Interacção entre partículas
coloidais
O presente trabalho de pesquisa cinge-se nos campo de
conhecimento dos colóide, estes que são misturas heterogéneas de pelo menos duas
fases diferentes, com a matéria de uma das fases na forma finamente dividida
(sólido, líquido ou gás) denominada fase dispersa, misturada com a fase
contínua (sólido, líquido ou gás) denominada meio de dispersão
A ciência dos colóides se ocupa com sistemas nos quais um
ou mais dos componentes apresentam pelo menos uma de suas dimensões dentro do
intervalo de 1 nm a 1000 nm, ou seja, ela se refere, essencialmente, a sistemas
contendo tanto moléculas grandes, como pequenas partículas. O termo “microeterogéneo”
constitui uma descrição apropriada para a maior parte dos sistemas coloidais.
Não existe, contudo, uma separação nítida entre sistemas coloidais e sistemas
não--coloidais, especialmente nas proximidades do limite superior das dimensões
do estado coloidal. Por exemplo, o tamanho das gotículas presentes em emulsões
é normalmente superior a 1 
contudo é
conveniente tratar as emulsões como sistemas coloidais (SHAW, 1975).
contudo é
conveniente tratar as emulsões como sistemas coloidais (SHAW, 1975).
Este trabalho tem como objectivo de estudar a interacção entre
partículas coloidais, especificamente,
a interacção repulsiva de dupla camada de cargas, a interacção
atractiva de Van der Waals, e, a interacção estérica repulsiva de
camadas de polímeros adsorvidos nas partículas.
Como qualquer trabalho científico, é fruto de consultas
de diversas obras literárias com relação aos coloides, pelo que, encontram-se
descritas todas as fontes usadas para a realização deste trabalho na parte de
bibliografia.
Metodologia
Como referido no inicio deste trabalho, trata-se de uma
pesquisa bibliográfica baseada nas obras literárias, nas teses, trabalhos
científicos, virtual/ digital e dissertações, que foi realizada no mês de Julho
de 2018, na biblioteca da Universidade Pedagógica onde os autores deste trabalho
encontravam-se para acessar certos manuais em formato físico e uso de wireless
para acesso a manuais electrónicos que pudessem ajudar na produção deste
trabalho.
DI BERNARDO et al (1993) “em um sistema bifásico (sólido-líquido) onde existe urna grande
concentração de partículas coloidais, uma se aproxima das outras e ou chocam-se
entre si devido ao movimento contínuo e desordenado dessas mesmas partículas (movimento browniano)”. Permitindo-se uma interacção entre as camadas difusas, fazendo com
que ocorra atracão devido a força de Van der Waals e repulsão devido a força electrostática da dupla camada
eléctrica.
De acordo com o conhecimento e reconhecimento do grupo “quando moléculas, átomos ou iões aproximam-se uns dos outros, dois fenómenos podem ocorrer: (i) eles podem reagir ou (ii) eles podem interagir. Uma reacção química, por definição,
requer que ligações químicas sejam quebradas e/ou formadas”. Uma interacção física significa que as moléculas se atraem ou se repelem entre si, sem que ocorra a quebra ou formação de novas ligações químicas. Estas interacções são frequentemente chamadas de interacções não covalentes ou interacções. As energias envolvidas em tais tipos de interacções são muito menores que
aquelas envolvidas em processos reactivos.
UBBINK (2007) “a força da dupla camada eléctrica tem
sua origem na superfície das partículas
sólidas, onde ocorre adsorção ou dessorção de iões entre a partícula sólida e a
solução circundante”.
As partículas coloidais possuem
predominantemente coros negavas, as
quais atraem uma grande quantidade
de iões de corpos oposta (positiva)
presentes na solução, porém
devido as dimensões das superfícies das partículas, apenas um
número limitado de iões positivos consegue ser adsorvidos.” Esta adsorção faz com que os iões adsorvidos
permaneçam de maneira rígida sobre a superfície da partícula, dando origem a denominada camada compacta ou
camada de Stern” (LEE & SIGMUND, 2004).
De acordo com a interpretação do grupo em relação
a figura 1, “quando iões
negativos aproximam-se da camada compacta, atraem consigo alguns iões
positivos, resultando na formação da camada difusa, que engloba a camada compacta, na realidade, a camada difusa resulta na
atracão de iões positivos,
repulsão electrostática de iões negativos e difusão térmica”.
