miniatura|upright=1.2|Imagem de partículas coloidais obtida por microscópio eletrônico de varredura.
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,Selmi, Francesco. "Studi sulla dimulsione di cloruro d'argento". Nuovi Annali delle Scienze Naturali di Bologna, 1845.Selmi, Francesco. Studio intorno alle pseudo-soluzioni degli azzurri di Prussia ed alla influenza dei sali nel guastarle. Bolonha: Tipi Sassi, 1847.Hatschek, Emil. The Foundations of Colloid Chemistry, A selection of early papers bearing on the subject. Londres: The British Association Committee on Colloid Chemistry, 1925.Selmi, Francesco. "Sur le soufre pseudosoluble, sa pseudosolution e le soufre mou". Journal de Pharmacie et de Chimie, tomo 21, Paris, 1852. que chamou esses sistemas de pseudosoluções. O estudo foi ampliado por Michael Faraday e Thomas Graham, que cunhou o termo colloid em 1861. Na página 183, Graham propôs designar como colloids substâncias do tipo da gelatina e chamar seu modo de agregação de colloidal condition of matter.
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 miniatura|A Taça de Licurgo, vidro romano do século IV, parece verde sob luz refletida e vermelha sob luz transmitida. O efeito resulta de nanopartículas metálicas contendo ouro e prata dispersas no vidro.
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 dedispersão 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 cabelocentro|120px Aerossol de partículas sólidas
Exemplos: fumaças contendo partículas sólidas, nuvem de gelo, material particulado atmosféricocentro|120px Líquido Espuma
Exemplos: creme chantili, creme de barbearcentro|120px Emulsão
Exemplos: leite, maionese, creme para as mãos, látexcentro|120px Sol
Exemplos: tintas pigmentadas, algumas lamas e dispersões coloidais de precipitadoscentro|120px Sólido Espuma sólida
Exemplos: aerogel, sabonete flutuante, poliestireno expandido, pedra-pomescentro|120px Gel
Exemplos: ágar-ágar, gelatina, geleiacentro|120px Sol sólido
Exemplo: vidro cranberrycentro|120px
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.
Outras classificações Além da classificação pelo estado físico das fases, as dispersões coloidais podem ser agrupadas pela interação entre o material disperso e o meio. A IUPAC distingue sistemas liofílicos e liofóbicos. Quando o meio é aquoso, também se empregam os termos hidrofílico e hidrofóbico.
Soles liofílicos podem se formar espontaneamente quando o material seco entra em contato com o meio de dispersão. Nessa situação, o sistema disperso tem menor energia livre do que o material seco e o meio mantidos separados. Soles liofóbicos, como certas dispersões de ouro, não surgem por dispersão espontânea. São termodinamicamente instáveis em relação à separação em fases macroscópicas, embora possam permanecer em estado metaestável por períodos longos.
Os sistemas liofílicos abrangem coloides de associação, nos quais pequenas moléculas formam agregados reversíveis, e sistemas de macromoléculas cujas próprias moléculas têm dimensões coloidais. Essa distinção complementa a descrição de uma fase dispersa dentro de uma fase contínua, pois nem todo sistema coloidal precisa conter partículas discretas equivalentes a uma fase macroscópica.
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.
Componentes Curativos hidrocoloides costumam conter uma massa adesiva com substâncias formadoras de gel, como carboximetilcelulose de sódio, gelatina ou pectina. Essa camada pode ser fixada a um filme ou espuma de suporte, frequentemente de poliuretano. Em contato com o exsudato da ferida, o material hidrocoloide absorve líquido e forma um gel.
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 miniatura|268x268px|Movimento browniano de partículas coloidais poliméricas com 350 nm de diâmetro.
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:
onde
é o peso efetivo da partícula depois de considerado o empuxo,
é a viscosidade do meio de suspensão,
é o raio da partícula,
e é a velocidade terminal de sedimentação ou cremagem.
A massa efetiva associada à diferença de densidade é:
onde
é o volume da partícula, que para uma esfera é ,
e é a diferença de densidade entre a partícula e o meio.
Rearranjando:
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.