Coloide

Física da matéria condensada
Fases Transição de fase PCQ
Estados da matéria Sólido Líquido Gás Plasma Condensado de Bose-Einstein Gás de Bose Condensado fermiônico Gás de Fermi Líquido de Fermi Supersólido Superfluidez Líquido de Luttinger Cristal do tempo
Fenômenos de fase Parâmetro de ordem Transição de fase PCQ
Fases eletrônicas Estrutura eletrônica de bandas Plasma Isolante Isolante de Mott Semicondutor Semimetal Condutor Supercondutor Termoelétrico Piezoelétrico Ferroelétrico Isolante topológico Semicondutor sem lacuna de spin
Fenômenos eletrônicos Efeito Hall quântico Efeito Hall de spin Efeito Kondo
Fases magnéticas Diamagnético Superdiamagnético Paramagnético Superparamagnético Ferromagnético Antiferromagnético Metamagnético Vidro de spin
Quasipartículas Fônon Excíton Plasmon Polariton Polaron Magnon Roton
Matéria mole Sólido amorfo Coloide Material granular Cristal líquido Polímero
Cientistas Van der Waals Onnes von Laue Bragg Debye Bloch Onsager Mott Peierls Landau Luttinger Anderson Van Vleck Hubbard Shockley Bardeen Cooper Schrieffer Josephson Louis Néel Esaki Giaever Kohn Kadanoff Fisher Wilson von Klitzing Binnig Rohrer Bednorz Müller Laughlin Störmer Yang Tsui Abrikosov Ginzburg Leggett Parisi Wetterich Perdew
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Um coloide é uma mistura na qual uma substância, formada por partículas insolúveis microscopicamente dispersas, permanece suspensa em outra substância. Algumas definições exigem que as partículas estejam dispersas em um líquido, enquanto outras abrangem substâncias como aerossóis e géis. Um coloide tem uma fase dispersa, formada pelas partículas suspensas, e uma fase contínua, que constitui o meio de suspensão. A expressão suspensão coloidal designa a mistura como um todo. Em sentido mais restrito, um coloide se distingue de outros tipos de suspensão pelo menor tamanho de suas partículas.

Alguns coloides são translúcidos por causa do efeito Tyndall, o espalhamento da luz pelas partículas do coloide. Outros podem ser opacos ou apresentar uma leve coloração.

As suspensões coloidais são estudadas pela ciência de interfaces e coloides. Os primeiros estudos sistemáticos começaram em 1845 com Francesco Selmi, que chamou esses sistemas de pseudosoluções. O estudo foi ampliado por Michael Faraday e Thomas Graham, que cunhou o termo colloid em 1861.

Definição

A definição da IUPAC estabelece que o termo coloidal se refere a um estado de subdivisão em que moléculas ou partículas polimoleculares dispersas em um meio têm, em pelo menos uma direção, dimensão aproximadamente entre 1 nanômetro e 1 micrômetro, ou no qual as descontinuidades de um sistema estão separadas por distâncias dessa ordem. Não é necessário que as três dimensões estejam nessa faixa, nem que as unidades do sistema sejam discretas. Os limites dimensionais são aproximados e dependem das propriedades consideradas.

Assim, fibras podem ter apenas duas dimensões na faixa coloidal, filmes finos podem ter uma, e estruturas contínuas em rede, como alguns géis, espumas e sólidos porosos, também podem ser classificadas como coloidais.

História

Materiais com estruturas em escala coloidal eram produzidos muito antes de sua descrição científica. A Taça de Licurgo, feita em vidro romano no século IV, apresenta dicroísmo. Ela parece verde sob luz branca refletida e vermelha quando a luz atravessa o vidro. O comportamento resulta de nanopartículas metálicas contendo ouro e prata no material.

Entre 1845 e a década seguinte, Francesco Selmi estudou sistemas de cloreto de prata, azul da Prússia e enxofre que chamou de pseudosoluções. Michael Faraday investigou dispersões de ouro e sua interação com a luz.

Em 1861, Thomas Graham comparou substâncias pela velocidade de difusão e pela passagem através de membranas. Açúcares e sais difundiam-se com relativa facilidade e foram chamados por ele de cristaloides. Materiais como gelatina e goma difundiam-se lentamente e foram chamados de coloides. Essa divisão não corresponde a duas classes químicas permanentes. A terminologia da IUPAC trata o caráter coloidal como um estado de subdivisão do sistema, que depende das dimensões e das propriedades consideradas.