DI BERNARDO (2005) “no mundo microscópico dos coloides e interfaces, a presença ou ausência
de cargas superficiais pode ter grande significância em termos de estabilidade,
sensibilidade ao ambiente, propriedades electrocinéticas e outros factores”.
A interacção entre dois átomos carregados ou moléculas é potencialmente a forma
mais forte de interacção física a ser considerada na interface e no sistema
coloidal.
A superfície bacteriana pode adquirir cargas por diferentes mecanismos,
tais como ionização de grupos de átomos presentes na superfície, adsorção
preferencial de iões e solubilização preferencial de moléculas presentes na
interface do micro-organismo. Estes mecanismos são geralmente dependentes das
propriedades da solução aquosa, principalmente do seu pH. A interface de uma
bactéria carregada electricamente, juntamente com os iões existentes no líquido
próximo à interface, e que estão sob a influência do campo de força causado
pelas moléculas da superfície do micro-organismo, formam uma camada difusa de
iões chamada dupla camada eléctrica. O
conjunto das camadas compacta e difusa, resulta na denominada dupla camada eléctrica
(DCE).
Figura 1: Representação
esquemática da dupla camada eléctrica da superfície celular (apud DI
BERNARDO p. 164. segundo AWWA).
JAFELICCI (1987) “ a ideia da dupla
camada eléctrica foi primeiramente proposta por Helmholtz, que desenvolveu o
conceito de um sistema tendo cargas organizadas em dois planos paralelos”.
Entretanto, sabe-se que o modelo é inadequado, uma vez que esta distribuição
paralela e organizada não existe. Na realidade, o movimento térmico de iões na
solução introduz certo nível de caos acarretando o espalhamento dos iões na
região de superfície carregada, formando a dupla camada difusa
PERUZZO & CANTO (1998) “as interacções colombianas da dupla camada têm origem nas interacções eléctricas das partículas carregadas”. A carga eléctrica, assim como a massa, é uma qualidade intrínseca da matéria e
apresenta a particularidade de existir em duas variedades, convencionalmente
denominada positiva e negativa. Duas cargas eléctricas de mesmo sinal se
repelem, e quando de sinais contrários se atraem. A força destas interacções é directamente
proporcional a sua quantidade de carga e
inversamente proporcional ao quadrado da distância que as separa.
Para explicar a existência dessas forças adoptou-se
a noção de campo eléctrico criado
em torno de uma carga, de modo que a força
eléctrica que vai actuar sobre outra carga
distanciada da primeira corresponde ao produto da quantidade de carga desta
primeira por uma grandeza chamada intensidade de campo eléctrico. A energia que
este campo transmite à unidade de carga chama-se potencial eléctrico e, geralmente, é medido em volts. Assim como as interacções coulombianas
da dupla camada, as forças de dispersão têm origem nas interacções eléctricas
das partículas. “Porém,
enquanto a natureza das interacções coulombianas da dupla camada é electrostática e actua apenas em partículas formalmente carregadas, as
forças de atracão de Van der Waals são de natureza electrodinâmica e actuam em todas as partículas, estejam elas carregadas
ou não”
(MORREIRA, 2007).
A distribuição de iões ao redor da interface objectiva reduzir a energia
livre de Gibbs do sistema. Quando o equilíbrio termodinâmico é alcançado, o
potencial electroquímico de cada espécie iónica é mantido constante, como pode
ser observado na Equação a baixo (Ibdem,
2007):
Em que 
é o potencial electroquímico Zi se
refere à carga do ião, e é carga do electrão, 
(x) é a diferença no potencial eléctrico entre a interface
e um ponto P localizado numa certa distância “x” perpendicular à interface; µi
é o potencial químico, ni é a quantidade de iões por m3,
NA é a constante de Avogadro, R é a constante dos gases e T a temperatura
em Kelvin.
é o potencial electroquímico Zi se
refere à carga do ião, e é carga do electrão, (x) é a diferença no potencial eléctrico entre a interface
e um ponto P localizado numa certa distância “x” perpendicular à interface; µi
é o potencial químico, ni é a quantidade de iões por m3,
NA é a constante de Avogadro, R é a constante dos gases e T a temperatura
em Kelvin.
A lei
fundamental que rege as interacções entre espécies carregadas é a Lei de
Coulomb. A interacção entre duas cargas q1 e q2 no vácuo (Fel)
separadas por uma distância r, segue a Equação
O trabalho
necessário para trazer as duas cargas juntas de infinito para uma distância r
é:
Para cargas de
mesmo sinal, w (r) será positivo e a interacção será repulsiva; se a
carga for oposta, a interacção será atractiva.
