Capítulo 4. CONCEPTOS BASICOS DE QUIMICA COLOIDAL ...............................................................103 4.1. FORMACIÓN .....................................................................................................................................104 4.2. PROPIEDADES GENERALES ..........................................................................................................104

Por su tamaño tan pequeño, el área superficial con relación a su masa es muy grande...................................104 4.2.1. Propiedades eléctricas. .................................................................................................................104 4.2.2. Movimiento browniano................................................................................................................105 4.2.3. Efecto Tyndall..............................................................................................................................105 4.2.4. Adsorción.....................................................................................................................................106 4.2.5. Efecto sobre las temperaturas de ebullición y congelación..........................................................106 4.2.6. Diálisis. ........................................................................................................................................106

4.3. DISPERSIONES COLOIDALES EN LÍQUIDOS..............................................................................107 4.3.1. Formas .........................................................................................................................................108

4.4. SÓLIDOS EN LÍQUIDOS ..................................................................................................................109 4.4.1. Propiedades electrocinéticas: .......................................................................................................109 4.4.2. Desestabilización .........................................................................................................................112

4.4.2.1. COMPRESIÓN DE LA DOBLE CAPA..............................................................................113 4.4.2.2. NEUTRALIZACIÓN DE LA CARGA ...............................................................................114 4.4.2.3. ATRAPAMIENTO EN UN PRECIPITADO.......................................................................114

4.4.2.3.1. POR INCORPORACIÓN O POR BARRIDO. ............................................................114 4.4.2.3.2. POR PUENTE QUÍMICO............................................................................................115

4.4.3. Coagulación o desestabilización de coloides por adición de electrolitos metálicos.....................117 4.4.3.1. Química de la coagulación con AL(III)................................................................................118 4.4.3.2. Química de la coagulación con sales de hierro (III). ............................................................119

4.4.3.2.1. COLOIDES HIDROFÍLICOS......................................................................................120 4.5. SISTEMAS LÍQUIDO-LÍQUIDO.......................................................................................................121 4.6. SISTEMAS GAS-LÍQUIDO ...............................................................................................................121

Capítulo 4. CONCEPTOS BASICOS DE QUIMICA COLOIDAL

Las partículas coloidales tienen tamaños entre 1-100 nm (10-5 – 10-7 mm) y forman

dispersiones que pueden existir como sólidos, líquidos o gases.

coloides Part. suspendidas

alga

microscopio

ultra

bacteria

Atomos

moléculas

Milimicrones 1 10 100 1000 10000 100000 1000000

Micrones 0,001 0,01 0,1 1 10 100 1000

Milímetros 0,000001 0,00001 0,0001 0,001 0,01 0,1 1

Se conocen ocho clases de dispersiones coloidales:

CLASE PARTICULA FASE NOMBRE EJEMPLO

DISPERSANTE 1 Sólida sólida carbón en hierro fundido

2 sólida líquida sol turbiedad - oro en agua.

3 sólida gas humo-aerosol cristales de hielo en las nubes

4 líquida sólida gel jalea

5 líquida líquida emulsión mayonesa - aceite en agua

6 líquida gas nubes-aerosol nubes – neblina

7 gas sólida carbón activado– piedra pómez

8 gas líquida espuma crema batida

9 gas gas I M P O S I B L E ¡

103

4.1. FORMACIÓN

Una suspensión coloidal se forma cuando una sustancia es insoluble en el medio y sus

partículas o gotas son muy pequeñas y se dispersan en él. Ejemplos de formación de

partículas coloidales se conocen el barrenado de rocas y las descargas de explosivos.

Pueden formarse en reacciones cuyos productos sean insolubles. No crecen como los

cristales en tamaños que puedan sedimentar o ser filtrados.

Ciertas sustancias orgánicas se consideran solubles pero no forman soluciones reales, sino

dispersiones coloidales: jabón, almidones, gelatina, agar-agar, goma arábiga, albúmina.

