Fenômenos de Superfície e Eletroquímica

T7

Professora Dra. Marivone Nunho Sousa

Nome:Gustavo Caride – 8509589Henrique M. Martins – 8509676Mateus Cristianini - Rodolfo S. Nogueira – 8508400

Lorena, Abril de 2015

Estabilidade coloidal

A estabilidade dos colides dependem das propriedades da fase dispersa, nomeadamente se esta é liofílica ou liofóbica. O termo lio refere-se ao meio dispersante, e os termos fóbico (do grego, ter medo) e fílico (do grego, ter afinidade por) servem para indicar se as partículas dispersas tem afinidade fraca (liofóbica) ou forte (liofílica) com o meio dispersante. Caso, o meio dispersante seja a água, utiliza-se o termo hidrofóbico (afinidade com a água) ou hidrofóbico (“medo” da água). Em geral, os coloides liofílicos são bastante fáceis de preparar, bastante estáveis e razoavelmente simples de reconstruir, já os coloides liofóbicos geralmente são menos estáveis e são excepcionalmente difíceis de reconstruir.

Em resumo, quando a fase dispersa e o meio de dispersão se atraem, o coloide é classificado como liofílico e quando eles se repelem são classificados como liofóbicos.

Obtenção de coloides

Os coloides liofílicos se dispersam espontaneamente, desse modo só os liofóbicos exigem métodos especiais de preparação. Assim, pode-se preparar um coloide de dois modos, por degradação, fragmentação ou dispersão e por aglutinação ou aglomeração.

Os métodos utilizados para preparação de um coloide por meio do modo degradativos são os métodos de moinho coloidal, arco elétrico e lavagens. Já para o modo aglutinativo são os métodos químicos ou físicos.

-Moinho Coloidal

São aparelhos capazes de reduzir grãos de matéria a dimensões correspondentes às das micelas. Esse equipamento tritura as partículas entre discos metálicos em alta rotação e a força de cisalhamento (usado na preparação de tintas e de coloides).

Suas aplicações são para preparação de suspensões de antibióticos, cálcio, ferro, cobre; suspensões de preparados para revestimento de comprimidos pelo sistema “spray”, pomadas e cremes; fabricação de pastas e cremes à base de frutas, legumes, carnes, gorduras, emulsões a base de gorduras e óleos; homogeneização de base para bebidas, concentrados de suco de frutas, geleias, balas, leite e produtos de leite, maionese, entre outros.

Figura 01 – Moinho coloidal IKA MK 2000

- Arco elétrico ou método de Bredig

O uso do arco elétrico, também denominado arco de Bredig, restringe-se normalmente à preparação de coloides metálicos, pois é necessário que o material seja condutor de corrente elétrica. O processo é o seguinte: coloca-se em um recipiente apropriado o líquido que constituirá o dispersante e, mergulhados nesse líquido, dois fios do material que constituirá o disperso. Assim, aplica-se uma diferença de potencial nesses fios, o que provoca uma centelha entre eles, com isso partículas do disperso de dimensões coloidais vão sendo liberadas e se distribuindo através do líquido.

Geralmente é aplicado no preparo de ouro ou de prata coloidal na água.

- Lavagem de precipitado

Um precipitado sofre sucessivas lavagens com um líquido que contenha pelo menos um íon em comum com o precipitado. Então, ocorre a liberação de partículas com dimensões de micelas, as quais ficam dispersas no líquido de lavagem. Por exemplo, quando um precipitado de AgCl (insolúvel) é lavado sucessivamente com uma solução aquosa bem diluída de NaCl ou HCl, forma-se um sistema coloidal de AgCl.