Se a carga q1
for isolada no espaço, ela produzirá um campo eléctrico em um ponto r,
tal que o trabalho necessário para trazer uma unidade de carga eléctrica do
infinito a uma distância r de q1 será igual:
A quantidade
de trabalho é definida como potencial eléctrico (P) na distância r devido
à carga q1.
Para aplicar a
Lei de Coulomb para soluções de electrólitos e coloides, é necessário empregar
a Lei de distribuição de Boltzmann, que relata a probabilidade de uma unidade
de átomo, molécula, ião ou partícula estar a certo ponto com uma energia livre
específica, relativa a um estado de referência específico. A probabilidade é geralmente
expressa em termos de uma concentração média, c, no ponto r relativo
a uma concentração, c0 , na mesma distância referência que a
energia é tomada como zero. Na temperatura, T, a distribuição de
Boltzmann é dada como:
ATKINS &
De PAULA (2008) “o modelo teórico de DLVO
admite que há um equilibro entre a interacção repulsiva das cargas das duplas
camadas eléctricas sobre as partículas vizinhas e a interacção atractiva das
forças de Van der Walls entre as moléculas nas partículas”. A energia
potencial da repulsão das duplas camadas sobre as partículas de raio a tem a forma:
Vrepulsão= + 
Onde: A é uma constante, 
é o potencial zeta, R
é a separação entre os centros, s é
a separação entre as superfícies das duas partículas (s = R-2a, no caso de
partículas esféricas de raio a) e rD
é a espessura da dupla camada. Essa expressão vale para pequenas partículas com
uma dupla camada expressa (a < rD).
Quando a dupla camada for delgada (a >
rD) a expressão fica:
é o potencial zeta, R
é a separação entre os centros, s é
a separação entre as superfícies das duas partículas (s = R-2a, no caso de
partículas esféricas de raio a) e rD
é a espessura da dupla camada. Essa expressão vale para pequenas partículas com
uma dupla camada expressa (a < rD).
Quando a dupla camada for delgada (a >
rD) a expressão fica:
Vrepulsão=
SHAW (1975) “a
dupla camada eléctrica pode ser encarada geralmente como constituída por duas
regiões, isto é, uma região interna, que pode incluir iões adsorvidos, e uma
região difusa na qual os iões se encontram distribuídos de acordo com a influência
de forças eléctricas e do movimento térmico”.
O tratamento quantitativo mais simples da parte difusa da
dupla camada é o tratamento desenvolvido por Gouy e Chapman, que se baseia no
modelo seguinte.
i.
A
superfície é suposta plana, de extensão infinita e com cargas distribuídas de
maneira uniforme.
ii.
Os
itens na parte difusa da dupla camada são encarados como cargas puntiformes
distribuídas de acordo com a distribuição de Boltzmann.
Onde n+ e n_ são os números de iões positivos e
negativos por unidade de volume, respectivamente, em pontos nos quais o
potencial é ψ(isto é, onde a energia potencial eléctrica é zeψ e -zeψ,
respectivamente), e n0 a correspondente concentração na
solução de cada espécie iónica, k = 1,38 x IO-23 Kj
“Stern propôs um
modelo no qual a dupla camada se divide em duas partes, separadas por um plano
(o plano de Stern), localizado a uma distância da superfície, idêntica ao raio
do íon hidratado; levou ainda em consideração a possibilidade de adsorção
iónica específica” (SHAW, 1975).
Iões adsorvidos especificamente são aqueles ligados à uma
superfície (mesmo temporariamente) por forças electrostáticas e/ou forças de
Van der Waals suficientemente fortes para se sobreporem à agitação térmica.
Esses iões podem estar desidratados, ao menos na direcção da superfície. Os
centros de quaisquer iões adsorvidos especificamente se localizam na camada de
Stern, ou seja, entre a superfície e o plano de Stern. Iões cujos centros se
localizam além do plano de Stern constituem a parte difusa da dupla camada,
para a qual considera-se válido o tratamento de Gouy-Chapman, descrito
anteriormente, substituindo-se ψ0
por 
.
.
