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DISPERSIONES
 COLOIDALES

¿Qué es una dispersión coloidal?

Una dispersión coloidal es un sistema disperso o polifásico de una o más fases dispersas de partículas con la fase dispersa distribuida a través de una fase contínua o dispersante.

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Forma de la partícula

Área superficial (AS) • 

Las dispersiones coloidales tienen una gran superficie específica (SE) comparada con un volumen idéntico de partículas de gran tamaño

h = 1 cm • 

AS = 6 cm2 V = 1 cm3

SE = AS V

Disminuyendo el tamaño de la partícula aumenta la razón o relación área-volumen superficial

h = 0.1 mm

AS = 600 cm2 V = 1 cm3

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Clasificación: Tamaño Dispersión molecular

Dispersión coloidal

Dispersión gruesa

< 1.0 nm

1.0 nm – 0.5 µm

> 0.5 µm

•  Invisible por microscopía electrónica (ME)


•  Pasan a través de una membrana semipermeable o ultrafiltro •  Difusión rápida

• Moléculas de oxígeno • Iones normales • glucosa

•  No resuelta por microscopía convencional; detectada al ME y al ultramicroscopio •  Pasan a través del papel de filtro pero no a través de una membrana semipermeable •  Difunden muy lentamente

•  Visible al microscopio


•  Soles de plata coloidal •  Polímeros naturales o sintéticos

•  Granos de arena •  Emulsiones y suspensiones farmac. •  Hematíes

•  No pasan a través de papel de filtro o una membrana semipermebable •  No difunden

Dispersiones gruesas vs coloidales ¿Cómo podemos detectar las diferencias? •  Papel de filtro •  Sedimentación / formación de cremas •  Microscopía

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Dispersión molecular vs coloidal ¿Cómo podemos detectar las diferencias? •  Microscopía •  Membrana semi-permeable »  Diálisis

Comienzo

Equilibrio

Dispersión molecular

Clasificación en función de las fases Fase dispersa

Sólido

Líquido

Gas

Sólido

Suspensión sólida (plásticos teñidos, oro coloidal en vidrio)

Suspensión coloidal (sol, gel)

Aerosol sólido (humo, polvo)

Líquido

Emulsión sólida (perlas, ópalo)

Emulsión (leche)

Aerosol líquido (niebla, sprays, líquidos)

Gas

Espuma sólida (pan, espuma plástica)

Espuma (espuma de cerveza)

N/A (miscibilidad perfecta)

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Clasificación termodinámica • Coloides liofílos (termodinámicamente estable) • Coloides liofóbos (termodinámicamente inestable)

Coloides liófilos •  ¿Qué es un coloide liófilo?   Siente Atracción por el disolvente  Solvatación extensa  Se forma espontáneamente  Si el medio dispersante es agua, obtenemos un coloide hidrofílico  Estable termodinámicamente  Reversible y fácilmente reconstituido

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Sistemas coloidales liofílos •  Las dispersiones que espontáneamente se forman de fases macroscópicas, y que son termodinámicamente estables con respecto tanto al ensachamiento de las partículas cuando se agregan como a la desintegración a moléculas individuales

Propiedad: distribución en tamaño de equilibrio (no cambia con el tiempo)

Formación de coloides liofílos Fase

Dispersión

Solución

• Aumento en área superficial (desfavorable) • Aumento en número de partículas (favorable) Condición de dispersión espontánea: 4πr 2σ ≤ 15 ÷ 30kT

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Ejemplo de sistema coloidal liofílo CH 3 HO

CH 2 CH 2 O

CH CH 2 O m/2

CH 2 CH 2O H m/2

n

• Plurónico

P

Fármaco libre

cmc Micela



Monómero

Coloides liófobos •  ¿Qué es un coloide liófobo?   No siente atracción por el disolvente  No hay capa de disolvente  Inestable e irreversible  Generalmente partículas inorgánicas  No se forma espontáneamente

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Sistemas coloidales liofóbicos •  Las dispersiones que son termodinámicamente inestables y que sólo existen durante cierto periodo de tiempo (“estabilidad cinética”)

