Fenomenos de Superficie - Angela - Aula 6 - Estado coloidal

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Universidade do Estado Universidade do Estado Universidade do Estado Universidade do Estado Universidade do Estado Universidade do Estado Universidade do Estado Universidade do Estado 
do Rio de Janeirodo Rio de Janeirodo Rio de Janeirodo Rio de Janeirodo Rio de Janeirodo Rio de Janeirodo Rio de Janeirodo Rio de Janeiro
Fenômenos de superfícieFenômenos de superfície
�� Estado coloidalEstado coloidal
Profa. Angela S. Rocha
Bibliografia: Introduction to Colloid and Surface Cemistry, D Shaw
Atkins, P. W., Physical Chemistry, Oxford University Press, Oxford, 
5th ed., 1994.
Adamson, A. W., Physical Chemistry of Surfaces, J. Wiley & Sons 
Inc, Nova York, 1976
Definição
• Coloides são misturas heterogêneas em que
um ou mais componentes tem pelo menos uma
dimensão na faixa entre nanômetro (10-9 m) e
micrômetro (10-6 m). 1 – 1000 nm
• Comum encontrar a definição em termos de
diâmetro das partículas do disperso.
• Disperso ou soluto: substância presente em
menor quantidade na mistura.
• Dispersante ou solvente: substância presente
em maior quantidade na mistura.
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Definição
1 1 
µµµµµµµµmm
1010--33
µµµµµµµµmm
Partículas Partículas 
coloidaiscoloidais Partículas emPartículas emsuspensãosuspensão
Partículas Partículas 
dissolvidasdissolvidas
(1 nm = 10-9 m) 
1 a 1000 nm 
Ciência de colóides
• Estudo destes sistemas de “macromoléculas”
(moléculas grandes) ou de pequenas
partículas.
• Sistemas coloidais →→→→ sistemas micro-
heterogêneos →→→→ os fenômenos de superfície
são muito importantes.
• Importantes numa ampla faixa de áreas das
ciências dos materiais: agroquímica, cimentos,
cosméticos, alimentos, tintas, farmacêutica,
plásticos, espumas, solos, etc.
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O estado coloidal: começo...
Thomas Grahan, químico escocês, foi o primeiro a
estudar o estado coloidal.
Em 1862 ele estabeleceu a distinção entre os
solutos que se difundem rapidamente e os que o fazem
com grande lentidão.
Chamou os primeiros de CRISTALÓIDES, porque
podiam ser obtidos em forma cristalina e os segundos
de COLOIDES (do grego KOLLA) porque, assim como a
cola, se apresentava em estado amorfo ou gelatinoso.
Indica uma das principais propriedades dos coloides:
sua tendência espontânea de se agregar ou formar
coágulos.
O estado coloidal
Hoje se prefere falar em ESTADO COLOIDAL em vez
de coloide, uma vez que, dependendo das condições
do sistema, a mesma substância pode vir a constituir
uma solução ou um coloide.
Os coloides podem apresentar aspectos físicos
diferenciados, predominando, geralmente, o estado
físico do dispersante.
A existência do estado coloidal pode ser desejável ou
indesejável, dependendo do objetivo →→→→ importante
estudar como gerá-lo e destruí-lo.
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Fatores que contribuem para a natureza 
dos sistemas coloidais
•Tamanho da partícula (soluto).
•Forma e flexibilidade da partícula.
• Interação partícula-partícula.
• Interação partícula-solvente.
O estado coloidal
•Tamanho da partícula (soluto).
O estado coloidal
A assimetria das partículas é um fator importante
na determinação de muitas propriedades de
sistemas coloidais, principalmente as propriedades
mecânicas.
Em geral, os sistemas 
coloidais são polidispersos, 
isto é, as partículas não têm 
todas o mesmo tamanho.
A pressão osmótica 
depende da massa molar da 
partículas.
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•Forma e flexibilidade da partícula.
Muitas moléculas de polímeros apresentam
considerável flexibilidade devido a rotações das
ligações.
Em solução estas moléculas sofrem influência do
movimento térmico sofrendo torções, o que
interfere nas forças de atração partícula-partícula e
partícula-solvente.
O estado coloidal
• Interação partícula-partícula.
É necessário levar em consideração que partículas
coloidais estão em geral solvatadas, o que
interfere nas interações das partícula.
O estado coloidal
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Classificação
Existem algumas classificações (Shaw).
