adsorción de surfactante en la

interfase

Sistemas Dispersos o Coloidales. Estabilidad

• Se entiende por inestabilidad, cualquier

fenómeno que promueva cambios

reversibles o irreversibles, en las

propiedades de los sistemas en estudio.

• La estabilidad y propiedades reológicas

de los sistemas dispersos, son

severamente afectados por la

distribución y el diámetro promedio de

gotas.

Sistemas Dispersos o Coloidales. Estabilidad

Result: Analysis Table

ID: v ina 2 Run No: 1 Measured: 27/2/05 06:42a.m.File: VINA Rec. No: 2 Analysed: 27/2/05 06:43a.m.Path: C:\MISDOC~1\TAMAÑO~1\VINAGR~1\ Source: Analysed

Sampler: Measured Beam Obscuration: 12.7 %Presentation: 4_DEC Analysis: Poly disperse Residual: 1.536 %Modif ications: None

Conc. = 0.0033 %Vol Density = 0.875 g/cm 3̂ S.S.A.= 3.2316 m 2̂/gDistribution: Volume D[4, 3] = 3.18 um D[3, 2] = 2.12 umD(v , 0.1) = 1.07 um D(v , 0.5) = 2.92 um D(v , 0.9) = 5.65 umSpan = 1.570E+00 Unif ormity = 4.849E-01

Size(um)

Volume Size(um)

Volume Size(um)

Volume Size(um)

VolumeIn %

0.31 0.36

0.11

0.42 0.29

0.49 0.54

0.58 0.86

0.67 1.26

0.78 1.72

0.91 2.24

1.06 2.81

1.24 3.43

1.44 4.15

1.68 5.00

1.95 6.02

In % 1.95 2.28

7.22

2.65 8.49

3.09 9.59

3.60 10.22

4.19 10.08

4.88 9.05

5.69 7.25

6.63 5.08

7.72 2.98

9.00 1.33

10.48 0.30

12.21 0.00

In % 12.21 14.22

0.00

16.57 0.00

19.31 0.00

22.49 0.00

26.20 0.00

30.53 0.00

35.56 0.00

41.43 0.00

48.27 0.00

56.23 0.00

65.51 0.00

76.32 0.00

In % 76.32 88.91

0.00

103.58 0.00

120.67 0.00

140.58 0.00

163.77 0.00

190.80 0.00

222.28 0.00

258.95 0.00

301.68 0.00

Distribución y diámetro promedio de gotas

0

2

4

6

8

10

12

0 10 20 30 40

diámetro (m)

% v

olu

men

9000 RPM

14000 RPM

Particle D iameter (µm.)

Volume (% )

0

10

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

0.1 1.0 10.0 100.0 1000.0

Sistemas Dispersos o Coloidales. Tipos de Inestabilidad

Los tipos más comunes de inestabilidad en sistemas dispersos son:

Floculación: Las partículas dispersas se unen formando agregados tridimensionales, sin perder su individualidad. Este es un fenómeno reversible que normalmente conduce a incrementos de viscosidad.

Sedimentación/Flotación: Las partículas dispersas tienden a sedimentar o flotar debido a diferencias de densidad entre las fases. Este es un fenómeno reversible.

Coalescencia: La unión de dos o más partículas para formar una sola. Fenómeno irreversible que conduce a la separación de fases.


Emulsión estable

Flotación

Floculación

Coalescencia

Sedimentación


Sedimentación/Flotación (Creaming):

La velocidad (v) de caída o ascenso de esferas rígidas de radio (R), no deformables y no interactuantes, en un líquido de viscosidad o, viene dada por la ley de Stokes:

v = 2 g R2 / 9o

donde es la diferencia de densidades entre las fases y g la aceleración de la gravedad.

El fenómeno puede evitarse o aminorarse mediante: 1) Disminución de la diferencia de densidades 2) Disminución del diámetro de las partículas3) Incremento en la viscosidad del medio de dispersión o fase

continua.


Sedimentación/Flotación (Creaming):

Un análisis riguroso del fenómeno requiere considerar la deformación de las partículas.El aceite es menos denso que el agua, por lo tanto tiende a flotar.En las espumas el proceso de flotación es mucho más rápido debido a la Ej. Los refrescos

Sedimentación

Suspensión de silica gel en agua


Floculación: Formación de agregados tridimensionales, se observa enemulsiones y dispersiones de sólidos en líquidos. Origina variacionesde viscosidad y puede preceder a la coalescencia.

Coalescencia: Unión de varias gotas para formar una sola, se observa en emulsiones y normalmente conduce a la separación de las fases.

Ambos fenómenos pueden ser controlados mediante una barreraenergética, determinada por la magnitud de las fuerzas de atraccióny repulsión entre las partículas: Dichas fuerzas son:

- Fuerzas de atracción de Van der Waals- Fuerzas de repulsión electrostática- Fuerzas de corto alcance (atracción o repulsión)

rg

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