- Químico ou reações químicas

Em geral toda reação química que forma um precipitado poderá dar a mesma substância na forma coloidal, se as condições forem apropriadas (em geral, temperatura ambiente e reagente em soluções diluídas). Obtemos matéria no estado coloidal toda vez que, numa reação de precipitação, as soluções reagentes apresentam concentrações extremas, ou seja, muito concentradas ou, então, muito diluídas. Esta é a lei de Weiman. Exemplos:

KI + AgNO3 → KNO3 + AgI Coloidal

2 H2S + O2 → 2 H2O + 2 SColoidal

BaCl2 + Na2SO4 → 2 NaCl + BaSO4Coloidal

A produção de uma substância em forma coloidal é às vezes indesejada. Isso pode ocorrer, por exemplo, na precipitação de uma substância, ao se aplicarem os métodos gravimétricos de análise química. O primeiro inconveniente seria a solução coloide entupir o papel de filtro, além disso, há o risco de, em consequência, se perder parte do precipitado, que permaneceria na solução coloidal.

- Físico ou mudança de solvente

Este método consiste numa mudança de dispersante. Exemplo: preparar uma solução verdadeira de enxofre dissolvido em sulfeto de carbono. Em seguida, adicionemos água em excesso a essa solução e agitemos. Pela agitação resultam micelas de enxofre, que se dispersam pela água. A creolina jogada em água dá uma solução esbranquiçada, que é o aspecto típico de uma solução coloidal.

Propriedades Cinéticas:

Movimento Browniano

Nos colóides, as partículas dispersas estão em movimento constante e aleatório devido às moléculas do fluido estarem constantemente colidindo contra elas. É por esta razão que as partículas dispersas não se depositam no fundo do recipiente sob a ação da gravidade.

Assim, os coloides não sedimentam e, quando observados num ultramicroscópio, iluminado lateralmente, apresentam diversos pontos de luz que se movem rapidamente em ziguezague, movimento denominado movimento browniano.

Difusão: Devido ao movimento browniano, os colóides e tendem a se difundir do meiomais concentrado para o meio menos concentrado até obtenção de um colóidehomogêneo. Essa difusão é regida pela Lei de Fick:

dm/dt = velocidade de difusãoD = coeficiente de difusãoA = área superficial de difusãoCs = concentração do colóide no meio mais concentradoC = concentração do colóide no meio menos concentrado

h = espessura da membrana

Sedimentação:

Os sistemas dispersos (dispersões) cujas partículas ou macromoléculas são menores 500nm são estáveis e por isso não sofrem sedimentação (exemplo: leite, gelatina, prata coloidal, enxofre coloidal). Já as dispersões cujas partículas são maiores que 500nm existe ação da força da gravidade e ocorre a sedimentação, formando as suspensões.

A velocidade de sedimentação depende da diferença de densidade entre as partículas dispersas e o do meio de dispersão, do tamanho das partículas e também da viscosidade do meio de dispersão e é calculada pela Lei de Stokes:

a = tamanho das partículas

ρ1= densidade da partícula

ρ2 = densidade do meio

η= viscosidade do meio de dispersão

Pela análise da equação, nota-se que para reduzir a sedimentação pode-se utilizar partículas menores, aumentar a viscosidade da fase contínua ou ainda diminuir a diferença de densidade entre as duas fases.

Propriedades elétricas dos colóides

As partículas coloidais, como dito nos trabalhos anteriores, se agrupam formando micelas, um conglomerado mais estável. Essas micelas apresentam carga elétrica de acordo com a carga do sistema em que estão presentes. Assim, quando os colóides são preparados em meio ácido, as micelas adquirem carga positiva, devido ao excesso de íons H+ provenientes da ionização dos ácidos: HA → H+ + A-

Quanto mais forte, for o ácido, maior será a carga positiva das micelas, devio ao maior grau de ionização do próprio ácido.

Por outro lado, se os colóides são preparados em meio básico, as micelas adquirirão carga negativa devido ao excesso de íons OH- provenientes da dissociação da base: A(OH) → A+ + OH-

Quanto mais forte a base, maior a carga negativa das micelas, devido a maior dissociação da própria base.

Assim, pode-se converter a carga elétrica das micelas através do controle de cátions e ânions presentes no sistema. Quando elas ficarem eletricamente neutras, então nesse momento será atingido o ponto isoelétrico do sistema.