•Dispersão coloidal: termodinamicamente instáveis
devido à alta energia livre da superfície e são
sistemas irreversíveis (não se reconstituem).
•Soluções verdadeiras de macromoléculas (natural
ou sintético): termodinamicamente estáveis e são
facilmente reconstituídas após separação.
•Associações coloidais: formação de micelas.
Soluções de materiais de elevada superfície ativa
exibem propriedades físicas não usuais.
Classificação
• Micelares: as partículas dispersas são 
agregados de átomos, de molécula ou de 
íons. Ex.: enxofre em água.
• Moleculares: as partículas dispersas são 
macromoléculas (moléculas grandes). 
Ex.: amido em água. 
• Iônicos: as partículas dispersas são íons 
gigantes. E.: proteína em água.
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Classificação
• Reversíveis: são sistemas em que o
disperso, num simples contato com o
dispersante produz o estado coloidal. São
facilmente reconstituídos após separação
do solvente com o soluto.
• Irreversíveis: são sistemas em que, uma
vez separados, não são facilmente
reconstituídos.
• Os termos liofílico e liofóbico são usados para
descrever a tendência da superfície ou grupo
funcional de ser molhado ou solvatado.
�Liofílico: amigo do líquido.
�Hidrofilicos: amigo da água.
�Liofóbicos: aversão ao solvente não há
afinidade entre soluto e solvente.
�Hidrofóbico: aversão por água.
Classificação
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Dispersões coloidais
As partículas na dispersão são suficientemente
grandes para definir superfícies de separação entre
a partícula (fase dispersa) do meio em que está
(meio de dispersão), formando duas fases.
A natureza física da dispersão depende das
características e das quantidades das fases que a
constitui:
Ex.: emulsão de óleo-em-água (O/A) e emulsão de
água-em-óleo (A/O) apresentam propriedades
físicas diferentes.
Dispersões coloidais
A interface soluto-solvente é muito 
importante para as características das 
dispersões coloidais, que envolve elevadas 
razões área/volume (partículas grandes).
As propriedades físicas do sistema são 
determinadas pelas propriedades da 
interface, como efeitos de adsorção e da 
dupla camada elétrica.
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Tipos de dispersões coloidais
• Dispersante: Gás
• Disperso: Líquido
• Conhecido: Aerossol 
líquido.
• Exemplos:
Nuvem, neblina, spray 
inseticida, perfume
• Dispersante: Líquido
• Disperso: Gás
• Conhecido: Espuma.
• Exemplos:
Espuma de sabão, 
chantilly.
Tipos de dispersões coloidais
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• Dispersante: Líquido
• Disperso: Líquido
• Conhecido: Emulsão.
• Exemplos:
Leite, maionese, 
cremes, sangue.
Tipos de dispersões coloidais
• Dispersante: Líquido
• Disperso: Sólido
• Conhecido: Sol.
• Exemplos:
Tintas, vidros coloridos.
Tipos de dispersões coloidais
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• Dispersante: Sólido
• Disperso: Gás
• Conhecido: Espuma 
sólida.
• Exemplos:
Pedra-pomes.
Tipos de dispersões coloidais
• Dispersante: Sólido
• Disperso: Líquido
• Conhecido: Gel.
• Exemplos:
Gelatina, queijo, geléia.
Tipos de dispersões coloidais
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• Dispersante: Sólido
• Disperso: Sólido
• Conhecido: Sol 
sólido.
• Exemplos:
Cristal de rubi, ligas 
metálicas.
Tipos de dispersões coloidais
Tipos de dispersões coloidais
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Os princípios relacionados com os diferentes
sistemas coloidais baseiam-se em propriedades
comuns a todos os coloides: tamanho e elevada
relação área/volume de partículas .
As partículas dispersas podem ter tamanhos
diferentes e por isso o sistema coloidal é denominado
polidisperso.
Os sistemas com partículas de um mesmo tamanho
são monodispersos. As macromoléculas de proteínas
sintetizadas biologicamente têm todas um mesmo
tamanho e massa molecular,por isso dão origem a
coloides monodispersos.
Propriedades de coloides
Como a área de superfície da fase dispersa é
elevada devido ao pequeno tamanho das partículas,
as propriedades da interface entre as duas fases
— dispersa e de dispersão — determinam o
comportamento dos diferentes sistemas coloidais.