O potencial
varia de ψ0 (o
potencial superficial ou da parede) para . (o
potencial de Stern) na camada de Stern, e decresce de até zero na dupla camada difusa. Na ausência de adsorção iónica
específica, as densidades de carga na superfície no plano de Stern são
idênticas, e as capacidades da camada de Stern (C1) e da camada
difusa (C2) são dadas por:
. (o
potencial de Stern) na camada de Stern, e decresce de até zero na dupla camada difusa. Na ausência de adsorção iónica
específica, as densidades de carga na superfície no plano de Stern são
idênticas, e as capacidades da camada de Stern (C1) e da camada
difusa (C2) são dadas por:
De acordo com as deduções matemáticas, chega-se a
seguinte fórmula:
LI (2004) “para dois corpos electricamente neutros e não magnéticos, mantidos
a distâncias entre uma e algumas dezenas de manómetros, predominam estas forças de
atracção a "grandes" distâncias”. Em 1873, Van der Waals postulou a
existência das forças intermoleculares, que ficaram conhecidas pelo seu nome.
As forças atractivas intermoleculares de Van der Waals foram
um sucesso pois permitia a interpretação de propriedades de sistemas gasosos e
comportamentos de transição de fase, ainda que as origens dessas forças não
fossem muito bem entendidas. Explicações satisfatórias para a origem das interacções
de Van der Waals vieram apenas com o advento da mecânica quântica. Fritz London
(1930) descreveu a natureza destas forças e as atribuiu ao movimento
(flutuações) dos electrões dentro das moléculas. As interacções de Van der
Waals, decorrentes especificamente das flutuações dos electrões em moléculas,
ficaram conhecidas com o nome de London, de flutuação de cargas, electrodinâmicas,
ou de dispersão. Elas estão presentes tanto em moléculas apolares como em
moléculas polares. As forças de van der Waals desempenham um papel importante
em todos os fenómenos intermoleculares, embora não seja tão forte quanto as interacções
coulombianas ou ligações de hidrogénio, as interacções de dispersão estão
sempre presentes.
“As forças de Van der Waals governam
as interacções envolvendo uma variedade de moléculas e são responsáveis pela
estabilidade de complexos intermoleculares e adsorção de diferentes elementos
na superfície” (LI, 2004).
Durante a
adesão microbiana, além da interacção electrostática, existem três principais
tipos de forças agindo entre átomos e moléculas em níveis moleculares. Essas
forças são comumente denominadas de Van derem Waals. Dentre as três, duas
envolvem dipolos induzidos e permanentes, e a terceira é considerada a força
mais fundamental e universal, sendo a mais importante contribuição da interacção
total de Van der Waals. Esta força é a chamada London-Van der Waals,
primeiramente postulada por Van der Waals em 1873 e depois explicada por
London em 1930.48 Deste modo, a interacção de Van der Waals entre átomos e
moléculas podem ser de três tipos: dipolo-dipolo, dipolo-dipolo induzido e interacção
de London.
As forças
indutoras ocorrem na interacção entre uma molécula com momento de dipolo
permanente e uma molécula não polar. O campo eléctrico da molécula dipolar
distorce a distribuição de carga eléctrica da outra molécula, produzindo um
momento de dipolo induzido dentro da molécula. A energia resultante desta interacção
é chamada de segunda ordem. Esta contribuição está simultaneamente presente com
a contribuição electrostática no caso da interacção de duas moléculas polares.
As forças
dispersivas ocorrem entre duas moléculas que não possuem momentos de dipolos
permanentes. Embora a molécula não possua momento de dipolo permanente, seus electrões
estão em constante movimento com sua densidade oscilando continuamente no tempo
e espaço.
Deste modo, em qualquer instante, qualquer molécula possui um dipolo eléctrico
instantâneo que flutua como a densidade electrónica flutua. O dipolo
instantâneo numa molécula induz um dipolo instantâneo numa segunda molécula. O
dipolo induzido na segunda molécula interage com o dipolo induzido na primeira
para produzir uma energia atractiva chamada de energia de dispersão.
A força de Van der Waals tem origem na interacção de dipolos eléctricos atónicos
e moleculares, estando associada as flutuações na densidade electrónica dos átomos.
Conforme cita DI BERNARDO et al (1993), “para
dois átomos a força atractiva
de Van der Walls é inversamente proporcional a sétima Potência da distância
entre eles, porém, para duas partículas constituídas de grande número de
átomos, as forças actuantes sobre cada par de átomos são aditivas, resultando
em uma energia de atracão inversamente proporcional ao quadrado da distância
entre as superfícies das partículas”.
