Para finalizar nuestro viaje por las propiedades de las
disoluciones, nos adentraremos en dos aspectos que, aunque a menudo se dejan de
lado en las discusiones más básicas, son fundamentales para comprender la
complejidad de las mezclas en la naturaleza y la tecnología: la naturaleza
de los coloides y las fronteras de fase. Estos conceptos no solo
amplían nuestra visión sobre cómo interactúa la materia, sino que también
revelan mecanismos cruciales en sistemas biológicos e industriales.
Coloides
Los coloides, también conocidos como dispersiones
coloidales, son mezclas homogéneas de dos o más componentes, similares a
las soluciones en que uno de los componentes es más abundante que los otros.
Sin embargo, a diferencia de las soluciones donde usamos los términos solvente
y soluto, en los coloides hablamos de medio dispersante (equivalente al
solvente) y fase dispersa (equivalente al soluto). Las partículas de la
fase dispersa, al igual que las partículas de soluto en una solución, no pueden
verse a simple vista y no se asientan por la acción de la gravedad. La
diferencia crucial, y la que da origen a sus propiedades únicas, radica en el tamaño
de las partículas. Mientras que las partículas de soluto en una solución
son diminutas (moléculas pequeñas o iones, con diámetros menores a
aproximadamente 0.1 nanómetros), la fase dispersa de los coloides está formada
por partículas mucho más grandes (moléculas muy grandes o pequeños fragmentos
de materia) con diámetros que van de 0.1 a 100 nanómetros. Esta diferencia de
tamaño es lo que confiere a los coloides propiedades distintivas. Por ejemplo,
a diferencia de las soluciones que no dispersan la luz, las partículas de la
fase dispersa sí lo hacen, lo que a menudo hace que los coloides parezcan
turbios. Cuando un haz de luz pasa a través de ellos, demuestran el efecto
Tyndall, en el cual la trayectoria de la luz se hace visible. La palabra
"coloidal" significa "parecido a pegamento", y si bien
algunos coloides como ciertas gomas y colas se ajustan a esta descripción,
muchos otros no, como el humo, la espuma de afeitar o el queso, que también son
coloides. Los coloides se clasifican generalmente según el estado físico del
medio dispersante y la fase dispersa, con nombres específicos como sol
(sólido en líquido), emulsión (líquido en líquido), o aerosol
(sólido o líquido en gas).
Figura
1. El color azul de los ojos se debe a la teoría de coloides, no a
pigmento azul. Las diminutas fibras de colágeno en el estroma del iris
dispersan preferentemente la luz azul (dispersión de Rayleigh), haciendo
que los ojos parezcan azules. La intensidad varía según el tamaño de las
partículas y la cantidad de melanina.
Algunos soles pueden volverse viscosos y semisólidos,
denominándose geles. En estos coloides, la fase dispersa sólida tiene
una gran afinidad por el medio dispersante, y el gel "fragua" al
formar una red tridimensional que atrapa al medio dispersante. Ejemplos comunes
incluyen jaleas de frutas y el "combustible enlatado" (alcohol
gelatinoso). Gran parte del interés en los coloides se relaciona con su
formación y destrucción. Los iones presentes en el medio dispersante son
atraídos por las partículas coloidales y se adhieren a sus superficies. La
carga de estos iones (positiva o negativa) depende de la naturaleza del
coloide, pero todas las partículas coloidales dentro de un sistema particular
atraerán iones de una misma carga. De esta manera, las partículas coloidales
adquieren la misma carga y, por lo tanto, se repelen entre sí. Esta
repulsión es fundamental, ya que ayuda a evitar que las partículas se unan en
agregados lo suficientemente grandes como para asentarse, manteniendo así la
estabilidad de la dispersión.
Un ejemplo práctico de la destrucción de coloides es el precipitador
Cottrell, utilizado para eliminar sólidos coloidales de los gases de
desecho de chimeneas industriales antes de ser liberados a la atmósfera. Este
precipitador contiene placas o electrodos altamente cargados. A medida que el
humo pasa sobre estas superficies cargadas, las partículas coloidales pierden
sus cargas. Al perder su carga, la repulsión mutua desaparece, permitiendo que
las partículas se coalezcan (se unan) en agregados más grandes que, por
su tamaño, se asientan y pueden ser recolectados para su eliminación. Además,
algunos coloides se estabilizan (se evita que se unan) mediante
sustancias conocidas como agentes emulsificantes o agentes
estabilizantes. La mayonesa, por ejemplo, es una emulsión de aceite en
agua, donde compuestos de la yema de huevo, como las lecitinas, actúan
como agentes emulsificantes. Estos compuestos forman una capa protectora
alrededor de las gotitas de aceite, manteniéndolas separadas y suspendidas en
el agua. La acción limpiadora de los jabones y detergentes también
proviene de su actividad como agentes emulsificantes. Los aceites y grasas no
polares, que no son solubles en agua, son atraídos por los extremos no cargados
de los iones de jabón o detergente. Como resultado, el jabón o detergente forma
una capa cargada alrededor de las gotitas de aceite, manteniéndolas separadas y
suspendidas en el agua de lavado, facilitando su remoción.