Em soluções verdadeiras de macromoléculas ou em
dispersões coloidais de partículas finas, o solvente
pode ser retido pela configuração da cadeia
macromolecular ou das partículas. Quando todo
o solvente é imobilizado nesse processo, o coloide
enrijece e é chamado de gel.
Propriedades de coloides
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• O tamanho das partículas de um coloide pode
atravessar um filtro, porém não uma membrana
semi-permeável.
• Essas partículas são suficientemente grandes para
refletir e dispersar a luz e são suficientemente
pequenas para terem suas trajetórias modificadas
pelo solvente.
• A superfície das partículas tem um excesso de
energia associada a ela e muitas vezes pode ser
carregada.
Propriedades de coloides
Propriedades de coloides
• Efeito Tyndall: 
É observado quando a luz se dispersa (espalha) ao
se chocar com as partículas do disperso. Cada
partícula se comporta como um ponto luminoso.
Ex.: Luz do farol numa noite de neblina.
O efeito óptico provocado
pela dispersão da luz nas
partículas coloidais, confere
um aspecto turvo.
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Propriedades dos coloides
•Movimento browniano:
As partículas do solvente (principalmente quando
este se encontra na fase gasosa ou líquido) estão
constantemente se chocando com as partículas do
disperso. Este choques fazem com que as
partículas do disperso adquiram um movimento
de zigue-zague desordenado
e ininterrupto.
Propriedades dos coloides
O movimento Browniano é uma consequência da 
teoria cinética.
Na ausência de forças externas, todas as partículas 
têm a mesma energia cinética translacional média:
Mas:
A velocidade aumenta com a diminuição da massa 
da partícula.
eixocadadelongoaoou kTkT 2
1
2
3
m
energiakT
dt
dx
m
1
2
1
2
1 2
∝⇒=





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Propriedades dos coloides
Tratando o movimento Browniano para um deslocamento em
3D, o deslocamento médio de cada partícula a partir de sua
posição original ao longo de um eixo (x) após um tempo t é
dado pela equação de Einstein:
Sendo D o coeficiente de difusão dado pela lei de Einstein da
difusão em termos do coeficiente de fricção f :
Para partículas esféricas:
•Propriedades elétricas
Normalmente, as partículas dispersas (micelas)
apresentam cargas elétricas de mesmo sinal.
Essa carga elétrica depende da quantidade de
cátions (íon de carga positiva) e ânions (íon de carga
negativa) no sistema. Ou seja, quando há excesso de
cátion, as micelas ficam positivas, e quando há
excesso de ânions, as micelas ficam negativas.
Propriedades dos coloides
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Quando um coloide é preparado em meio ácido 
(excesso de cátions), as micelas adquirem carga 
elétrica positiva, e quando são preparados em meio 
básico (excesso de ânions), as micelas adquirem 
carga elétrica negativa.
Portanto é possível converter a carga elétrica de uma 
micela modificando a quantidade de cátions e ânions 
presentes nessas partículas. Em determinado 
momento dessa conversão, as micelas ficarão 
eletricamente neutras, nesse momento o sistema 
atinge o ponto isoelétrico.
ELETROFORESE
O fenômeno da eletroforese ocorre quando um
coloide é submetido a um campo elétrico, e todas as
micelas migram para o mesmo eletrodo.
Quando as micelas forem positivas, elas migrarão
para o cátodo (polo negativo, para onde vão os
cátions), este fenômeno é denominado cataforese.
Quando as micelas forem negativas, elas migrarão
para o ânodo (polo positivo, para onde vão os
ânions), este fenômeno é denominado anaforese.
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Uma das propriedades mais importante de uma
dispersão coloidal é a tendência de formar
agregados.
Partículas se encontram frequentemente e,
dependendo das interações entre elas , pode haver
atração e agregação.
A principal causa de agregação são as forças
atrativas de van der Walls.
A solvatação pode ajudar na estabilização das
partículas coloidais.
Preparação de coloides
Dispersão coloidal → degradação de um material “bulk”
→ agregação de moléculas ou íons
A dispersão de material mássico pode ser feita usando-se um 
diluente inerte ou por moagem ou usando-se ultrassom.
Degradação → extensiva subdivisão → tendência de partículas 
pequenas para se reunir.
Evitar aglutinação → diluente inerte ou moagem na presença 
de outro material.
Ex.: Obtenção de sol de enxofre → moagem de S + glicose →
dispersão em água → remoção da glicose por diálise.
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Preparação de coloides
Em geral, para obter alto grau de dispersão usa-se agregação.