Sustancias inorgánicas como la bentonita y la piedra pómez tampoco se disuelven.

4.2. PROPIEDADES GENERALES

Por su tamaño tan pequeño, el área superficial con relación a su masa es muy grande.

|

Como resultado de esta gran área predominan los fenómenos de superficie. La masa de las

partículas coloidales es tan pequeña que los efectos gravitacionales no tienen importancia.

1 Nm A2 =600 m2

1 cm A1 = 6 cm2

4.2.1. Propiedades eléctricas.

Toda partícula coloidal esta eléctricamente cargada, la carga varía su magnitud de acuerdo

a la naturaleza del material coloidal y puede ser positiva o negativa. La estabilidad de los

coloides depende de su carga eléctrica. Los de igual signo se repelen y no dejan formar

aglomerados de muchas partículas.

104

Las propiedades electrocinéticas son de gran im

forma de destruir las suspensiones coloidales depe

Cuando una partícula coloidal es ubicada en un

carga opuesta. Este fenómeno se conoce como E

naturaleza de la carga de las partículas coloidales.

4.2.2. Movimiento browniano.

Las partículas coloidales son bombardeadas por m

pequeño tamaño y masa se mueven de manera

debido a materia viva, pero Brown en 1827, mos

este fenómeno.

Este movimiento constante y desordenado les im

las partículas sean más densas que el líquido que l

4.2.3. Efecto Tyndall.

Un rayo de luz es diseminado al pasar através de u

coloides es mayor que la longitud de onda promed

su paso y la refleja.

partículas coloidales negativas

portancia en ingeniería ambiental y la

nde de su conocimiento.

campo eléctrico migra hacia el polo de

lectroforesis y se usa para determinar la

oléculas del medio de dispersión y por su

efervescente. Este movimiento se creía

tró que la materia inerte también exhibía

pide a los coloides sedimentarse, aunque

as rodea.

na suspensión coloidal. El tamaño de los

io de la luz blanca y por esto interfiere en

105

Esta propiedad se usa como base para medir la turbiedad en el agua, o la concentración de

partículas coloidales en un líquido.

4.2.4. Adsorción.

Por su gran superficie, los coloides son adsorbentes poderosos. La adsorción preferencial o

selectiva, donde se adsorben algunas clases de partículas, según su carga, es la base

fundamental de la estabilidad de algunas dispersiones coloidales.

4.2.5. Efecto sobre las temperaturas de ebullición y congelación.

Los coloides afectan los puntos de ebullición y congelación de los líquidos que los

contengan o sea siguen la ley de Raoult. Su efecto no es medible con instrumentos

ordinarios porque su número es pequeño comparado con el número de Avogadro.

4.2.6. Diálisis.

Por su tamaño no atraviesan membranas semipermeables ordinarias. Por esto para separar

cristales y coloides se usa la diálisis.

106

4.3. DISPERSIONES COLOIDALES EN LÍQUIDOS

Las dispersiones de sólidos, líquidos o gases en líquidos son encontradas comúnmente en

ingeniería ambiental:

Liofílico diaturno

Orgánico inorgánico

Molecular micelar

Liofóbico caduco

Coloides moleculares: están constituidos por polímeros, formados por cadenas orgánicas

con pesos moleculares grandes (15.000- 100.000) y tamaños entre 102 y 5x102 mµ de

longitud por 0,2 y 1 mµ de grueso. Por ejemplo gelatinas (colágeno), proteínas, almidón.

Micelares: se forman por asociación de moléculas más pequeñas de minerales, como el

oro, o compuestos orgánicos, jabón, detergentes, que espontáneamente se aglutinan en

presencia de un dispersante, en partículas de tamaño coloidal.

Liofílico: tiene fuerte atracción por el líquido dispersante. Se denominan hidrofilicos

cuando el líquido es el agua. (jabones, materia orgánica de ARD).

Liofóbicos: insolubles en el dispersante por ejemplo arcillas y metales, son más inestables

que los liofilicos y tienen gran interés en el tratamiento de agua potable.

