C.4. PROPIEDADES CINÉTICAS.

Las propiedades que estudiaremos en esta sección, a excepción de la ósmosis, se refieren al movimiento de las partículas que componen un coloide. Las llamadas “propiedades cinéticas” de los coloides tienen su origen en los movimientos de las partículas que forman un coloide. Aun y cuando puede parecer muy complejo, o imposible, describir los movimientos de miles de partículas de tamaño coloidal, es posible obtener una teoría que produce fórmulas sencillas basada en argumentos estadísticos. Las propiedades cinéticas que abarcaremos, serán:

Movimiento browniano

Difusión

Osmosis

Sedimentación

Una característica de las propiedades cinéticas es que, a excepción del movimiento browniano, se pueden usar para determinar pesos moleculares de macromoléculas tales como polímeros sintéticos, proteínas y bandas de ADN.

C.4.a. MOVIMIENTO BROWNIANO.

En 1828, el botánico inglés Brown observó que los granos de polen en suspensión en un líquido están en continuo movimiento al azar, de igual modo las partículas coloidales se mueven continuamente con una trayectoria irregular cuyo estudio ha contribuido al conocimiento del movimiento de las moléculas. Dicho movimiento fue denominado movimiento browniano, en honor a su descubridor. El movimiento depende esencialmente de los choques las moléculas del disolvente contra las partículas de la fase dispersa. Es tanto más lento  cuanto mayor es el diámetro de la partícula (los choques de las moléculas del disolvente las desplazan menos) y por eso, la velocidad de difusión de las partículas coloidales es tanto más lenta cuanto mayor es su volumen. Del movimiento browniano depende, en parte, la persistencia del estado coloidal de la disolución, porque representa una fuerza de repulsión de las partículas entre sí, y una cierta resistencia a precipitar, porque se opone a la gravedad.

Si se observa el movimiento de una partícula y se registra su posición a intervalos de tiempo, se puede representar una proyección del movimiento browniano en una dirección.  Al elevar al cuadrado y obtener el promedio de los cuadrados de los trayectos recorridos por una partícula, se obtiene una magnitud que podemos llamar x² (ver las figuras a y b).

C.4.b. DIFUSIÓN.

Puesto que las partículas coloidales se están moviendo continuamente, ellas deben difundirse, es decir, esparcirse dentro del solvente. La difusión es así resultado del movimiento browniano. La velocidad de la difusión, sin embargo, es mucho más pequeña que la velocidad promedio del movimiento browniano de una partícula. Debido a que la velocidad de difusión es muy pequeña existe una gran cantidad de dificultades experimentales para medir la difusión. Mientras más grandes sean las partículas, menor es la velocidad de difusión.

OTRA DEFINICIÓN. En el caso de partículas muy pequeñas, el número de colisiones es tan pequeño que no pueden cancelarse en promedio. Este movimiento molecular de traslación es la causa del fenómeno de difusión (Toral, M.T., 1985).

C.4.c. ÓSMOSIS.

Es la difusión de líquidos a través de la membrana.

OTRA DEFINICIÓN: Cuando las partículas no pueden difundir en el sistema por la presencia de una membrana semipermeable, son las moléculas del solvente las que se mueven desde la zona de menor a la de mayor concentración.

Ecuación de Van't Hoff

Π = cRT

π - Presión osmótica

c - concentración (g/l)

R - constante de los gases

T - Temperatura absoluta

C.4.d. SEDIMENTACIÓN.

En las dispersiones coloidales las partículas coloidales tienen tamaños suficiente para que la fuerza de gravedad, o de otro campo gravitatorio, tienda a depositarlas en el fondo del recipiente que contiene la dispersión. Finalmente, si se llega al equilibrio, la concentración de partículas en el fondo es mayor y va siendo menor a medida que se encuentran a mayor altura en el líquido.

Este fenómeno llamado sedimentación no es exclusivo de las dispersiones coloidales, pues sabemos que se producen diferencias en la densidad a distintos niveles en una alta columna de gas, a causa de la fuerza gravitatoria que actúa sobre las moléculas.

C.4.e. RELACIÓN ENTRE LAS CARACTERÍSTICAS DE LAS FASES.

Se presentan casos en los que es preciso tener en cuenta los fenómenos de sedimentación y de difusión para describir el comportamiento de sistemas dispersos. Puesto que la fuerza de atracción de un campo gravitatorio tenderá a hacer sedimentar las partículas de un sistema disperso, mientras la agitación térmica, manifestada en el movimiento browniano y la difusión, tenderá a volver a distribuir uniformemente las partículas, es evidente que llegará un momento en que se establecerá equilibrio en el sistema. Si u es la velocidad de sedimentación de las partículas y c su concentración, el flujo de sedimentación será      y para la sedimentación bajo la sola acción de la gravedad podrá expresarse como:

C.4.f. VELOCIDAD DE SEDIMENTACIÓN.

 

La velocidad de sedimentación de una partícula puede obtenerse igualando el producto de su velocidad, u, por el factor o coeficiente de fricción, f, o la resistencia opuesta por el medio a la partícula (que si se supone esférica viene dado por f = 6πµr) a la fuerza de gravedad que actúa sobre la partícula (supuesta esférica):

                                   U· 6πµr = 4π r³ (ρ – ρ₀)g/3

Donde ρ y ρ₀ son las densidades de la partícula y del medio, respectivamente, µ la viscosidad del medio, r el radio de la partícula y g la aceleración de la gravedad (g = 981 ≈ 10³ cm · s^-2).

            A partir de esta ecuación,

Como puede verse, la velocidad de sedimentación es directamente proporcional a la segunda potencia de su radio e inversamente proporcional a la viscosidad del medio. También depende del término (ρ – ρ₀) hasta el punto de que cuando ρ > ρ₀ ocurre sedimentación mientras que con ρ < ρ₀ (por ejemplo, una emulsión de aceite en agua) las partículas en vez de sedimentarse ascienden a la superficie (lo inverso de la sedimentación, esto es, formación de crema).

Para dar una idea de la lentitud de la sedimentación de partículas coloidales bajo la única acción de la gravedad se presentan algunos datos de velocidad de sedimentación en el campo gravitatorio terrestre (ver la siguiente tabla).

Para aumentar la velocidad de sedimentación pueden aplicarse campos centrífugos artificiales, en cuyo caso la aceleración es tantas veces mayor que g, que ésta puede despreciarse.