Formación de coloides liofóbicos

Fase

Dispersión

Disolución supersaturada Condensación

Propiedad: energía superficial excesiva (agregado)

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Ejemplos de coloides liofóbicos •  Emulsiones (líquido en líquido, e.g., leche) •  Suspensiones coloidales (sólido en líquido, e.g., sol, gel) •  Espumas y películas (gas en líquido) •  Aerosoles líquidos y sólidos   Niebla, sprays (líquido en gas)   Humos, polvo ( sólido muy disperso en gas)

Método de dispersión Se reduce el tamaño de las partículas gruesas reducidas mediante: Molino / pulverización Generadores ultrasónicos Arco eléctrico en un líquido Microfluidizador

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Disolución, tamaño de la partícula y calidad del cristal Hay 3 razones que explican el aumento de la velocidad de disolución cuanto menor es el tamaño de las partículas: 1)  Las partículas pequeñas tienen un gran área superficial por unidad de volumen S 2γV RT ln

=

2)  La ecuación de Kelvin donde γ es la energía S0 r superficial del soluto, V su volumen molecular y S0 la solubilidad de una partículas sólida infinitamente grande (p.ej. una partícula con radio infinito o una superficie plana) € 3)  El proceso de pulverización rompe las partículas y aumenta los defectos cristalinos

La producción de las partículas pequeñas se hace por pulverizacíon, molienda, microcristalización. Todos estos métodos producen partículas con gran número de superficies y defectos

Microfluidizador

Esto es lo que se utiliza en la Industria

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Método de condensación Agregación de partículas pequeñas •  Supersaturación  Tamaño de la partícula

•  Reacción química As2O3 + 3H2S  As2S3 + 3H2O (HS-)

Coloides por asociación •  ¿Qué es un coloide por asociación?  Anfifílicos  CMC

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Propiedades de la CMC Concentración crtica Unidades de medida de cada propiedad

Detergencia Densidad

Conductividad

Tensión superficial Presión osmótica

Conductividad equivalente Tensión inferfacial

Lauril-sulfato sódico (% en peso)

Ejemplo de CMC

1 = x1 + x 2
 CMC CMC1 CMC2 ¿Cuál es la CMC de una mezcla de n-dodecil octaoxietileno glicol monoéter (C12E8) y de n-dodecil β-D-maltósido (DM) si se sabe que la CMC de C12E8 es 8.1 x 10-5 mol/L y su fracción molar es 0.75, y la CMC del DM es 15 x 10-5 mol/L. x2 = (1 – x1) = (1 – 0.75) = 0.25 1/CMC = (0.75 / 8.1 x 10-5) + (0.25 / 15 x 10-5) = 10926 ∴ CMC = 9.3 x 10-5 mol/L

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Recuerdo: sustancias anfifílicas Tipo

Compuesto

Anfifilo

Contraión

Aniónico Lauril sulfato sódico

CH3(CH2)11OSO3-

Na+

Catiónico Bromuro de Cetiltrimetilamonio

CH3(CH2)15N+(CH3)3

Br-

Neutro

CH3(CH2)10CH2O(CH2OCH2)23H -

Polioxietilén lauril éter

Tensión superficial

Anfifílico Sulfato de Dimetildodecilamonio20 propano

CH3(CH2)11N+(CH3)2(CH2)3OSO2-

10

0 0

5 Concentración del anfifilo

10

Propiedades comparativas Liófilas

Asociación

Liófobas

Partículas

Moléculas orgánicas

Micelas; moléculas individuales son subcoloidales

Moléculas inorgánicas
 oro, plata

Solvatación

Solvatadas

Porción solvatada corresondiente

Poca, si algo

Formación

Espontánea

Espontánea, concentración debe exceder la CMC

No espontánea

Efecto de electrolitos

Estable en presencia de electrolitos

Reducción en CMC

Inestable en presencia de electrolitos

Viscosidad

Aumenta cuando es mayor [fase dispersa]

Aumenta cuando es mayor [anfifílico]]