Richard Adolf Zsigmondy foi laureado com o Prêmio Nobel de Química de 1925 por seus trabalhos sobre a natureza heterogênea das soluções coloidais e pelos métodos usados em seu estudo.

Classificação

Os coloides podem ser classificados pelo estado físico da fase dispersa e do meio de dispersão:

		Fase dispersa
		Gás	Líquido	Sólido
Meio de dispersão	Gás	Não há dispersão coloidal gás-em-gás nas condições usuais Misturas gasosas tendem a formar uma única fase. Hélio e xenônio podem apresentar imiscibilidade sob condições específicas de pressão e temperatura, mas esse fenômeno corresponde à separação de fases gasosas.	Aerossol de partículas líquidas Exemplos: nevoeiro, nuvens, neblina, sprays para cabelo	Aerossol de partículas sólidas Exemplos: fumaças contendo partículas sólidas, nuvem de gelo, material particulado atmosférico
	Líquido	Espuma Exemplos: creme chantili, creme de barbear	Emulsão Exemplos: leite, maionese, creme para as mãos, látex	Sol Exemplos: tintas pigmentadas, algumas lamas e dispersões coloidais de precipitados
	Sólido	Espuma sólida Exemplos: aerogel, sabonete flutuante, poliestireno expandido, pedra-pomes	Gel Exemplos: ágar-ágar, gelatina, geleia	Sol sólido Exemplo: vidro cranberry

Sistemas com uma fase dispersa nessa faixa de tamanho podem receber nomes como aerossóis coloidais, emulsões coloidais, suspensões coloidais, espumas coloidais, dispersões coloidais ou hidrossóis.

• 
  Sílica-gel coloidal com leve opalescência
• 
  Uma porção de gel para cabelo
• 
  Cremes são emulsões semissólidas de óleo e água e podem ser formulados como emulsões de óleo em água ou de água em óleo
• 
  Efeito Tyndall em uma opalita:
  ela espalha a luz azul e parece azul quando vista de lado, enquanto comprimentos de onda mais longos atravessam o material.
• 
  Neblina

Hidrocoloides

Hidrocoloides são polímeros de cadeia longa, em sua maioria polissacarídeos e proteínas, capazes de formar dispersões viscosas ou géis quando dispersos em água. Eles alteram a reologia do meio, elevando sua viscosidade ou produzindo gelificação. Em alimentos, podem atuar como espessantes, agentes gelificantes e estabilizantes. Hidrocoloides também são usados em produtos farmacêuticos, produtos de higiene pessoal e processos industriais. A escolha depende da estrutura do polímero, de sua concentração, das condições do meio e das propriedades reológicas desejadas.

Alguns hidrocoloides, como amido de milho e caseína, também são componentes de alimentos. Outros podem fornecer fibra dietética.

O termo hidrocoloide também é usado em curativos hidrocoloides. Esses curativos absorvem o exsudato e formam um gel hidratado sobre a ferida, mantendo um ambiente úmido que pode favorecer a cicatrização.

Comparação com soluções

Em uma dispersão coloidal típica há partículas dispersas em uma fase contínua, enquanto em uma solução molecular o soluto e o solvente constituem uma única fase homogênea em escala molecular. Coloides de associação, sistemas macromoleculares e estruturas coloidais contínuas mostram que essa distinção entre duas fases não pode ser aplicada de forma rígida a todos os sistemas coloidais.

Em uma solução de sal em água, por exemplo, o cristal de cloreto de sódio (NaCl) se dissolve, e os íons Na⁺ e Cl⁻ ficam rodeados por moléculas de água. No leite, parte da matéria dispersa se encontra em estruturas muito maiores do que moléculas individuais, como glóbulos de gordura. Essa diferença na escala e na forma de dispersão produz propriedades distintas das encontradas em soluções moleculares verdadeiras.

Interações entre partículas

Como partículas coloidais têm grande área interfacial em relação ao volume, fenômenos de superfície podem dominar seu comportamento. Adsorção, carga superficial, solvatação e forças entre interfaces afetam a organização e a estabilidade desses sistemas.

