Las suspensiones y los coloides son dos tipos comunes de mezclas cuyas propiedades son, en muchos sentidos, intermedias entre las de las soluciones verdaderas y las mezclas heterogéneas. Una suspensión es una mezcla heterogénea de partículas con diámetros de aproximadamente 1 µm (1000 nm) que se distribuyen a lo largo de una segunda fase. Las suspensiones comunes incluyen pintura, sangre y chocolate caliente, que son partículas sólidas en un líquido, y aerosoles, que son partículas líquidas en un gas. Si la suspensión se deja reposar, las dos fases se separarán, razón por la cual las pinturas se deben agitar o agitar completamente antes de usar. Un coloide también es una mezcla heterogénea, pero las partículas de un coloide son típicamente más pequeñas que las de una suspensión, generalmente en el rango de 2 a aproximadamente 500 nm de diámetro. Los coloides incluyen niebla y nubes (partículas líquidas en un gas), leche (partículas sólidas en un líquido) y mantequilla (partículas sólidas en un sólido). Otros coloides se utilizan industrialmente como catalizadores. A diferencia de una suspensión, las partículas en un coloide no se separan en dos fases al reposar. La única combinación de sustancias que no pueden producir una suspensión o un coloide es una mezcla de dos gases porque sus partículas son tan pequeñas que siempre forman soluciones verdaderas. Las propiedades de las suspensiones, coloides y soluciones se resumen en la Tabla ( PageIndex {1} ).
| Tipo de mezcla | Tamaño aproximado de partículas (nm) | Propiedades características | Ejemplos |
|---|---|---|---|
| solución | <2 | no filtrable; no se separa al pararse; no dispersa la luz visible | aire, vino blanco, gasolina, agua salada |
| coloide | 2–500 | dispersa la luz visible; translúcido u opaco; no filtrable no se separa al pararse | humo, niebla, tinta, leche, mantequilla, queso |
| suspensión | 500–1000 | turbio u opaco; filtrable se separa al pararse | agua turbia, chocolate caliente, sangre, pintura |
Coloides y suspensiones
Los coloides se caracterizaron por primera vez en 1860 por Thomas Graham, quien también nos dio la ley de difusión y derrame de Graham. Aunque algunas sustancias, como el almidón, la gelatina y el pegamento, parecen disolverse en agua para producir soluciones, Graham descubrió que se difunden muy lentamente o no se comparan en absoluto con las soluciones de sustancias como la sal y el azúcar. Graham acuñó la palabra coloide (del griego kólla, que significa “pegamento”) para describir estas sustancias, así como las palabras sol y gel para describir ciertos tipos de coloides en los que todo el solvente ha sido absorbido por las partículas sólidas, por lo tanto evitando que la mezcla fluya fácilmente, como vemos en gelatina. Otros dos tipos importantes de coloides son los aerosoles, que son dispersiones de partículas sólidas o líquidas en un gas, y las emulsiones, que son dispersiones de un líquido en otro líquido con el que es inmiscible.
Los coloides comparten muchas propiedades con soluciones. Por ejemplo, las partículas en ambos son invisibles sin un microscopio potente, no se quedan paradas y pasan a través de la mayoría de los filtros. Sin embargo, las partículas en un coloide dispersan un haz de luz visible, un fenómeno conocido como el efecto Tyndall. El efecto lleva el nombre de su descubridor, John Tyndall, un físico inglés (1820-1893). mientras que las partículas de una solución no. El efecto Tyndall es responsable de la forma en que los haces de los faros de los automóviles son claramente visibles desde el lado en una noche de niebla, pero no se pueden ver desde el lado en una noche despejada. También es responsable de los rayos de luz de colores que se ven en muchas puestas de sol, donde la luz del sol se dispersa por las gotas de agua y las partículas de polvo en la atmósfera. Un ejemplo del efecto Tyndall se muestra en la Figura ( PageIndex {1} ).
Aunque los coloides y las suspensiones pueden tener partículas de tamaño similar, los dos difieren en estabilidad: las partículas de un coloide permanecen dispersas indefinidamente a menos que se cambie la temperatura o la composición química del medio dispersante. La explicación química de la estabilidad de los coloides depende de si las partículas coloidales son hidrófilas o hidrófobas.