Viscosidad no afectada

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PROPIEDADES OPTICAS DE COLOIDES •  Microscopia electrónica: se obtienen imágenes de las partículas para observar el tamaño, forma y estructura de las partículas coloidales •  Dispersión de la luz (Light scattering): depende del efecto Faraday-Tyndall y se utiliza para determinar el peso molecular de coloides. La dispersión se describe en función de la turbidez, τ ,descenso fraccional en intensidad debido a la dispersión de la luz incidente que atraviesa a través de 1 cm de disolución

Propiedades ópticas de coloides •  Dispersión de la luz (light scattering)  Efecto Faraday-Tyndall

• 

Hc 1 = + 2 Bc ! M

(

32π n dn dc H= 3λ4 N 3

2

-1



4

• 

4

Hc/tτ x 10 (mol.g )

I Turbidez (τ) = ln s I

)

2

Dimensiones de la partícula pequeñas comparadas con la λ

3

2

1

0

0

y = mx + b

1 M

15

C x 10 (g.cm-3 )

5

10

20

3

€ 14

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Ejemplo de turbidez Se determinó la turbidez de una disolución acuosa de sulfonato sódico de dodecil-benceno (SDBS) por light scattering a varias concentraciones por encima de su CMC:

c x 103 (g.cm-3) τ x 102 (cm-1) 1.09

2.68

1.80

7.58

2.08

13.30 22.15


2.31

El valor de H es 4.00 x 10-6 mol.cm2.g-2 y el peso molecular del monómero de SDBS es 349 g.mol-1 a) ¿Cuántos monómeros hay en una micela? b) ¿Cuál es el valor de la constante de asociación, B?

Solución τ x 102 (cm-1)

1.09 1.80 2.08 2.31
 c x 103 (g.cm3) 2.68 7.58 13.30

22.15
 -4 Hc / τ

x 10

0.98 1.68 2.56 3.84

Hc / τ x 10-4

4

2B = pendiente = (3.84 - 0.98) / (22.15 - 2.68) = 1.47 x 10-8 B = 0.735 x 10-8 mol.cm3.g-2

y = mx + b

3 2 1 0 0

5

10

15

20

c x 103 (g.cm-3)

25

0.98 = 1/M + 1.47 x 2.68 1/M = 5.824 x 10-5 ∴ M = 17 170 g.mol-1 Monómeros = 17 170 / 349 = 49

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ESTABILIDAD COLOIDAL

Estabilidad coloidal

Movimiento browniano

Formación de cremas

Sedimentación

Convección

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Movimiento browniano •  Movimiento errático de las partículas, que puede ser observado con partículas de hasta unos 5 µm •  La velocidad de las partículas aumenta con el descenso del tamaño de las partículas •  La adición de sustancias, como la glicerina, que aumentan la viscosidad disminuyen y llegan a parar el movimiento Browniano

Difusión dq dc = − DS dt dx

Primera ley de Fick

Si las partículas son aproximadamente esféricas, la ec. Siguiente sirve para determinar el radio y el peso molecular de las partículas

D=

RT 6πηrN

Ecuación de Stokes-Einstein

D=

RT 3 4πN 6πηN 3M v

17

€

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Ejemplo de difusión El coeficiente de difusión a 20 °C de una proteína esférica es 7.0 x 10-7 cm2/sec y el volumen específico parcial es 0.75 cm3/g. Si la viscosidad del disolvente es 0.01 g/cm sec, ¿cuál es el peso molecular de la proteína?
 (R = 8.31 x 107 erg/ºC mol and N = 6.02 x 1023 mol-1)

D=

RT 3 4πN 6πηN 3M v 2

1  1   RT   M =    162v  πN €   Dη 

3

3

M ≅ 100 000 g/mol

Presión osmótica Sirve para calcular el M de un coloide en disolución

π = cRT Ecuación de vanʼt Hoff

π  1  = RT  + Bc g  cg M  Sistema coloidal-Buen disolvente

π/cg

€

4πN  6DπηN  = 3Mv  RT 

Sistema coloidal-Mal disolvente

0

ideal 0

cg

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Ejemplo Se determinó la presión osmótica de una fracción de poliestireno a 25 °C a varias concentraciones. cg (g.litro-1)

