Introducción

Sistema disperso: conjunto de dos o más componentes, que se pueden presentar en estado sólido, líquido o gaseoso, combinados mediante operaciones de mezclado, siguiendo los pasos estipulados por su propia formulación, con el propósito de que las moléculas o partículas de todos los componentes presentes en menor proporción se encuentren distribuidas en el seno del componente o componentes que se encuentran en mayor proporción.

Sustancia pura: Es homogénea. Sus propiedades son constantes. Son elementos o compuestos. Los elementos son sustancias formadas por átomos iguales. Los compuestos son sustancias que están formados por átomos diferentes. Se pueden separar mediante reacciones químicas.

Mezcla: Mezcla de elementos y compuestos. Es un sistema material formado por dos o más sustancias puras no combinadas químicamente. En una mezcla no ocurre una reacción química, y cada uno de sus componentes mantiene su identidad y propiedades químicas. Pueden ser separadas por métodos físicos.

Componentes de los Sistemas Dispersos

• Sustancia dispersa: componentes del sistema que se encuentran en menor proporción y que están distribuidos en el seno de la sustancia dispersante.
• Sustancia dispersante: componentes que se encuentran en mayor proporción y que constituyen el medio externo en el que están distribuidas las sustancias dispersas.

El sistema disperso más pequeño es aquel que se encuentra formado solo por dos componentes. El de mayor proporción, como hemos comentado antes, actúa como sustancia dispersante y el de menor proporción como sustancia dispersa. EJEMPLO: agua oxigenada (H₂O₂) de 3% m/m y 97% de agua. El componente minoritario es el H₂O₂, que actuará como sustancia dispersa, mientras que el agua será la sustancia dispersante.

Tipos de Sistemas Dispersos

Sistemas Dispersos Homogéneos (Disoluciones)

Los sistemas dispersos homogéneos, conocidos como disoluciones, presentan uniformidad tanto en composición química como en estado físico en cualquier punto del mismo. Este tipo de sistemas alcanzan el mayor grado de dispersión posible, ya que la dispersión se produce a nivel molecular. Las partículas que se dispersan presentan tamaños inferiores a 1 nm (1 nanómetro = 10⁻⁹ m) y su separación no es posible con operaciones de separación mecánica (filtración, sedimentación, centrifugación, etc.).

Normalmente, el componente mayoritario se encuentra en estado líquido y se combina bien con componentes en estado minoritario sólidos o líquidos, aunque también podemos encontrar disoluciones con gases.

En ambos casos se obtiene una disolución, termodinámicamente estable, formada por una sola fase líquida que presenta la misma composición química en cualquier porción que se tome de la misma. Algunos ejemplos de productos químicos que forman sistemas dispersos homogéneos son: perfumes, lejía, líquido anticongelante, etc.

Sistemas Coloidales

En este tipo de sistemas dispersos, el tamaño de las partículas dispersas es mayor que en los sistemas dispersos homogéneos. Las partículas dispersas son pequeños conglomerados de moléculas de poco tamaño; suelen tener un tamaño intermedio entre 10⁻⁹ y 10⁻⁶ m. A simple vista, los sistemas coloidales presentan el mismo aspecto que las disoluciones, pero realmente no presentan la misma uniformidad en cuanto a su composición; es decir, si miramos a nivel microscópico, veremos la heterogeneidad del sistema.

Los sistemas coloidales presentan propiedades intermedias entre las disoluciones (sistemas dispersos homogéneos) y los sistemas dispersos heterogéneos. Los sistemas coloidales no pueden ser separados a través de filtración, como ocurre en las disoluciones, pero sí por ultrafiltración.

Sistemas Heterogéneos

En los sistemas dispersos heterogéneos, los tamaños de partículas de las sustancias dispersadas son superiores a 10⁻⁶ m. Esto hace que las sustancias no se distribuyan de forma uniforme en el seno de la sustancia dispersante, por lo que forman dos fases claramente diferenciadas. Existen dos tipos de sistemas heterogéneos:

• Suspensiones: Cuando el tamaño de las partículas dispersas es pequeño y se encuentran distribuidas en el seno de una sustancia en estado líquido (dispersante), nos encontramos con un sistema heterogéneo conocido como suspensión. Se tratan de sistemas termodinámicamente inestables que tienden a la separación de la sustancia dispersada por sedimentación de sus partículas. En el caso de que las partículas sedimenten, se debe indicar en el producto que es necesario agitarlo para que las partículas sólidas vuelvan a dispersarse y obtener una suspensión con las características originales del producto.
• Emulsiones: Son sistemas dispersos heterogéneos en los que las sustancias dispersadas se encuentran en estado líquido en forma de pequeñas gotitas finamente divididas y distribuidas en el seno de una sustancia también en estado líquido que actúa como sustancia dispersante y con la que es inmiscible. Como la sustancia dispersada es inmiscible con la sustancia dispersante (fase externa), es siempre necesaria la presencia de sustancias que actúen como emulsionantes, que se dispongan alrededor de las gotitas dispersadas (fase interna), formando una delgada película a su alrededor y logren estabilizar la emulsión para que las gotitas se mantengan en el seno de la fase externa, las dos fases inmiscibles no se separen y el producto no pierda sus propiedades originales.

Características Fisicoquímicas de los Sistemas Dispersos

Fenómenos de Interfase

Los fenómenos de interfase tienen importancia en los sistemas coloidales y en los sistemas dispersos heterogéneos.

Fenómenos de interfase:

• Una delgada capa que se encuentra entre cada partícula sólida dispersa y el líquido que la rodea en una suspensión.
• Una delgada capa que se encuentra entre cada gotita dispersa y el líquido del componente mayoritario que la rodea en el caso de una emulsión.

En cualquier interfase, las moléculas de una fase que se encuentran en interacción con las de la otra fase no se ven atraídas con la misma fuerza. Siempre es mayor la interacción con las moléculas de la misma fase que con las de distinta fase. Como consecuencia, en las moléculas de la interfase aparece la tensión interfacial, debido a que esas moléculas se ven atraídas con mayor fuerza por las moléculas de su misma fase que por las moléculas de la otra fase. Para minimizar esta tensión y, por tanto, el aumento de energía que genera la inestabilidad, las moléculas adquieren forma esférica. A menor superficie interfacial, menor tensión, menor energía y mayor estabilidad.

Cuando se prepara un sistema disperso, tiende a aumentar la superficie interfacial para conseguir una mayor solubilidad, pero con ello un aumento de la tensión. Si las fuerzas de atracción entre moléculas no son similares, la tensión interfacial aumenta en exceso, las moléculas tenderán a unirse para reducir dicha tensión, provocando inestabilidad y rotura del sistema disperso.

Una posible solución para conseguir mayor dispersión (aumentando la superficie interfacial), una mejor dispersión, pasa por utilizar componentes auxiliares, como por ejemplo tensioactivos. Estos reducen la tensión interfacial al situarse en la interfase entre las moléculas que pertenecen a una misma fase y, al mismo tiempo, reducen el grado en que se repelen las moléculas de las dos fases.

Fenómenos de Sedimentación

Este fenómeno aparece como consecuencia de las diferencias de densidad entre las partículas dispersadas y la densidad del componente mayoritario (dispersante), lo que puede provocar que los componentes se separen en fases distintas.

Cuando esto ocurre, aparece la inestabilidad del sistema.

La velocidad con la que las partículas se depositen dependerá del radio de las mismas, de la densidad de ambas fases y de la viscosidad del sistema. A mayor velocidad, mayor inestabilidad.

Lo que se busca es minimizar la velocidad de sedimentación de las partículas para que el sistema disperso sea duradero en el tiempo y el producto cumpla con los fines con los que ha sido diseñado. Entre las distintas formas que tenemos de disminuir la velocidad podemos encontrar:

• Reducir el radio de la partícula dispersada.
• Aumentar la viscosidad del sistema disperso.
• Realizar el sistema disperso seleccionando una fase dispersante de densidad parecida a las partículas dispersas.

Clasificación de las Disoluciones

Una disolución es una mezcla homogénea formada por un disolvente y por uno o varios solutos.

Las disoluciones más sencillas son aquellas que están formadas únicamente por dos componentes:

• Sustancia dispersante: componente en mayor proporción. DISOLVENTE.
• Sustancia dispersada: componente en menor proporción. SOLUTO.

Dos porciones tomadas aleatoriamente de cualquier disolución deben presentar siempre el mismo estado físico y la misma composición.

Según su Concentración

• Disolución diluida: El componente minoritario se encuentra en una proporción muy pequeña y muy alejada de su límite de solubilidad en el componente mayoritario.
• Disolución concentrada: El componente minoritario se encuentra en una proporción relativamente próxima al límite de solubilidad en el componente mayoritario.
• Disolución saturada: El componente minoritario se encuentra justo en la máxima proporción, según su límite de solubilidad en el componente mayoritario, para que pueda ser considerado como una disolución.
• Disolución sobresaturada: En realidad no es un sistema disperso homogéneo porque la proporción del componente minoritario ha sobrepasado el límite de solubilidad del componente mayoritario y se distinguen dos fases.