Fronteras de Fase y sus Implicaciones
La frontera de fase es el límite que separa una
disolución de otra fase, generando un estado heterogéneo que, a menudo, se
separa espontáneamente, como ocurre entre un medio acuoso y un medio líquido no
miscible, o entre un líquido y un gas. Lejos de ser una simple línea teórica,
la propia frontera de fase posee características especiales y propiedades
físicas únicas que son de vital importancia.
Figura
2. Los jabones son agentes tensoactivos que pueden surfactar y
romper membranas celulares. Nuestra piel nos protege, pero en heridas, el
jabón arde al interactuar con células vivas. Esta capacidad es crucial
para desintegrar las membranas de bacterias y las envolturas lipídicas
de virus, haciendo del simple lavado una defensa clave contra patógenos.
Una de las más destacadas es la tensión superficial
en el caso de las interfaces líquido-gas, o la tensión interfacial en
las interfaces líquido-líquido o líquido-sólido. Esta tensión es una fuerza
cohesiva en la superficie de un líquido que minimiza su área, comportándose
como una "piel" elástica. Los jabones y emulsificantes tienen
la notable capacidad de romper esta tensión superficial, facilitando el
flujo y la mezcla de sustancias que de otro modo serían inmiscibles, como el
agua y el aceite. Esta propiedad es crucial no solo en la limpieza doméstica,
sino también en procesos biológicos.
En los sistemas biológicos, las fronteras de fase son
omnipresentes y desempeñan roles vitales. Las membranas celulares, por ejemplo,
actúan como fronteras de fase que regulan el paso de sustancias. Superficies
húmedas como las de los pulmones, las branquias de los peces, la piel
húmeda de los anfibios, y las capas de moco en diversas mucosas, son
ejemplos de interfaces donde se producen intercambios cruciales de gases o
nutrientes. La tensión superficial en los alvéolos pulmonares, por
ejemplo, podría causar su colapso si no fuera por la presencia de surfactantes
pulmonares, que son agentes tensoactivos que reducen esta tensión,
permitiendo que los pulmones se expandan y contraigan eficientemente. Estas
fronteras de fase también exhiben propiedades como una dureza o
resistencia inherente, y la velocidad con la que los componentes pueden
atravesarlas es fundamental para procesos como la absorción y la excreción. En
un sentido más amplio, la interacción en una frontera de fase puede ser tan
impactante como "chocar con concreto" para las moléculas, regulando
el acceso, la reactividad y el comportamiento de las sustancias en sistemas
complejos. Comprender estas interfaces es esencial para desentrañar los
mecanismos de la vida y diseñar nuevas tecnologías.
Un aspecto notable del manejo de la tensión superficial
se observa en la disciplina de los clavados olímpicos. Los clavadistas
buscan una entrada al agua que sea lo más "limpia" posible, lo que se
conoce como un "rip" debido al sonido que produce, minimizando la
salpicadura. Una mala clavada, donde el clavadista impacta el agua con
una gran área de su cuerpo (por ejemplo, de "panza" o
"espalda"), genera una gran área de impacto con la superficie
del agua, que, debido a su tensión superficial, se comporta como una membrana
elástica y resistente. Esto levanta una cantidad considerable de agua y
puede generar un impacto equivalente a golpear una superficie sólida, llegando
incluso a causar lesiones significativas debido a la fuerza de la
tensión del agua. Por esta razón, en las piscinas olímpicas, a menudo se
utilizan surtidores de aire o "spargers" que liberan burbujas
en la zona de impacto, lo que ayuda a romper temporalmente la tensión
superficial del agua y suavizar la entrada para los atletas. Comprender
estas interfaces es esencial para desentrañar los mecanismos de la vida y
diseñar nuevas tecnologías.
Referencias
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Brown, T.
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(14th ed.). Pearson.
Zumdahl, S. S., & Zumdahl, S. A. (2018). Chemistry (10th ed.). Cengage Learning.
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