6.0

12

18

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 π / cg x 10-5 (1 atm.g-1)

12.5 16.3 20.0

23.8

¿Cuál es el peso molecular de las partículas? R = 0.0821 l.atm.C-1.mol-1 RTB = (23.8 – 12.5) / (24 – 6)
 (0.0821 x 298)B = 0.63 x 105
 ∴ B = 2.57 x 103 l.mol.g-2 1/M = 3.57 x 10-6
 ∴ M = 279 749 g.mol-1

Sedimentación •  Ley de Stokes (dis. diluidas)

2r 2 (ρ − ρ 0 )g v= 9η 0

ρ0 es la densidad de las partículas y ρ la densidad del disolvente; r es el radio de las partículas; g la aceleración de la gravedad y η0 la viscosidad del medio

•  Aplicación: medida del M de un polímero

M =

RTs D(1 − vρ 0 )

v es el volumen especifico parcial del polímero,. s y D se calculan

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Ejemplo de Sedimentación Se dispersan partículas de Albúmina de 10 µm diámetro y densidad de 1.4 g.cm-3 en una disolución acuosa de polímero con una densidad de 1.01 g.cm-3 y una viscosidad de 1000 cps. ¿Cuál es la velocidad de sedimentación de las partículas? 1000 cps = 10 poise = 10 g.cm-1.sec-1 v = [2r2(ρ – ρ0)g] / 9η

= [2 x (5 x 10-4)2 (1.4 – 1.01) x 981] / 9 x 10


= [2 x (2.5 x 10-7) (0.39 x 981)] / 90


= 2.13 x 10-6 cm.s-1 Tiempo ≈ 55 días por 10 cm

Sedimentación: formación de cremas •  La velocidad de formación de cremas depende de la diferencia de densidades, el radio de las particulas y la viscosidad del medio •  Reducción de la formación de cremas   Formando menores partículas (r)   Aumentando la viscosidad de la fase continua (η)   Disminuyendo la diferencia de densidad entre las dos fases Las partículas colisionarán todavía pero disminuye la frecuencia del impacto. Las fuerzas de interacción tanto repulsivas como atractivas y la naturaleza de la superficie de las partículas determinarán si las partículas entran en permanente contacto (sólidas) o coalescen (líquido)

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Fuerzas de interacción entre partículas coloidales • Fuerzas de repulsión electrostática • Fuerzas de van der Waals o fuerzas electromagnéticas de atracción • Fuerzas estéricas, dependientes de la geometría y conformación de moléculas en la interfase de la partiúcla • Fuerzas solvatación debido a los cambios en las cantidades de disolvente adsorbido sobre las proximidades de las partículas vecinas

Fuerzas de repulsión electróstica y de atracción de van der Waals • Se estudia en base a la teoría de Deryagin, Landau, Verwey y Overbeek (DLVO), que sirve satisfactoriamente para explicar cuantitativamente la estabilidad de las suspensiones hidrofóbicas • Las fuerzas de van der Waals son siempre atractivas. En base a la aditividad de las energías de van der Waals entre moléculas vecinas, Hamaker determinó las ecuaciones, asumiendo que las energías de atracción varia con la inversa de la 6xta potencia de la distancia entre ellas. A mayores separaciones, la dependencia inversa cambia hasta la séptima potencia. El modelo emplea dos esferas de radio a a una distancia H, siendo R igual a 2a+H Hamaker calculó la energía de atracción Va, como a H

R

A  2a 2 2a 2 R 2 − 4a 2  VA = −  2 + +  6  R − 4a 2 R 2 R2  La constante A depende de las propiedades de las partículas y del medio en el que están dispersas. Cuando H/a es pequeño, entonces las partículas son grandes relativas a la distancia de € separación, y la ecuación se reduce a VA=-Aa/12H