Diaturnos: de larga duración. Los constituyen los que no se modifican o se aglutinan

durante mucho tiempo, comparado con el tiempo de observación.

Caducos: efímeros, los transitorios que se aglutinan o cambian rápidamente.

107

4.3.1. Formas

Tienen relación directa con las propiedades, pueden ser isométricos, como en forma de

esferas o anisométricos como los cilindros, láminas o cintas.

108

4.4. SÓLIDOS EN LÍQUIDOS

Cuando el líquido es agua, pueden ser hidrofóbicos o hidrofílicos. Todos están cargados

eléctricamente. La carga primaria y la superficial pueden desarrollarse por varias vías y

pueden ser positivas o negativas. El signo y la magnitud de la carga primaria son funciones

del carácter del coloide, del pH y las características iónicas generales del agua.

Un agua con un pH bajo tiende a hacer coloides más positivos o menos negativos.

El ingeniero ambiental tiene que ver con la remoción de coloides sólidos del agua, de los

residuos líquidos y del aire.

La materia orgánica coloreada en aguas superficiales y los sólidos suspendidos (materia

orgánica coloidal) de los residuos líquidos son ejemplos de coloides cargados

negativamente, que se encuentran en ingeniería ambiental.

4.4.1. Propiedades electrocinéticas:

La estabilidad de los coloides hidrofóbicos depende de la carga eléctrica que ellos poseen.

La carga primaria puede provenir de grupos cargados con partículas superficiales o puede

ser ganada por adsorción de una capa de iones provenientes del medio circundante por

reemplazo isomórfico.

AgNO3 + KBr AgBr + KNO + NO + Ag

Ag+ Ag+ Ag+

Ag+ AgBr Ag+

Ag+ Ag+

109

O O O O 0 O O O O -1

Si Si Si Si Al Si

O O O O O O O O

Esquema de un coloide con carga positiva. Tomado de Sawyer (1)

Debido a esta distribución de cargas existe un potencial eléctrico entre la superficie de la

partícula y el líquido, el cual va disminuyendo al aumentar la distancia.

Los potenciales desarrollados en un coloide se denominan:

Ψ = potencial en la superficie o Potencial de Nerst.

Ψs= potencial en el interior de la capa difusa(capa doble) o potencial de Stern.

Ψz= potencial en el plano de cizalla entre la solución y la partícula o potencial zeta.

Distancia desde la superficie de la partícula

110

Fuerzas desarrolladas en las partículas coloidales. Tomada de Sawyer (1)

Cuando dos partículas coloidales se acercan una a otra actúan dos fuerzas: la electrostática

de repulsión (o de Coulomb) que tiende a separar las partículas y las fuerzas atractivas de

Van Der Waals.

Fcoulomb = q1 q2 / DL2 Dc = constante dieléctrica

F VanDerWaals α 1/L7

111

Rara vez es efectiva a más de 10 mm., no depende de q, no varía con el pH ni con las

características de la fase líquida. Es función de la magnitud y densidad del coloide.

Podemos observar gráficamente los desarrollos de estas fuerzas respecto a una partícula

coloidal especifica (1):

Cuando dos partículas coloidales se acercan la fuerza de repulsión aumenta para

mantenerlas separadas. Si se acercan lo suficiente y sobrepasan la barrera de energía,

predominaran las fuerzas de VanDerWaals y las partículas podrían unirse. Cuando se

obtiene esta condición se dice que el coloide se ha desestabilizado.

4.4.2. Desestabilización

Para lograr la desestabilización de los coloides es necesario destruir su estructura y formar

coágulos a agregados de muchas partículas, los cuales si son sedimentables.

Para que un coloide se aglutine con otros (coagule), es necesario que las partículas se

aproximen a una distancia menor que L, o sea menor que la que existe entre el centro del

112

coloide y la cresta de la resultante o barrera de energía. La ubicación de la barrera de

energía varía con el pH.