As forças a seguir participam da interação entre partículas coloidais:

• Repulsão por volume excluído: decorre da impossibilidade de sobreposição entre partículas rígidas.
• Interação eletrostática: partículas coloidais podem apresentar carga elétrica e, por isso, atrair ou repelir umas às outras. A carga das interfaces, a composição do meio e a mobilidade das fases afetam essa interação.
• Forças de van der Waals: resultam de interações entre dipolos permanentes ou induzidos. Mesmo quando as partículas não têm dipolo permanente, flutuações da densidade eletrônica podem criar dipolos instantâneos que induzem dipolos em partículas próximas. Essas interações são de curto alcance e, nas condições usuais de uma dispersão, contribuem para a atração entre partículas.
• Forças estéricas: forças repulsivas podem surgir quando polímeros ou outras camadas adsorvidas nas superfícies das partículas se sobrepõem.
• Forças de depleção: forças entrópicas atrativas podem surgir quando coloides estão suspensos em um meio que contém partículas ou polímeros muito menores, chamados depletantes.

Velocidade de sedimentação

O campo gravitacional da Terra atua sobre partículas coloidais. Se elas forem mais densas do que o meio de suspensão, tendem a sofrer sedimentação. Se forem menos densas, podem subir à superfície por cremagem. À medida que o tamanho da partícula aumenta, sua velocidade de sedimentação cresce rapidamente, enquanto seu coeficiente de difusão browniana diminui.

Para uma partícula esférica isolada em um fluido newtoniano, no regime de baixo número de Reynolds em que vale a lei de Stokes, a velocidade terminal de sedimentação ou cremagem pode ser obtida igualando a força de arrasto à força gravitacional corrigida pelo empuxo:

${\displaystyle m_{A}g=6\pi \eta rv}$

onde

${\displaystyle m_{A}g}$ é o peso efetivo da partícula depois de considerado o empuxo,

${\displaystyle \eta }$ é a viscosidade do meio de suspensão,

${\displaystyle r}$ é o raio da partícula,

e ${\displaystyle v}$ é a velocidade terminal de sedimentação ou cremagem.

A massa efetiva associada à diferença de densidade é:

${\displaystyle m_{A}=V(\rho _{1}-\rho _{2})}$

onde

${\displaystyle V}$ é o volume da partícula, que para uma esfera é ${\displaystyle V={\frac {4}{3}}\pi r^{3}}$,

e ${\displaystyle \rho _{1}-\rho _{2}}$ é a diferença de densidade entre a partícula e o meio.

Rearranjando:

${\displaystyle v={\frac {m_{A}g}{6\pi \eta r}}}$

Partículas maiores tendem a sedimentar mais rapidamente, mas não existe um diâmetro universal acima do qual um sistema deixe automaticamente de ser coloidal. A escala de aproximadamente 1 μm usada na definição da IUPAC é convencional e depende da propriedade examinada.

As partículas estão em equilíbrio de sedimentação quando a tendência de sedimentação gravitacional é equilibrada pela redistribuição produzida pelo movimento browniano.

Preparação

Há duas formas principais de preparar coloides:

• Dispersão de partículas ou gotículas grandes até dimensões coloidais por moagem, pulverização ou aplicação de cisalhamento, como agitação, mistura ou uso de um misturador de alto cisalhamento.
• Condensação de pequenas espécies dissolvidas em partículas coloidais maiores por precipitação, condensação ou reações de oxirredução. Esses processos são usados na preparação de sílica pelo processo de Stöber e de ouro coloidal.

Estabilização

A estabilidade cinética de uma dispersão coloidal depende das interações entre as partículas e de sua capacidade de permanecer dispersas sem agregação macroscópica.

Na teoria DLVO, a interação total entre partículas resulta principalmente da combinação entre a atração de van der Waals e a repulsão eletrostática da dupla camada. Quando existe uma barreira de energia suficientemente alta em relação à energia térmica kT, em que k é a constante de Boltzmann e T é a temperatura absoluta, a agregação pode ser fortemente retardada. Quando essa barreira é pequena ou inexistente, as partículas conseguem atingir distâncias nas quais a atração favorece sua agregação.

A aglomeração de partículas recebe o nome geral de agregação, mas também podem ser usados os termos floculação, coagulação ou precipitação, conforme o processo considerado. Em algumas convenções, coagulação designa uma agregação essencialmente irreversível, enquanto floculação designa uma associação mais fraca e reversível. O termo precipitação costuma ser reservado à formação de uma fase sólida a partir de uma dispersão ou solução.

A estabilização eletrostática e a estabilização estérica são dois mecanismos usados contra a agregação.