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Fuerzas electrostáticas La carga eléctrica se debe a la ionización de los grupos superficiales o a la adsorción de iones Las fuerzas electrostáticas proceden de la interacción de las dobles capas eléctricas que rodean a las partículas en suspensión • La interacción conduce a repulsión si las partículas tienen cargas superficiales y potenciales en la superficie del mismo signo y magnitud

Plano de la capa

• Cuando la carga superficial se debe a la adsorción de los iones que determinan el potencial: el potencial en la superficie Ψ0 se determina por la actividad de estos iones y permanece constante durante la interacción con otras partículas, si no varia la extensión de la adsorción (eso no ocurre en los sistemas reales)

ζ

Doble capa eléctrica • El número de iones positivos disminuye cuando nos alejamos de la superficie y el potencial se hace cero cuando las concentraciones son iguales

Capa Stern Iones que

- determinan el + potencial + Contraiones hidratados

+ -

+ +

+

-

+

+ +

+

+

-

+

-

+

+

Coiones

- negativos

Capa cizalla

Potencial

Ψ0 Ψδ ζ δ 1/κ

distancia

 εε RT  1/κ =  0 2   F I 

-

• Potencial superficial, potencial de Stern • Cuando las partículas se mueven, la superficie efectiva se define como superficie o capa de cizalla, que está un poco alejada de la capa de Stern, y dependerá de la rugosidad de la superficie, número de macromoléculas adsorbidas, etc • Las fuerzas repulsivas electrostáticas disminuyen como una función exponencial de la distancia y tiene un rango del orden del espesor de la doble capa igual a 1/κ, que es la longitud de Debye vista en el capítulo de electrolitos

€ 22

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Interacciones repulsivas No hay ecuaciones sencillas para estas interacciones. Sólo en el caso que los potenciales en la superficie sean pequeños (y constantes) y los valores de kappa sean pequeños (es decir, cuando la doble capa se extienda más allá del radio de la partícula), y los potenciales Ψ0 constantes e−κH VR = 2πεε0 aψδ2 H 1+ 2a −κH

Para pequeños valores de Ψδ y de e la ecuación anterior se simplifica a € 2 −κH VR = 2πεε0 aψδ e

€ €

DLVO: Distancia óptima

Energía

• Atracción de van der Waals • Repulsión electrostática

Distancia óptima

• Repulsión • Atracción

• Atracción

Distancia

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Estabilidad Teoría DLVO Repulsión Barrera potencial

Energía

Curva compuesta

Distancia interpartícula

Atracción Mínimo primario (atracción)

1.  La combinación de la energía potencial repulsora VR con la energía potencial atractiva VA da el potencial total de interacción 2.  A pequeñas y gran distancias la energía potencial de van der Waals es mayor que la de repulsión, que es proporcional a exp(-kH)

3.  Si el máximo es muy pequeño, dos partículas interaccionando pueden alcanzar el mínimo primario y en este estado, no se puede escapara de él (pueden ocurrir consecuentes cambios irreversibles en el sistema tales como sinterizado, Mínimo secundario recristalización o coalescencia (atracción)

4.  Cuando el máximo es suficientemente alto, las dos partículas no se ponen en contacto

Estabilidad Importancia del mínimo secundario Repulsión Barrera potencial

Energía

Curva compuesta

Distancia interpartícula

Atracción Mínimo primario (atracción)

Mínimo secundario (atracción)

A distancias intermedias, la energía de repulsión puede ser la más importante

5. La profundidad del mínimo secundario es importante para definir las condiciones de dispersión hidrofóbica 6. Si el mínimo secundario es menor que la energía térmica (kT, siendo k la constante de Boltzmann), las partículas se repelerán entre sí 7. Cuando las partículas son lo suficientemente grandes, el mínimo secundario puede durante cierto tiempo atrapar las partículas, cuando no haya barrera de energía que superar (importancia en la floculación, que veremos en el siguiente capítulo, porque se puede dar floculación en este estado)

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Fenómenos electrocinéticos •  Electrofóresis

ζ =

ε es la constante dieléctrica de la fase continua y η su viscosidad

v 4πη × × 9 × 10 4 E ∈

(

)

v ζ ≅ 141 E

•  Los cambios en el valor de ζ servirán para predecir la estabilidad del sistema tas la adición de agentes floculantes, surfactantes y otros aditivos