Los coloides se aproximan a una distancia menor que la de la barrera de energía cuando el

potencial zeta baja hasta un punto llamado "punto isoeléctrico" ( z=0), lo que sucede si se

neutraliza la carga q o se represa incrementando el número de iones en la solución.

Hay cuatro mecanismos para la coagulación de los coloides:

1. Compresión de la doble capa.

2. Neutralización de su carga.

3. Atrapamiento en un precipitado.

4. Formación de puentes interpartículas.

4.4.2.1. COMPRESIÓN DE LA DOBLE CAPA

Al aumentar la concentración del electrolito, se incorporan contraiones en la capa difusa,

con lo cual esta se represa y se disminuye la magnitud de las fuerzas repulsivas,

permitiendo la eliminación de la barrera de energía.

La adsorción de contraiones puede ser un fenómeno electrostático o un fenómeno químico.

En el primero los iones mas pequeños podrán acercarse más a la superficie y no se fijan en

puntos de adsorción determinados, sino que flotaran a su alrededor.

La coagulación se produce cuando el potencial zeta se hace cero, el exceso de coagulante

agregado no puede producir estabilización de la suspensión, puesto que los coloides no

pueden adsorber mas contraiones de los que su carga primaria les permite y a mayor carga

del contraion mas disminuirá la carga del coloide, de acuerdo a la ley de Schulze-Hardy:

"La precipitación de un coloide es afectada por aquel ion del electrolito añadido que tenga

una carga opuesta en signo a la de las partículas coloidales y el efecto de dicho ion se

incrementa tanto mas, cuanto mayor sea el número de cargas que posea."

113

Se encuentra que un ion bivalente es de 30 a 60 veces mas efectivo que un ion

monovalente, y un ion trivalente de 700 a 1000 veces que un ion monovalente.

Cuando los productos de la hidrólisis del Al(III) y el Fe(III) tienen cargas que van desde +5

hasta -1, la cantidad de coagulante que debe ser agregado a una suspensión, dependerá mas

de la carga de los productos de hidrólisis, que del número de partículas en suspensión.

4.4.2.2. NEUTRALIZACIÓN DE LA CARGA

Los coloides liofóbicos pueden neutralizarse por:

-cambio de la concentración de los iones que determinan el potencial del coloide.

-Por la adsorción de iones que posean una carga opuesta a la de los iones determinantes del

potencial y que sean capaces de reemplazar a éstos en la capa de Stern.

Los coloides pueden adsorber:

-iones o productos de hidrólisis simples como el Al(OH)++ o el Fe(OH)++ con pesos

moleculares entre 44 y 135 y tamaños menores de 1 mµ que se forman al inicio de la

coagulación.

-polímeros formados posteriormente al continuar las reacciones hidroliticas del coagulante

con la alcalinidad y con el agua misma.

4.4.2.3. ATRAPAMIENTO EN UN PRECIPITADO.

4.4.2.3.1. POR INCORPORACIÓN O POR BARRIDO.

Se produce cuando se agrega una concentración de coagulante tan alta que excede el límite

de la solubilidad de ese compuesto en el agua. En ese momento se precipitan los hidróxidos

que se forman por reacción de la alcalinidad y el agua con los coagulantes, induciendo la

formación de una masa esponjosa (floc de barrido) que atrapa en su caída a los coloides y

114

partículas suspendidas, las cuales se ven forzadas a decantar incorporadas dentro del

precipitado que desciende.

Esto no es una verdadera coagulación, pero es la que mas frecuentemente se produce

debido a que en la practica las dosis de coagulante que se usan están por encima del limite

de solubilidad de los hidróxidos de aluminio o hierro en el agua, a pH y temperatura de

trabajo normal.