La mayoría de las proteínas, incluidas las responsables de las propiedades de la gelatina y el pegamento, son hidrófilas porque su superficie exterior está cubierta en gran medida por grupos polares o cargados. El almidón, un polímero ramificado largo de moléculas de glucosa, también es hidrofílico. Una partícula coloidal hidrofílica interactúa fuertemente con el agua, dando como resultado una capa de moléculas de agua fuertemente unidas que evita que las partículas se agreguen cuando colisionan. El calentamiento de un coloide de este tipo puede causar agregación porque las partículas colisionan con mayor energía e interrumpen la cubierta protectora del solvente. Además, el calor hace que se desarrollen estructuras de proteínas, exponiendo grupos hidrófobos previamente enterrados que ahora pueden interactuar con otros grupos hidrófobos y hacer que las partículas se agreguen y precipiten de la solución. Cuando se hierve un huevo, por ejemplo, la clara de huevo, que es principalmente una suspensión coloidal de una proteína llamada albúmina, se despliega y expone sus grupos hidrófobos, que se agregan y hacen que la albúmina precipite como un sólido blanco.
En algunos casos, un coloide estable puede transformarse en una suspensión agregada mediante una modificación química menor. Considere, por ejemplo, el comportamiento de la hemoglobina, un componente importante de los glóbulos rojos. Las moléculas de hemoglobina normalmente forman una suspensión coloidal dentro de los glóbulos rojos, que generalmente tienen forma de “rosquilla” y se deforman fácilmente, lo que les permite pasar a través de los capilares para llevar oxígeno a los tejidos. En una enfermedad hereditaria común llamada anemia falciforme, uno de los aminoácidos en la hemoglobina que tiene una cadena lateral de ácido carboxílico hidrofílico (glutamato) es reemplazado por otro aminoácido que tiene una cadena lateral hidrofóbica (valina). En algunas condiciones, las moléculas de hemoglobina anormales pueden agregarse para formar fibras largas y rígidas que causan la deformación de los glóbulos rojos, adoptando una forma de hoz característica que les impide pasar a través de los capilares (Figura ( PageIndex {2} )) . La reducción en el flujo sanguíneo produce calambres severos, articulaciones inflamadas y daño hepático. Hasta hace poco, muchos pacientes con anemia de células falciformes murieron antes de los 30 años por infección, coágulos sanguíneos o insuficiencia cardíaca o renal, aunque las personas con el rasgo genético de células falciformes son más resistentes a la malaria que aquellos con hemoglobina “normal”. .
La agregación y la precipitación también pueden producirse cuando la capa externa cargada de una partícula es neutralizada por iones con la carga opuesta. En las vías navegables interiores, las partículas de arcilla, que tienen una superficie cargada, forman una suspensión coloidal. Las altas concentraciones de sal en el agua de mar neutralizan la carga en las partículas, haciendo que precipiten y formen tierra en las desembocaduras de los grandes ríos, como se ve en la vista de satélite en la Figura ( PageIndex {3} ). La neutralización de carga también es una estrategia importante para precipitar partículas sólidas de coloides gaseosos como el humo, y se usa ampliamente para reducir las emisiones de partículas de las centrales eléctricas que queman combustibles fósiles.
Emulsiones
Las emulsiones son coloides formados por la dispersión de un líquido hidrofóbico en agua, por lo que dos líquidos mutuamente insolubles, como el aceite y el agua, están en contacto cercano. Se han desarrollado varios agentes para estabilizar las emulsiones, siendo las más exitosas las moléculas que combinan una “cola” hidrófoba relativamente larga con una “cabeza” hidrófila:
Ejemplos de tales agentes emulsionantes incluyen jabones, que son sales de ácidos carboxílicos de cadena larga, como el estearato de sodio ( ce {[CH_3 (CH_2) _ {16} CO_2 − Na ^ {+}]} ) y detergentes, como dodecil sulfato de sodio ( ce {[CH_3 (CH_2) _ {11} OSO_3 − Na ^ {+}]} ), cuyas estructuras son las siguientes:
Cuando lava la ropa, las colas hidrofóbicas de jabones y detergentes interactúan con partículas hidrofóbicas de suciedad o grasa a través de fuerzas de dispersión, disolviéndose en el interior de la partícula hidrofóbica. El grupo hidrofílico se expone luego en la superficie de la partícula, lo que le permite interactuar con el agua a través de fuerzas de iones-dipolos y enlaces de hidrógeno. Esto hace que las partículas de suciedad o grasa se dispersen en el agua de lavado y permite que se eliminen enjuagando. Agentes similares se utilizan en la industria alimentaria para estabilizar emulsiones como la mayonesa.