Clasificación de los Disolventes

Los disolventes clasificados como polares son el agua, los alcoholes y los glicoles. Los disolventes clasificados como semipolares son las cetonas, los éteres y ésteres. Por último, los disolventes clasificados como apolares son los hidrocarburos alifáticos, aromáticos y disolventes halogenados.

Aplicaciones de los Disolventes

• Componentes de la formulación de los productos finales de venta al público.
• Llevar a cabo tareas de limpieza.
• Para la obtención de principio activo.
• Mejorar las propiedades de los productos.

En la industria química, con frecuencia se realizan mezclas de más de un disolvente con el objeto de mejorar alguna de las características del producto final formulado como:

• La solubilidad del/los principios activos en los productos cosméticos.
• La viscosidad del producto.
• La velocidad de evaporación del disolvente en la pintura, etc.

Caracterización del Proceso de Disolución

El proceso de disolución de un soluto en un disolvente se produce cuando las fuerzas de atracción entre las propias moléculas de soluto son menores o similares a las que se establecen entre el soluto y el disolvente.

Nota: Entalpía (H) es la cantidad de energía que un sistema intercambia con su entorno.

Podemos explicar el proceso de disolución a través de una serie de etapas:

Etapa 1: Tanto las fuerzas de atracción S-S (soluto-soluto) como las fuerzas D-D (disolvente-disolvente) deben ser vencidas. Para romper dichas fuerzas siempre se necesita un aporte de energía que es absorbida del entorno; podemos decir que esta etapa es endotérmica. Si las fuerzas son vencidas, significa que las moléculas no están tan cohesionadas entre ellas, facilitando así la interacción S-D.

Etapa 2: Aquí se establecen nuevas interacciones entre el soluto y el disolvente (S-D). Las partículas de disolvente (componente mayoritario) rodean las partículas de soluto, consiguiendo dispersarlas en el seno del disolvente. Se trata de una etapa exotérmica que se conoce con el nombre de solvatación. Cuando el disolvente es agua, a esta segunda etapa también se le conoce con el nombre de hidratación.

En función de la variación de entalpía de la segunda etapa, la variación de entalpía total del proceso de disolución puede tener signo negativo (∆H<0), representada por la flecha (2a), ya que la variación de entalpía de la segunda etapa (exotérmica) es mayor que la variación de entalpía de la primera etapa (endotérmica). Pero también puede ser de signo positivo (∆H>0), representada por la flecha (2b), si la variación de entalpía de la segunda etapa es menor que la variación de entalpía de la primera etapa.

Cuanta más energía necesitemos para separar las partículas de soluto, menos probable será que sea soluble; o dicho de otro modo, cuanto menor sea la energía requerida en la etapa endotérmica (etapa 1), más favorable será la disolución.

Factores que Influyen en la Solubilidad

Una manera de cuantificar la proporción de un componente minoritario que es capaz de dispersarse en el seno de otro es la solubilidad. A mayor solubilidad, mayor proporción de componente minoritario que se puede dispersar en el seno del mayoritario.

• Temperatura: Si la entalpía de disolución (ΔH) es endotérmica (positiva), según el principio de Le Chatelier, un aumento de temperatura lleva asociado un aumento de la solubilidad. (Nota: Para procesos exotérmicos, la solubilidad suele disminuir al aumentar la temperatura).
• pH: Cuando aumenta el grado de ionización, aquellas sustancias que se comportan como electrolitos débiles se encuentran más disociadas y, por lo tanto, aumenta su solubilidad en el componente dispersante. La proporción ionizada de este tipo de sustancias siempre es más soluble que la no ionizada.
• Naturaleza de los componentes: Las fuerzas de atracción S-D deben ser similares a las moléculas D-D para que la dispersión se produzca de manera natural, y las moléculas de disolvente posean un grado de afinidad con el soluto similar al que existe entre sus propias moléculas. De esta manera, los disolventes polares disuelven solutos polares o iónicos, mientras que los no polares disuelven solutos no polares. Podemos afirmar que “semejante disuelve a semejante”. Por eso el aceite y el agua no se pueden mezclar: sus propiedades eléctricas y estructurales no son semejantes. El agua se caracteriza por ser polar y el aceite, apolar.
• Presión: Cuando el componente minoritario (soluto) se encuentra en estado gaseoso, un aumento de la presión aumenta su solubilidad en el disolvente (Ley de Henry).