domingo, 11 de junio de 2017

9 COLOIDES Y EL COLOR DEL CIELO

Algunas sustancias parecen disolverse inicialmente en un solvente, pero con el tiempo, la sustancia se separa del disolvente puro. Por ejemplo, partículas de arcilla finamente divididas dispersadas en agua eventualmente se asientan debido a la gravedad. La gravedad afecta a las partículas de arcilla porque son mucho más grandes que la mayoría de las moléculas, que consisten en miles o incluso millones de átomos. En contraste, las partículas dispersas en una solución verdadera (iones en una solución de sal o moléculas de glucosa en una solución de azúcar) son pequeñas. Entre estos extremos se encuentran partículas dispersas que son más grandes que las moléculas típicas pero no tan grandes que los componentes de la mezcla se separan bajo la influencia de la gravedad. Estos tipos intermedios de dispersiones se denominan dispersiones coloidales o simplemente coloides. Los coloides forman la línea divisoria entre soluciones y mezclas heterogéneas. Al igual que las soluciones, los coloides pueden ser gases, líquidos o sólidos.

El tamaño de partículas se puede usar para clasificar una mezcla como coloide o solución. Las partículas coloidales varían en diámetro de 5 a 1000 nm; Las partículas de soluto son menores de 5 nm de diámetro. Una partícula coloidal puede incluso consistir en una única molécula gigante. La molécula de hemoglobina, por ejemplo, que transporta oxígeno en nuestra sangre, tiene dimensiones moleculares de (6.5 * 5.5 * 5.0) nm y una masa molar de 64.500 g / mol.

Aunque las partículas coloidales pueden ser tan pequeños que la dispersión parece uniforme incluso bajo un microscopio, son lo suficientemente grandes para dispersar la luz. En consecuencia, la mayoría de los coloides aparecen nublados u opacos a menos que estén muy diluidos. (Por ejemplo, la leche homogeneizada es un coloide de moléculas de grasa y proteína dispersas en agua). Además, debido a que dispersan la luz, un haz de luz puede verse cuando pasa a través de una dispersión coloidal. Esta dispersión de la luz por las partículas coloidales, es conocido como el efecto de Tyndall, y hace posible ver el rayo de luz de un automóvil en un camino de tierra polvoriento, o la luz del sol que fluye a través de árboles o de nubes. No todas las longitudes de onda se dispersan en la misma medida. Los colores en el extremo azul del espectro visible se dispersan más que los del extremo rojo por las moléculas y pequeñas partículas de polvo en la atmósfera. 

9.1 El color del cielo

En un día cuando el cielo está cubierto, la luz del sol pasa a través de la capa turbia de las nubes, dando lugar a la luz dispersa, difusa en el suelo. Esto no exhibe la dispersión de Tyndall porque las gotitas de la nube son más grandes que la longitud de onda de la luz y dispersan todos los colores de igual manera aproximadamente. En un día en que el cielo despejado, el color del cielo es azul debido a la dispersión de la luz, pero esto no se denomina dispersión de Tyndall porque las partículas de dispersión son las moléculas del aire, Menor que la longitud de onda de la luz. En ocasiones, el término efecto Tyndall se aplica incorrectamente a la dispersión de la luz por partículas de polvo grandes (macroscópicas) en el aire. El color del cielo se debe al efecto Rayleigh, aunque ambos están conectados y dependen del tamaño de las partículas disueltas en el aire.

La dispersión de Rayleigh se define por una fórmula matemática que requiere que las partículas de dispersión de luz sean mucho más pequeñas que la longitud de onda de la luz. Para que una dispersión de partículas califique para la fórmula de Rayleigh, los tamaños de partículas deben ser inferiores a aproximadamente 40 nanómetros (para la luz visible), y las partículas pueden ser moléculas individuales. Las partículas coloidales son más grandes, y están en la vecindad áspera del tamaño de una longitud de onda de la luz. La dispersión de Tyndall, es decir, la dispersión de partículas coloidales, es mucho más intensa que la dispersión de Rayleigh debido a los tamaños de partícula más grandes implicadas en el proceso. La importancia del factor de tamaño de partícula para la intensidad se puede ver en el gran exponente que tiene en la declaración matemática de la intensidad de la dispersión de Rayleigh. Si las partículas coloidales son esferoides, la dispersión de Tyndall puede analizarse matemáticamente en términos de la teoría de Mie, que admite tamaños de partícula en la vecindad áspera de la longitud de onda de la luz. La dispersión de la luz por las partículas de forma compleja se describen por el método de la matriz-T.

9.2 Los ojos azules

Un iris azul en un ojo se debe a la dispersión de Tyndall en una capa translúcida en el iris.  Los iris castaños tienen la misma capa, excepto con más melanina en ella. La melanina absorbe la luz. En ausencia de melanina, la capa es translúcida (es decir, la luz que pasa a través de ella se dispersa de forma aleatoria y difusa) y una parte notable de la luz que entra en esta capa translúcida vuelve a emerger a través de una trayectoria dispersada. Es decir, hay retrodispersión, la redirección de las ondas luminosas de vuelta al aire libre. 