• A estabilização eletrostática decorre da repulsão entre partículas carregadas. Uma partícula carregada em solução é acompanhada por uma distribuição de contraíons e coíons que forma uma dupla camada elétrica. O comportamento eletrocinético da interface pode ser caracterizado pelo potencial zeta. O potencial zeta é útil para comparar condições de estabilidade dentro de um mesmo sistema, mas não existe um valor universal que, isoladamente, separe todas as dispersões estáveis das instáveis. Outros mecanismos, como estabilização estérica, também podem manter partículas dispersas mesmo quando o potencial zeta é pequeno. O efeito combinado da atração de van der Waals e da repulsão eletrostática é tratado quantitativamente pela teoria DLVO. Um método de produzir novamente uma dispersão a partir de certos precipitados é a peptização, frequentemente obtida pela ação de um eletrólito adequado.
• A estabilização estérica utiliza camadas adsorvidas ou ligadas de polímeros ou tensioativos que impedem a aproximação das partículas até distâncias em que forças atrativas de curto alcance predominam. As cadeias que se estendem da superfície para o meio podem gerar repulsão quando suas camadas começam a se sobrepor. Esse mecanismo também é usado em solventes orgânicos.

Também é possível combinar os dois mecanismos, produzindo estabilização eletroestérica.

Outra estratégia consiste em formar uma rede de gel capaz de dificultar a sedimentação das partículas. Em suspensões de nanopartículas de ferro, por exemplo, géis de goma xantana com comportamento de afinamento por cisalhamento foram usados para reduzir sedimentação e agregação. Polímeros como goma xantana e goma guar também podem fornecer estabilização estérica ou eletroestérica.

Monitoramento da estabilidade

O espalhamento múltiplo de luz acoplado à varredura vertical pode ser usado para acompanhar alterações no estado de dispersão de um produto. Perfis de transmissão e retroespalhamento ao longo da amostra permitem detectar mudanças de concentração provocadas por sedimentação ou cremagem e alterações ópticas associadas à agregação.

O espalhamento dinâmico de luz determina um tamanho hidrodinâmico a partir das flutuações da luz espalhada causadas pelo movimento browniano das partículas. Como o coeficiente de difusão diminui quando o tamanho hidrodinâmico aumenta, a técnica pode detectar crescimento de partículas ou agregação, embora a interpretação dependa da distribuição de tamanhos e das propriedades ópticas da amostra.

Como sistema-modelo para átomos

Na física, coloides podem ser usados como sistemas-modelo para átomos. Partículas coloidais na escala de micrômetros são grandes o bastante para serem observadas por técnicas ópticas, como a microscopia confocal, enquanto seu movimento térmico e suas interações podem reproduzir aspectos de sistemas atômicos. Isso permite acompanhar diretamente processos que em materiais moleculares ocorreriam em escalas muito menores.

Transições de fase em suspensões coloidais podem ser estudadas em tempo real por técnicas ópticas. Em alguns sistemas, campos ópticos também podem modificar o escoamento e a organização das partículas.

Coloides também são usados como sistemas-modelo para estudar a transição vítrea. Em suspensões densas, o movimento das partículas pode ficar progressivamente mais lento até produzir uma dinâmica semelhante à de líquidos formadores de vidro. Simulações de dinâmica molecular de partículas elipsoidais anisotrópicas que interagem por meio do potencial de Gay-Berne produziram um estado de vidro líquido relacionado a experimentos com coloides elipsoidais de PMMA, nos quais o movimento rotacional fica bloqueado enquanto o movimento translacional permanece semelhante ao de um fluido.

Cristais

Um cristal coloidal é um arranjo altamente ordenado de partículas que pode se estender por distâncias muito maiores do que o diâmetro de cada partícula e apresentar organização análoga à encontrada em cristais atômicos ou moleculares.

Um exemplo natural dessa ordenação ocorre na opala preciosa. Esferas de sílica com dimensões da ordem de centenas de nanômetros podem formar domínios tridimensionais ordenados que difratam a luz visível e produzem o jogo de cores característico.

A formação dessas redes naturais não depende de um único mecanismo. Estudos de opalas sedimentares australianas encontraram estruturas produzidas por fluxo de suspensões coloidais, deformação das partículas e cisalhamento durante e depois da deposição. Nessas formações, a ordenação exclusivamente por sedimentação gravitacional parece ser a exceção, não a regra.

Os arranjos periódicos de partículas submicrométricas podem atuar como uma rede de difração para a luz visível quando seu espaçamento é comparável ao comprimento de onda incidente. A difração e a interferência construtiva podem satisfazer a lei de Bragg, de modo semelhante à difração de raios X em cristais atômicos.

Métodos de preparação de coloides monodispersos permitem produzir cristais coloidais sintéticos de polímeros ou minerais e controlar sua ordenação.