Un mecanismo relacionado nos permite absorber y digerir las grasas en palomitas de maíz y papas fritas con mantequilla. Para solubilizar las grasas para que puedan ser absorbidas, la vesícula secreta un líquido llamado bilis en el intestino delgado. La bilis contiene una variedad de sales biliares, moléculas de tipo detergente que emulsionan las grasas.
Micelas
Los detergentes y jabones son sorprendentemente solubles en agua a pesar de sus colas hidrófobas. La razón de su solubilidad es que, de hecho, no forman soluciones simples. En cambio, por encima de una cierta concentración, forman espontáneamente micelas, que son agregados esféricos o cilíndricos que minimizan el contacto entre las colas hidrofóbicas y el agua. En una micela, solo las cabezas hidrofílicas están en contacto directo con el agua, y las colas hidrofóbicas están en el interior del agregado (Figura ( PageIndex {4a} )).
Una gran clase de moléculas biológicas llamadas fosfolípidos consiste en moléculas de tipo detergente con una cabeza hidrofílica y dos colas hidrofóbicas, como se puede ver en la molécula de fosfatidilcolina. La cola adicional da como resultado una forma cilíndrica que evita que los fosfolípidos formen una micela esférica. En consecuencia, los fosfolípidos forman bicapas, láminas extendidas que consisten en una doble capa de moléculas. Como se muestra en la Figura ( PageIndex {4b} ), las colas hidrofóbicas están en el centro de la bicapa, donde no están en contacto con el agua, y las cabezas hidrofílicas están en las dos superficies, en contacto con el acuoso circundante. solución.
Una membrana celular es esencialmente una mezcla de fosfolípidos que forman una bicapa de fosfolípidos. Una definición de una célula es una colección de moléculas rodeadas por una bicapa de fosfolípidos que es capaz de reproducirse. Las células más simples son las bacterias, que consisten en un solo compartimento rodeado por una sola membrana. Sin embargo, las células animales y vegetales son mucho más complejas y contienen muchos tipos diferentes de compartimentos, cada uno rodeado por una membrana y capaz de realizar tareas especializadas.
Resumen
Una suspensión es una mezcla heterogénea de partículas de una sustancia distribuidas en una segunda fase; Las partículas dispersas se separan de la fase de dispersión en reposo. En contraste, las partículas en un coloide son más pequeñas y no se separan al pararse. Un coloide puede clasificarse como un sol, una dispersión de partículas sólidas en un líquido o sólido; un gel, un sol semisólido en el que toda la fase líquida ha sido absorbida por las partículas sólidas; un aerosol, una dispersión de partículas sólidas o líquidas en un gas; o una emulsión, una dispersión de una fase líquida en otra. Un coloide se puede distinguir de una solución verdadera por su capacidad de dispersar un haz de luz, conocido como el efecto Tyndall. Los coloides hidrofílicos contienen una capa externa de grupos que interactúan favorablemente con el agua, mientras que los coloides hidrofóbicos tienen una superficie externa con poca afinidad por el agua. Las emulsiones se preparan dispersando un líquido hidrófobo en agua. En ausencia de una fase líquida hidrófoba dispersa, las soluciones de detergentes en agua forman agregados esféricos organizados llamados micelas. Los fosfolípidos son una clase de moléculas de tipo detergente que tienen dos colas hidrófobas unidas a una cabeza hidrofílica. Una bicapa es una lámina bidimensional que consta de una doble capa de moléculas de fosfolípidos dispuestas cola a cola con un interior hidrófobo y un exterior hidrófilo. Las células son colecciones de moléculas que están rodeadas por una bicapa de fosfolípidos llamada membrana celular y pueden reproducirse.