4.4.2.3.2. POR PUENTE QUÍMICO.

Cuando la adsorción de contraiones es debida a fuerzas químicas, se establecerán enlaces

de hidrogeno covalentes, ionicos etc. Entre las moléculas adsorbidas y las superficies de los

coloides. En este caso estarán adheridos a puntos fijos de adsorción y su numero podrá

aumentar hasta cambiar la carga del coloide (de - a +) pasando a una estabilización nueva.

Entre mas puntos de adsorción disponibles haya, más moléculas para ser adsorbidas hay

que agregar y serán mas fácilmente adsorbidas la de los polímeros grandes que las de los

pequeños.

En la adsorción química no siempre se realiza la coagulación a Z= 0.

Las moléculas poliméricas de alto peso molecular pueden ser adsorbidas químicamente en

las partículas coloidales y cada rama del polímero podrá ser adsorbida por otro coloide,

formando puentes moleculares, aglutinando las partículas y formando un floc.

coloide

coloide

coloide

115

Se debe tener en cuenta que:

-cuando el coloide no es adsorbido, el floc se desintegra espontáneamente.

-Cuando la superficie esta totalmente cubierta no se pueden formar puentes

-el floc tiene la máxima estabilidad cuando la mitad de la superficie del coloide esta

cubierta.

La coagulación es pobre o no se produce si hay un exceso de polímeros y en determinadas

condiciones una suspensión desestabilizada puede estabilizarse de nuevo si es sometida a

una agitación violenta, ya que las partículas son cubiertas totalmente por el polímero.

El modelo del puente químico explica la relación estequiométrica que existe entre la

cantidad de superficie disponible o cantidad de coloides y la cantidad de coagulante

agregado.

La destrucción de los coloides se puede lograr de cuatro maneras:

1. ebullición

2. congelación.

3. Adición de electrolitos.

4. Precipitación mutua por adición de coloides de carga opuesta.

El método utilizado en el tratamiento de aguas es el número tres.

116

4.4.3. Coagulación o desestabilización de coloides por adición de electrolitos metálicos.

Tabla 4-1. Fuerzas relativas de coagulación de varios electrolitos (1)

Fuerza relativa de coagulación

Electrolito Coloides positivos Coloides negativos

NaCl 1 1

Na2SO4 30 1

BaCl2 1 30

MgSO4 30 30

AlCl3 1 1000

Al2(SO4)3 30 >1000

FeCl3 1 1000

Fe2(SO4)3 30 >1000

Los mas usados en la purificación de agua son el sulfato de aluminio y el cloruro férrico.

La dispersión de los coagulantes se realiza en tres fases completamente diferentes:

1. Hidrólisis de los iones de AL(III) o Fe(III). Esta fase se realiza en un tiempo muy corto,

entre 10-10 y 10-3 segundos.

2. Difusión de los compuestos formados y adsorción de ellos en las partículas coloidales.

El tiempo puede variar entre 8,5 10-5 segundos y 2,4 10-4 segundos.

3. Polimerización o reacción de los iones hidratados, para formar especies diméricas o

poliméricas. El tiempo es menor de un segundo.

Una vez desestabilizados los coloides, empiezan a aglutinarse formando primero

microfloculos (60 segundos) y luego forman partículas mayores (hasta 550 segundos) y por

último se hidratan aumentando su volumen.

Adsorción-neutralización: < 1 segundo

Desestabilización

Barrido: se completa en 7 segundos

117

4.4.3.1. Química de la coagulación con AL(III).

El Al2(SO4)3 18 H2O es un polvo de color marfil, hidratado, cuando esta en solución se

hidroliza:

Al2(SO4)3 + 6H2O [ Al(H2O)6] +++ +3SO4--

ácido≅ dona protones

Reacciona con las bases que encuentra en el agua, así:

1. Con la alcalinidad OH-

CO3-- carbonatos

HCO3- bicarbonatos

[ Al(H2O)6] +++ + OH- [ Al(H2O)5] ++ + H2O

+ CO3-- [ Al(H2O)5] ++ + HCO3

+ HCO3- [ Al(H2O)5] ++ +H2CO3

El [ Al(H2O)5] ++ es un compuesto inestable y transitorio que se hidroliza rápidamente:

[ Al(H2O)5] ++ [ Al(H2O)4 (OH)2] ++ Al(OH)3 (H2O)5

El [ Al(H2O)5(OH) ]+++ se polimeriza reaccionando entre sí:

[ Al(H2O)5(OH) ]+++ + [ Al(H2O)5(OH) ]+++ [ Al(H2O)8 (OH)2] ++ 2H2O

..... Al (OH)3 (H2O)3 de acuerdo al pH.