O ajuntamento dos íons ao redor das micelas é responsável pela formação da dupla camada elétrica e, consequentemente, pela estabilização dos coloides. Os modelos da dupla camada elétrica já foram mostrados em trabalhos anteriores.

Eletroforese:Eletroforese é definido como a migração de micelas carregadas eletricamente para um dos eletrodos em um sistema que está sob um campo elétrico. Assim, quando as micelas possuem carga elétrica positiva, elas migrarão para o cátodo (pólo negativo), caracterizando a cataforese. Por outro lado, quando as micelas forem negativamente carregadas, elas migrarão para o ânodo (pólo positivo),

caracterizando a anaforese. A eletroforese é utilizada na separação de espécies e foi proposta por Arne Tiselius para estudos de proteínas em soro. Por este trabalho, o pesquisador ganhou o prêmio Nobel de química em 1948.

O processo de eletroforese obtém resultados melhores quando realizado num meio de gel. É muito utilizado para separar proteínas e moléculas de DNA e RNA. Nesse caso, a massa das moléculas também influencia, pois as de menor massa migrarão mais rapidamente para os pólos do sistema.

Eletroosmose:Processo similar à eletroforese, mas aqui ocorre a movimentação do meio líquido ao invés das micelas. É um processo de separação química importante principalmente na análise de pequenas quantidades de fluidos.

Propriedades Ópticas:

Turbidez

A turbidez representa a propriedade óptica de absorção e reflexão da luz, e serve como um importante parâmetro das condições adequadas para consumo da água.

A turbidez é causada por partículas sólidas em suspensão, como argila e matéria orgânica, que formam coloides e interferem na propagação da luz pela água. Entretanto, não se pode relacionar unicamente a turbidez à sujeira da água, pois são numerosos os fatores que interferem na absorção e na reflexão da luz, como o tamanho das partículas, sua forma geométrica dispersiva da luz e sua coloração. Pode-se apenas mencionar a turbidez total da água, em uma testagem quantitativa.

A unidade matemática utilizada na medição da turbidez é o NTU, sigla que provém do inglês Nephelometric Turbidity Unit. Os processos de redução da turbidez de uma amostra de água são de natureza física, e consistem na remoção dos resíduos sólidos em suspensão responsáveis pela mesma, como filtrações e decantações.

Espalhamento da luz

Uma das propriedades mais importantes dos sistemas coloidais é o espalhamento da luz que ocorre quando a mesma passa através destes sistemas, o chamado Efeito Tyndall. Esta dispersão da luz foi estudada por Gustavo Mie, que descobriu que ela é dependente do diâmetro das partículas presentes no sistema. Assim, estas propriedades são aplicadas na determinação do diâmetro das partículas coloidais, considerando-as esféricas, isotrópicas e sem interação mútua.

Espalhamento de luz dinâmico

O espalhamento de luz dinâmico (DLS), às vezes chamado de espalhamento de luz quasi elástico (QELS), é uma técnica não invasiva e bem estabelecida de medição do tamanho e da distribuição do tamanho de moléculas e partículas, normalmente na região dos submicrométricos e com a tecnologia mais recente, menores do que 1 nm.

Em geral, o espalhamento de luz dinâmico é aplicado na caracterização de partículas, emulsões e moléculas que foram dispersas ou dissolvidas em um líquido. O movimento browniano das partículas ou moléculas em suspensão faz com que a luz laser seja espalhada com intensidades diferentes. A análise dessas flutuações de intensidade resulta na velocidade do movimento browniano e assim, o tamanho de partícula usando a relação Stokes-Einstein.

O espalhamento de luz dinâmico (DLS do inglês dynamic light scattering) é uma técnica óptica empregada no estudo de movimentos moleculares lentos. No DLS a intensidade de espalhamento (em curtos intervalos de tempo) é registrada como função do tempo, e flutuações nessa intensidade de espalhamento são observadas como variações de concentração no volume de espalhamento.