Método de agregação → formação de solução supersaturada 
molecularmente dispersa → precipitação adequada.
Ex.: Obtenção de sol de S → solução saturada de S em álcool 
ou acetona e água abaixo do ponto de ebulição → vaporiza-se 
o álcool ou acetona → o S insolúvel em água precipita.
A formação de uma nova fase durante a precipitação envolve 
dois estágios: 
• nucleação → formação de centros de cristalização
• crescimento de cristais → relacionado com estabilidade
↑↑↑↑ Grau de 
dispersão
↑↑↑↑ Taxa de 
nucleação
↓↓↓↓ Taxa de 
crescimento
taxa inicial depende 
do grau de 
supersaturação
depende da quantidade 
de material, 
viscosidade, adsorção 
de impurezas, 
agregação entre 
partículas
Dependência entre o tamanho de 
partícula e a concentração do 
reagente.
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Para obtenção de sol poli ou monodisperso é necessário 
controlar as condições em que a nucleação é realizada, deve 
ser restrita para apenas um período certo no início da 
formação do sol.
Coloides macromoleculares:
Campo largo da química macromolecular, inclui: 
• Polímeros naturais (proteínas, celulose, borracha)
• Derivados de polímeros (carboximetil celulose de Na)
• Polímeros sintéticos ( polietileno, Teflon, poliestireno) 
Para sintetizar estes materiais usa-se as técnicas de 
polimerização.
Preparação de coloides
Preparação de coloides
Associação coloidal → formação de micelas
As propriedades físicas destas soluções são não usuais, uma 
vez que as superfícies das partículas são muito ativas.
Micelas → agregados organizados de íons surfactantes.
Surfactantes → moléculas com uma cadeia
de hidrocarboneto lipofílica e uma “cabeça”
polar hidrofílica.
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Preparação de coloides
A concentração na qual a micela se forma é chamada de 
concentração micelar crítica (c.m.c.) e depende do surfactante 
e do solvente.
As micelas podem ter estrutura esférica
(típica em uma larga faixa de c.m.c.),
laminar e cilíndrica.
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• Nos sistemas coloidais o disperso só se
deposita sob sedimentação forçada em
ultracentrífugas.
• Ultracentrifugação:
Aparelho com alta rotação
para separar partículas
de grande porte ou
de tamanhos diferentes.
Purificação dos coloides
Purificação dos Colóides
• Ultrafiltração: Utiliza-se uma membrana para
separar íons ou moléculas cujo tamanho do
soluto é menor que 1000 nm.
• As partículas coloidais ficam retidas no ultrafiltro.
• Muitas vezes está associado às condições
elétricas do colóide e da membrana.
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Purificação de coloides
• Diálise: Utiliza-se um dialisador para
separar impurezas altamente solúveis no
dispersante. Baseia-se na diferença de
velocidade que ocorre a difusão de uma
solução e de um coloide através de uma
membrana permeável.
• Eletrodiálise: Aplica um campo elétrico no
dialisador para retirar impurezas de
natureza iônica.
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As diferentes interaçõesentre as fases dispersa e a
de dispersão constituem um dos pontos críticos do
comportamento e da estabilidade dos coloides.
As propriedades físicas e químicas de ambas as
fases controlam essas interações (coulombianas de
repulsão eletrostática, as de atração de van der
Waals, as de repulsão estérica e as de solvatação).
Esses sistemas precisam de um modelo
sistematizado para explicar a influência das
interações na estabilidade cinética e termodinâmica
do coloide.
Estabilidade de coloides
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A aglomeração das micelas provoca a
precipitação do coloide.
Existem dois fatores que mantêm o coloide
estável. São eles:
a) as micelas possuem a mesma carga elétrica e,
portanto, sofrem repulsão, evitando a
aglomeração e consequentemente a precipitação
do coloide.
Estabilidade de coloides
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b) a camada de solvatação, que encontra-se 
ao redor da micela nos coloide liofílicos, 
impede o contato direto entre as micelas. 
Essa camada é formada pelas moléculas do 
dispersante.
Estabilidade de coloides
Peptização é um processo no qual a dispersão é conseguida
(pouca agitação) pelamudança da composição do meio
dispersante (evaporação adição de co-íons).
Estado sol: ocorre quando as moléculas dispersantes
afastam as partículas dispersas umas das outras.
Estado gel: ocorre quando as partículas dispersas
encontram-se extremamente unidas, muito próximas umas
das outras.
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