118

2. Con el agua.

Si se consume toda la alcalinidad continua reaccionando con el agua:

[ Al(HO)6]++ + H2O [ Al(H2O)5(OH)]++ + [ H3O] +

Los compuestos hidratados y los poliméricos pueden ser adsorbidos por las partículas

coloidales del agua produciendo su desestabilización.

Los hidróxidos de aluminio son menos efectivos como coagulantes.

4.4.3.2. Química de la coagulación con sales de hierro (III).

El mas utilizado es el cloruro férrico

Fe+++ + H2O [ Fe(H2O)5(OH)6 ]+++

1. Con la alcalinidad

[ Fe(H2O)5(OH)6 ]+++ + OH- [ Fe(H2O)5(OH) ]++ + H2O

+ (CO3)-- [ Fe(H2O)5(OH) ]++ + HCO3-

+ (HCO3)- [ Fe(H2O)5(OH) ]++ + H2CO3

El [ Fe(H2O)5(OH) ]++ se hidroliza formando: [ Fe(H2O)4(OH)2 ]++ y Fe(OH) 3(H2O)5

Se polimeriza así:

[ Fe(H2O)5(OH) ]++ [ Fe2(H2O)8(OH)2 ]++ + 2 H2O Fe(OH)3 y

Fe(OH) -

2. con agua:

[ Fe(H2O)6]+3 + H2O [ Fe(H2O)5(OH) ]++ + (H3O)+

119

4.4.3.2.1. COLOIDES HIDROFÍLICOS

Son importantes en ingeniería ambiental por ser producto de materia orgánica vegetal o

animal, como por ejemplo jabones, almidones solubles, proteínas solubles, goma arábiga,

pectinas, detergentes sintéticos etc.

Los coloides hidrofílicos están dispersos en el agua y su estabilidad depende de la afinidad

que tengan por el solvente y en menor grado de su carga, usualmente negativa, algunos

forman sales metálicas insolubles y su remoción se efectúa por sales de hierro y aluminio.

El punto isoeléctrico varía entre un pH de 4 a uno de 6.5, para la mayoría.

Muchos tienen una acción protectora de los coloides hidrofóbicos y se les dice "coloides

protectores", porque los envuelven impidiendo la acción de los electrolitos.

La coagulación de tales sistemas requiere un tratamiento drástico con grandes dosis de sales

coagulantes, a menudo 10 o 20 veces mayor que la necesaria en tratamientos

convencionales.

120

4.5. SISTEMAS LÍQUIDO-LÍQUIDO

Las emulsiones de interés en ingeniería sanitaria son las de aceite en agua. Muchas

requieren para su estabilidad de un tercer componente llamado agente emulsificante. Entre

los principales agentes emulsificantes se encuentran el jabón, las proteínas y sus derivados,

lanolina, goma arábiga, yema de huevo, caolín, etc.

Las emulsiones de agua en aceite pueden romperse por calentamiento para recuperar el

aceite. Son comunes en la industria petroquímica.

Las emulsiones de aceite en agua son de apariencia lechosa y su destrucción depende de

inactivar los agentes emulsificantes. Se usan coagulantes convencionales como sales de

aluminio, hierro y calcio.

4.6. SISTEMAS GAS-LÍQUIDO

Se toman como coloides de acuerdo al tamaño de la burbuja y se conocen como espumas.

Son un problema para tratamientos anaerobios.

121