Na biologia

Muitos condensados biomoleculares são compartimentos celulares sem membrana formados pela concentração de proteínas, ácidos nucleicos ou outras macromoléculas. A separação de fases, em especial a separação líquido-líquido, é um dos mecanismos capazes de produzir esses compartimentos, embora nem todos os condensados tenham necessariamente comportamento líquido ou sejam formados pelo mesmo mecanismo. Esses condensados podem organizar componentes do citoplasma e do núcleo celular sem a presença de uma membrana delimitadora.

Meios coloidais também podem ser empregados como ferramentas experimentais para entrega intracelular. Soluções hipertônicas contendo cadeias poliméricas entrelaçadas, por exemplo, aumentaram em experimentos a introdução de polímeros, proteínas, nanopartículas e plasmídeos de DNA em diferentes linhagens celulares.

No ambiente

Partículas coloidais podem alterar o transporte de contaminantes em águas superficiais e subterrâneas. Em rochas fissuradas e outros meios porosos, coloides móveis podem transportar substâncias adsorvidas em sua superfície ou, em outras condições, ser retidos e retardar esse transporte.

Radionuclídeos e metais pesados podem adsorver-se em partículas coloidais. Entre os coloides naturais há partículas de argila, silicatos, oxi-hidróxidos de ferro e substâncias orgânicas húmicas e fúlvicas. Quando um metal ou radionuclídeo forma uma fase coloidal própria, pode-se usar o termo "eigencoloide".

No antigo Local de Testes de Nevada, plutônio proveniente de um teste nuclear subterrâneo foi encontrado associado à fração coloidal da água subterrânea a cerca de 1,3 km da origem. Os dados isotópicos sustentaram o transporte do plutônio associado a coloides pela água subterrânea.

A mobilidade de coloides pode ser muito menor em bentonitas compactadas e em formações argilosas densas, onde a geometria dos poros e processos de filtração dificultam sua passagem.

A situação é menos simples para pequenos coloides orgânicos misturados, na água dos poros, com moléculas orgânicas verdadeiramente dissolvidas.

Nas ciências do solo, a fração coloidal dos solos inclui pequenas partículas de argila e húmus cujas cargas eletrostáticas variam conforme sua composição e condições químicas, entre elas o pH do solo.

Terapia intravenosa

Soluções coloidais usadas em terapia intravenosa contêm moléculas ou partículas de maior massa molecular, como albumina, gelatinas, dextranos ou amidos de hidroxietila, e podem ser usadas como expansores de volume. Por exercerem pressão oncótica, essas substâncias podem permanecer no espaço intravascular por mais tempo do que pequenos solutos de soluções cristaloides, embora sua distribuição dependa da permeabilidade vascular, da substância usada e do estado clínico do paciente.

Cristaloides isotônicos, como solução salina isotônica e soluções balanceadas, permanecem inicialmente no compartimento extracelular e se distribuem entre plasma e espaço intersticial. Eles não se distribuem diretamente pelo compartimento intracelular enquanto permanecem isotônicos.

Uma revisão Cochrane de pacientes criticamente enfermos encontrou pouca ou nenhuma diferença de mortalidade entre cristaloides e os grupos de coloides avaliados, incluindo amidos, dextranos e albumina ou plasma. Os amidos provavelmente aumentaram ligeiramente a necessidade de transfusão e de terapia de substituição renal. Os diferentes coloides não têm, portanto, um perfil clínico único e não devem ser tratados como uma única intervenção.

A literatura sobre amidos de hidroxietila também foi afetada pela retratação de trabalhos de Joachim Boldt por má conduta científica. Uma revisão sistemática que excluiu estudos do pesquisador encontrou associação entre amido de hidroxietila e aumento do risco de lesão renal aguda e de mortalidade em pacientes criticamente enfermos que necessitavam de reposição volêmica.

Cristaloides também costumam ter custo menor do que soluções coloidais.

Ver também

• Dispersão (química), sistema no qual uma fase está distribuída em outra
• Efeito Tyndall, espalhamento de luz por partículas em uma dispersão coloidal
• Matéria mole, ramo da física que abrange coloides, géis, espumas e outros sistemas deformáveis
• Suspensão (química), mistura com partículas dispersas maiores que as encontradas em sistemas coloidais
• Micela, agregado molecular que pode formar coloides de associação
• Potencial zeta, grandeza eletrocinética usada no estudo de interfaces e dispersões

Referências

• Portal da química
• Portal da física