A técnica permite a rápida obtenção do coeficiente de difusão de macromoléculas em solução, a partir da análise da distribuição de frequências das flutuações na intensidade da luz espalhada em uma dada direção, isto é, detecção da intensidade de luz espalhada em ângulo fixo. Sendo assim, as flutuações locais dentro do volume do espalhamento estão relacionadas com o coeficiente de difusão e o vetor de onda do espalhamento.

O experimento de DLS consiste em obter a flutuação do sinal de intensidade de luz espalhada com o tempo, realizar o cálculo da correlação desses valores e obter, por transformada de Fourier, o espectro de frequências de flutuações. Esse espectro é, então, ajustado por uma curva Lorentziana.

Ao realizar o experimento, a maior parte da luz espalhada corresponde à luz polarizada (IVV) com relação a luz incidente (I0); porém, com o uso de um polarizador de luz, é possível obter a separação da luz espalhada polarizada da luz espalhada despolarizada (IVH). O subscrito V e H correspondem à direção vertical e horizontal em relação ao plano de espalhamento. IVV é chamado de componente polarizada e IVH e IHV são chamadas de componentes despolarizadas. Geralmente IVH = IHV. Modificações de concentração na amostra causam variação na intensidade da luz polarizada (IVV) enquanto, que modificações na anisotropia das partículas espalhantes podem ser observadas na intensidade da luz despolarizada (IVH)

Espalhamento de luz estático (SLS)

O SLS é um dos métodos mais utilizados para a caracterização de polímeros. Através desse experimento é possível obter: i) a massa molar ponderal média ( M w ) das moléculas na amostra que

é obtida a partir de princípios físicos fundamentais, sem a necessidade do uso de padrões de massa molar, ii) o segundo coeficiente do virial (A2) que representa o grau de interação entre o polímero e o solvente e iii) o raio de giração (Rg) médio das moléculas na amostra que está relacionado com a conformação molecular, ou seja, é uma forma de expressar a distribuição de massa no interior do volume da molécula. Esses três parâmetros fundamentais da cadeia cuja medida concomitante não é possível com qualquer outro método de caracterização, descrevem a cadeia em detalhes.

Os parâmetros M w , A2 e Rg são propriedades estáticas da macromolécula solvatada, ou seja, não dependem da dinâmica Browniana da cadeia resultante das forças de fricção entre os segmentos da cadeia e solvente. No entanto, a expansão do emaranhado polimérico e as propriedades termodinâmicas da solução de polímero dependem das interações polímero solvente. Dessa forma, o A2 e o Rg dependem do solvente.

Durante a discussão de DLS surgiu o conceito de raio hidrodinâmico e agora o de raio de giração, ambos os valores correspondem ao raio de uma esfera equivalente à molécula, em termos de uma ou outra de suas propriedades. No raio de giração, a esfera equivale à molécula 22 em termos de momento de inércia. Já no raio hidrodinâmico, a esfera equivale à molécula em termos de mobilidade no meio (hidratada).

Referências Bibliográficas:

Coloides, Química – Frente 02. Disponível em: <http://www.progressao.com/arquivos/italo9.pdf> Acesso em: 19/04/2015

PONTE, C. APEL, M. Operações Unitárias Farmacêuticas: Maquetes Virtuais. Disponível em: <http://www.ufrgs.br/napead/repositorio/objetos/operacoes-unitarias-fa. php> Acesso em: 19/04/2015

Modular de Química, Módulo 01 – Coloides. Professora Janaina. Disponível em: <https://s3-sa-east-1.amazonaws.com/gpdaa/g481-quimica-ext.pdf> Acesso em: 19/04/2015

JUNIOR, M. VARANDA, L. O Mundo dos Coloides – UDESC, 1999. Disponível em: <http://www.joinville.udesc.br/portal/professores/carlad/materiais/Coloides.pdf> Acesso em: 19/04/2015