Dispersión (química)

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Una dispersión es un sistema en el que partículas distribuidas de un material se encuentran dispersas en una fase continua de otro material. Las dos fases pueden estar en el mismo estado de la materia o en estados diferentes .

Las dispersiones se clasifican de varias maneras diferentes, incluyendo el tamaño de las partículas en relación con las partículas de la fase continua, si se produce o no precipitación y la presencia de movimiento browniano . En general, las dispersiones de partículas lo suficientemente grandes como para sedimentar se denominan suspensiones , mientras que las de partículas más pequeñas se denominan coloides y soluciones.

Las dispersiones no presentan ninguna estructura, es decir, se supone que las partículas (o, en el caso de las emulsiones, las gotitas) dispersas en la matriz líquida o sólida (el "medio de dispersión") están distribuidas estadísticamente. Por lo tanto, en el caso de las dispersiones, se suele suponer que la teoría de la percolación describe adecuadamente sus propiedades.

Sin embargo, la teoría de la percolación sólo se puede aplicar si el sistema que debe describir está en equilibrio termodinámico o cerca de él. Hay muy pocos estudios sobre la estructura de las dispersiones (emulsiones), aunque son abundantes en tipo y se utilizan en todo el mundo en innumerables aplicaciones (véase más adelante).

En lo sucesivo, se analizarán únicamente las dispersiones con un diámetro de fase dispersa inferior a 1 μm. Para comprender la formación y las propiedades de dichas dispersiones (incluidas las emulsiones), debe tenerse en cuenta que la fase dispersa presenta una "superficie" que está cubierta ("húmeda") por una "superficie" diferente que, por lo tanto, forma una interfaz (química) . Deben crearse ambas superficies (lo que requiere una enorme cantidad de energía) y la tensión interfacial (diferencia de tensión superficial) no compensa la entrada de energía, si es que lo hace.

La evidencia experimental sugiere que las dispersiones tienen una estructura muy diferente de cualquier tipo de distribución estadística (que sería característica de un sistema en equilibrio termodinámico ), pero en contraste muestran estructuras similares a la autoorganización , que puede describirse mediante la termodinámica del no equilibrio . ^[3] Esta es la razón por la que algunas dispersiones líquidas se convierten en geles o incluso sólidos en una concentración de una fase dispersa por encima de una concentración crítica (que depende del tamaño de partícula y la tensión interfacial). También se ha explicado la aparición repentina de conductividad en un sistema de una fase conductora dispersa en una matriz aislante.

La dispersión es un proceso mediante el cual (en el caso de la dispersión de un sólido en un líquido) las partículas aglomeradas se separan entre sí y se genera una nueva interfaz entre la superficie interna del medio de dispersión líquido y la superficie de las partículas dispersas. Este proceso se facilita mediante la difusión y convección molecular . ^[4]

En lo que respecta a la difusión molecular, la dispersión se produce como resultado de una concentración desigual del material introducido en todo el medio a granel. Cuando el material disperso se introduce por primera vez en el medio a granel, la región en la que se introduce tiene una concentración mayor de ese material que cualquier otro punto en el medio a granel. Esta distribución desigual da como resultado un gradiente de concentración que impulsa la dispersión de partículas en el medio, de modo que la concentración es constante en todo el medio a granel. En lo que respecta a la convección, las variaciones de velocidad entre las trayectorias de flujo en el medio a granel facilitan la distribución del material disperso en el medio.

Aunque ambos fenómenos de transporte contribuyen a la dispersión de un material en la masa, el mecanismo de dispersión es impulsado principalmente por la convección en los casos en que hay un flujo turbulento significativo en la masa. ^[5] La difusión es el mecanismo dominante en el proceso de dispersión en casos de poca o ninguna turbulencia en la masa, donde la difusión molecular puede facilitar la dispersión durante un largo período de tiempo. ^[4] Estos fenómenos se reflejan en eventos comunes del mundo real. Las moléculas en una gota de colorante de alimentos agregada al agua eventualmente se dispersarán por todo el medio, donde los efectos de la difusión molecular son más evidentes. Sin embargo, remover la mezcla con una cuchara creará flujos turbulentos en el agua que acelerarán el proceso de dispersión a través de la dispersión dominada por la convección.