Medida del potencial Zeta La velocidad de migración de las partículas bajo un potencial aplicado puede determinarse microscópicamente con un sistema de medición del tiempo y una cuadrícula ocular

Microelectroforesis Suspensión muy diluida

Microscopio D(básico)

-

+

D(ácido)

Electrodo Capilar

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Ejemplo electrocinético La velocidad de migración de una disolución acuosa de hidróxido ferrico fue determinada a 20 °C, y se encontró que era de 16.5 x 10-4 cm/sec. La distancia entre electrodos en la célula fue 20 cm y la FEM de110 volts. ¿Cuál es el potencial ζ de la disolución?

ζ ≅ 141 cm) 


v E

E = (110 volt) / (20 cm)

= 5.5 volt/cm

Movilidad = v/E = (16.5 x 10-4 cm/sec) / (5.5 volt/

= 3 x 10-4 cm2.volt-1.sec-1

∴ ζ = 141 x 3 x 10-4 = 0.042 volt

Potencial de Nernst y potencial zeta a

(+)

c

b

Si el potencial zeta baja de un valor dado, las fuerzas atractivas exceden las fuerzas repulsivas y las partículas se acercan, produciéndose coagulación

ξ1 ξ2

Potencial, E

El potencial zeta gobierna el grado de repulsión entre partículas dispersas adyacentes, cargadas similarmente

distancia ξ3

(-)

a’ Capa fuertemente enlazada

b’

c’ Capa difusa

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Potencial Zeta •  Interprete este diagrama en cuanto a la distribución de cargas de tres casos con el mismo potencial Zeta

Efecto de los electrolitos sobre la superficie •  Los coloides farmacéuticos son sistemas complejos. Vamos a considerar el efecto de la adición de electrolitos (simples o polímeros) •  Hemos visto que la adición de electrolitos afecta al valor de κ •  A baja [electrolito] (baja κ), la extensión de la doble capa es grande y VR se expande a distancias grandes alrededor de las partículas •  La suma de VR y VA da una curva de energía total con un máximo primario alto

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Efecto de los electrolitos sobre la superficie

1019 VR

1.5

k0

1.0

30 kT

K=105 cm-1 20 kT K=3 105 cm-1

0.5

0

10 kT

K=106 cm-1

1 kT 10 kT

K=3 106 cm-1

-0.5

Múltiplos de kT

•  El descenso de la doble capa al

añadir electrolito produce un

mayor descenso en VR y que

la curva tenga ahora un menor

máximo primario, pero sobre todo

un mínimo secundario •  Importante porque se forma

floculación pero no coagulación

ya que lo evita el máximo primario

K=107 cm-1 o superior 0.5

20 kT

1.0

105

1.5

H (cm)

Efecto sobre la estabilidad del potencial en la superficie

Energía potencial de interacción (10-19J)

•  VR aumentará cuando aumente Ψ0 •  Hay un descenso en el máximo primario cuando el potencial superficial disminuye 1.0 •  A valores intermedios aparece un

mínimo secundario Ψ =32 mV 0

0.5 Ψ0=25.6 mV

0 -0.5

Ψ0=19.2 mV Ψ0=12.8 mV Ψ0=0 mV

-1.0 2.5

1.0

1.5

105 H (cm)

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Repulsión entre superficies hidratadas •  Estabilización entálpica: partículas con macromoléculas adsorbidas sobre la superficie, conduce a repulsión, debido al cambio de entalpía positivo que interviene por la liberación de agua (energéticamente desfavorable)

•  No necesariamente es de origen entálpico, puede darse mayor libertad conformacional que conduce a un -∆S, aumentando su contribución a ∆G, y de ahí conduciendo a repulsión •  Importante cuando H = 2δ, siendo δ la longitud de la cadena

Aplicaciones farmacéuticas de los coloides

•  •  •  •  •  •  • 

Hidrogeles Micropartículas Emulsiones y microemulsiones Liposomas Micelas Nanopartículas Nanocristales

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