La dispersión tiene lugar en mayor medida a las longitudes de onda más cortas “azules y violetas”. Las longitudes de onda más largas “rojos y anaranjados” tienden a pasar directamente a través de la capa translúcida con trayectorias no alteradas, y luego encuentran la capa siguiente más atrás en el iris, que es un absorbente de luz. Debido a que las longitudes de onda más cortas son las longitudes de onda azules, esto da lugar a un tono azul en la luz que sale del ojo. El iris azul es un ejemplo de color estructural, en contraposición al color del pigmento. La ausencia completa de pigmento en los ojos (albinismo) hace que el ojo aparezca rojo, debido a la visibilidad del rojo de la retina a través del iris.

9.3 Coloides hidrofilicos e hidrofóbicos

Los coloides más importantes son aquellos en los que el medio dispersante es agua. Estos coloides pueden ser hidrofílicos ("amantes del agua") o hidrófobos ("temerosos del agua"). Los coloides hidrófilos son más parecidos a las soluciones que hemos examinado anteriormente. En el cuerpo humano, las moléculas de proteína extremadamente grandes tales como enzimas y anticuerpos se mantienen en suspensión por interacción con moléculas de agua circundantes. Una molécula hidrófila se pliega de tal manera que sus grupos hidrófobos están alejados de las moléculas de agua, en el interior de la molécula doblada, mientras que sus grupos polares hidrófilos están en la superficie, interactuando con las moléculas de agua. Los grupos hidrófilos contienen generalmente oxígeno o nitrógeno y con frecuencia llevan una carga.

Los coloides hidrófobos sólo pueden dispersarse en agua si están estabilizados de alguna manera. De lo contrario, su falta natural de afinidad por el agua hace que se separen del agua. Un método de estabilización implica la adsorción de iones sobre la superficie de las partículas hidrófobas. (Adsorción significa adherirse a una superficie, difiere de la absorción, que significa pasar al interior, como cuando una esponja absorbe agua). Los iones adsorbidos pueden interactuar con el agua, estabilizando así el coloide. Al mismo tiempo, la repulsión electrostática entre los iones adsorbidos sobre las partículas coloides vecinas evita que las partículas se peguen en lugar de dispersarse en el agua.

Los coloides hidrófobos también pueden estabilizarse mediante grupos hidrofílicos en sus superficies. Las gotas de aceite son hidrófobas, por ejemplo, y no permanecen suspendidas en agua. En su lugar, se agregan, formando una mancha de aceite en la superficie del agua. El estearato sódico, o cualquier sustancia similar que tenga un extremo que sea hidrófilo (ya sea polar o cargado) y un extremo que sea hidrófobo (no polar), estabilizará una suspensión de aceite en agua. La estabilización resulta de la interacción de los extremos hidrófobos de los iones estearato con las gotas de aceite y los extremos hidrofílicos con el agua.

La estabilización coloidal tiene una aplicación interesante en el sistema digestivo humano. Cuando las grasas en nuestra dieta llegan al intestino delgado, una hormona hace que la vesícula biliar excrete un líquido llamado bilis. Entre los componentes de la bilis se encuentran los compuestos que tienen estructuras químicas similares al estearato sódico; Es decir, tienen un extremo hidrófilo (polar) y un extremo hidrofóbico (no polar). Estos compuestos emulsionan las grasas en el intestino y permiten así la digestión y absorción de vitaminas liposolubles a través de la pared intestinal. El término emulsionar significa "formar una emulsión", una suspensión de un líquido en otro, siendo la leche un ejemplo. Una sustancia que ayuda a la formación de una emulsión se llama un agente emulsionante. Si usted lee las etiquetas en los alimentos y otros materiales, encontrará que una variedad de productos químicos se utilizan como agentes emulsionantes. Estos productos químicos típicamente tienen un extremo hidrófilo y un extremo hidrófobo. Aunque el término sustancia química los hace ver como venenos, en realidad muchos de ellos son ácidos grasos como los empleados por las membranas celulares para construirse a sí mismas.

9.4 Movimiento coloidal en los líquidos

Las moléculas de gas se mueven a una velocidad media que depende inversamente de su masa molar, en línea recta, hasta que chocan con algo. La trayectoria libre media es la distancia media que las moléculas viajan entre las colisiones. La teoría cinética-molecular de los gases supone que las moléculas de gas están en movimiento continuo y aleatorio. Las partículas coloidales en una solución sufren movimientos aleatorios como resultado de colisiones con moléculas disolventes. Debido a que las partículas coloidales son masivas en comparación con las moléculas de disolvente, sus movimientos de cualquier colisión son muy pequeños. Sin embargo, hay muchas de tales colisiones, y causan un movimiento al azar de la partícula coloidal entera, llamada movimiento browniano. En 1905, Einstein desarrolló una ecuación para el cuadrado medio del desplazamiento de una partícula coloidal, un desarrollo históricamente muy importante ya que fue empleada para demostrar la existencia de los átomos. Como es de esperar, cuanto más grande es la partícula coloidal, más corta es su trayectoria libre media en un líquido dado. Hoy en día, la comprensión del movimiento browniano se aplica a diversos problemas en todo, desde la elaboración del queso hasta la obtención de imágenes médicas.

9.5 Referencias

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