El término dispersión también se refiere a la propiedad física del grado en que las partículas se agrupan en aglomerados o agregados. Si bien los dos términos a menudo se usan indistintamente, según las definiciones de nanotecnología ISO, un aglomerado es una colección reversible de partículas unidas débilmente, por ejemplo, por fuerzas de van der Waals o entrelazamiento físico, mientras que un agregado está compuesto de partículas unidas o fusionadas de manera irreversible, por ejemplo, a través de enlaces covalentes . ^[6] Una cuantificación completa de la dispersión involucraría el tamaño, la forma y el número de partículas en cada aglomerado o agregado, la fuerza de las fuerzas entre partículas, su estructura general y su distribución dentro del sistema. Sin embargo, la complejidad generalmente se reduce comparando la distribución de tamaño medida de las partículas "primarias" con la de los aglomerados o agregados. ^[7] Cuando se analizan suspensiones de partículas sólidas en medios líquidos, el potencial zeta se usa con mayor frecuencia para cuantificar el grado de dispersión, y las suspensiones que poseen un alto valor absoluto de potencial zeta se consideran bien dispersas.

Una solución describe una mezcla homogénea donde las partículas dispersas no se asentarán si la solución se deja sin perturbar durante un período prolongado de tiempo.

Un coloide es una mezcla heterogénea donde las partículas dispersas tienen al menos en una dirección una dimensión comprendida aproximadamente entre 1 nm y 1 μm o que en un sistema se encuentran discontinuidades a distancias de ese orden. ^[8]

Una suspensión es una dispersión heterogénea de partículas de mayor tamaño en un medio. A diferencia de las soluciones y los coloides, si no se las altera durante un período prolongado, las partículas suspendidas se sedimentarán y se separarán de la mezcla.

Aunque las suspensiones son relativamente fáciles de distinguir de las soluciones y los coloides, puede resultar difícil distinguir las soluciones de los coloides, ya que las partículas dispersas en el medio pueden ser demasiado pequeñas para que el ojo humano las distinga. En su lugar, se utiliza el efecto Tyndall para distinguir las soluciones de los coloides. Debido a las diversas definiciones de soluciones, coloides y suspensiones que se encuentran en la literatura, es difícil etiquetar cada clasificación con un rango de tamaño de partícula específico. La Unión Internacional de Química Pura y Aplicada intenta proporcionar una nomenclatura estándar para los coloides como partículas en un rango de tamaño que tiene una dimensión aproximada de entre 1 nm y 1 μm. ^[9]

Además de la clasificación por tamaño de partícula, las dispersiones también se pueden etiquetar por la combinación de la fase dispersa y la fase media en la que están suspendidas las partículas. Los aerosoles son líquidos dispersos en un gas, los soles son sólidos en líquidos, las emulsiones son líquidos dispersos en líquidos (más específicamente una dispersión de dos líquidos inmiscibles) y los geles son líquidos dispersos en sólidos.

La leche es un ejemplo común de emulsión , un tipo específico de dispersión de un líquido en otro líquido en el que los dos líquidos son inmiscibles. Las moléculas de grasa suspendidas en la leche proporcionan un modo de suministro de importantes vitaminas y nutrientes liposolubles de la madre al recién nacido. ^[10] El tratamiento mecánico, térmico o enzimático de la leche manipula la integridad de estos glóbulos de grasa y da como resultado una amplia variedad de productos lácteos. ^[11]

Las aleaciones reforzadas con dispersión de óxido (ODS) son un ejemplo de dispersión de partículas de óxido en un medio metálico, lo que mejora la tolerancia a altas temperaturas del material. Por lo tanto, estas aleaciones tienen varias aplicaciones en la industria de la energía nuclear, donde los materiales deben soportar temperaturas extremadamente altas para mantener su funcionamiento. ^[12]

La degradación de los acuíferos costeros es un resultado directo de la intrusión de agua de mar en el acuífero y su dispersión en él tras un uso excesivo del mismo. Cuando un acuífero se agota para el uso humano, se repone de forma natural mediante el movimiento de agua subterránea desde otras zonas. En el caso de los acuíferos costeros, el suministro de agua se repone tanto desde el límite terrestre de un lado como desde el límite marítimo del otro. Tras una descarga excesiva, el agua salina del límite marítimo entrará en el acuífero y se dispersará en el medio de agua dulce, amenazando la viabilidad del acuífero para el uso humano. ^[13] Se han propuesto varias soluciones diferentes a la intrusión de agua de mar en los acuíferos costeros, incluidos métodos de ingeniería de recarga artificial y la implementación de barreras físicas en el límite marítimo. ^[14]

Los dispersantes químicos se utilizan en los derrames de petróleo para mitigar los efectos del derrame y promover la degradación de las partículas de petróleo. Los dispersantes aíslan eficazmente los charcos de petróleo que quedan en la superficie del agua en gotitas más pequeñas que se dispersan en el agua, lo que reduce la concentración general de petróleo en el agua para evitar una mayor contaminación o impacto en la biología marina y la vida silvestre costera. ^[15]