O termo estérico refere-se ao arranjo dos átomos
no espaço. DI BERNARDO (2005) “a adsorção
de polímeros na superfície das partículas coloidais ocorre em decorrência da
interacção coulombica (carga carga), por meio de ligações de hidrogénio,
interacções de Van der Waals ou pela combinação destas”. Os polímeros
adsorvidos sobre a superfície das partículas afectam as interacções repulsivas
e as atractivas; no primeiro caso, a repulsão da DCE aumentará se o polímero
estiver ionizado e com o mesmo sinal das partículas; no segundo caso, o
polímero adsorvido pode enfraquecer a força de atracção. Os polímeros
adsorvidos tanto podem estabilizar como desestabilizar, dependendo
principalmente da quantidade relativa de polímero e de partículas, da afinidade
entre o polímero com a partícula e a água e do tipo e da concentração de
electrólitos presentes.
As alças e as caudas (Figura 2)
decorrentes da adsorção de um polímero na superfície da partícula coloidal
geralmente são as partes estabilizadoras da cadeia, uma vez que, dependendo do
tipo de interacção com as partículas ou com a água, podem acarretar o
aparecimento de energia de repulsão, impedindo sua aglomeração. Os segmentos
fixados à superfície são os responsáveis pelo ancoramento da cadeia polimérica,
pois se ligam a sítios superficiais com os quais possuem afinidade (Ibdem, 2005).
Figura
2: Configuração
esquemática de polímeros adsorvidos na superfície de partículas coloidais (Di
Bernardo, 2005).
Quando há interacção entre as superfícies de duas
partículas recobertas por polímeros, que se encontram muito próximos, a
repulsão entre elas pode ocorrer de duas formas (compressão ou interpenetração),
conforme mostra a Figura 3. Em
uma delas, com a colisão entre as partículas, cada camada de polímero pode ser
comprimida, reduzindo o volume disponível para as moléculas adsorvidas e
restringindo o movimento dos polímeros, causando assim, a repulsão entre as
partículas. Na outra, e mais frequentemente, as camadas adsorvidas se
entrelaçam, aumentando a concentração dos segmentos dos polímeros nessa região;
se os segmentos estendidos dos polímeros forem muito hidrofílicos, ocorrerá, preferencialmente,
a reacção entre eles e água, tendendo à repulsão (Ibdem, 2005).
Figura
3: Possibilidade de interacções
repulsivas decorrentes de polímeros adsorvidos na superfície de partículas
coloidais (Di Bernardo, 2005).
Conclusão
Chegados a este ponto de realização de trabalho que tinha
como tema de abordagem: interacção entre
partículas coloidais sem deixar de fora a interacção repulsiva de dupla camada de cargas, a interacção atractiva de Van der Walls, e,
a interacção estérica repulsiva de
camadas de polímeros adsorvidos nas partículas., constatou-se que A elevada concentração de iões positivos próximos à
superfície do colóide é denominada camada de Stern, a partir da qual se forma a
camada difusa, onde a concentração de iões é menor. O potencial eléctrico
causado pela presença do colóide na água diminui com a distância, a partir da
superfície do mesmo, onde é denominado Potencial de Nernst (PN). Stern afirmou
que há uma distância mínima entre a superfície do colóide e os iões de carga
contrária, na qual o potencial eléctrico decresce linearmente; em seguida, a
diminuição resulta exponencial, passando pela fronteira das camadas compacta e
difusa, região em que o potencial eléctrico, segundo Lyklema (1978), é chamado
de Potencial Zeta (PZ).
Em meios aquosos, as forças de interacção
polares devem-se principalmente a interacções entre doadores e receptores de electrões
que representam interacções do tipo ácido-base de Lewis, que são geralmente
designadas por AB.
Limitações
Foi-nos muito difícil de colectar informações
relacionadas com o tema no Google académico, visto que sempre que efectuássemos
pesquisas, o resultado da pesquisa (obras, teses, projectos, etc.) sempre não
iam ao encontro do desejado dificultando-nos assim a idade dos/as (obras,
teses, projectos, etc.), e, difícil ainda foi de localizar informações
detalhadas e especificas relacionadas com tema nos manuais em formato físico
existentes na biblioteca da Universidade Pedagógica
Bibliografia
1.
ATKINS,
Peter William. De Paula, Júlio. Físico-químico. Volume 2. Editora LTC. Rio de Janeiro,
2008
2. DI BERNARDO. L. at al. (1993) — “Métodos
e técnicas de tratamento de água” — Rio de Janeiro: ABES. V.
3. DI BERNARDO. A. S. (2005). Influência
das condições de aplicado de polímeros catiónicos na eficiência da floculação. São
Carlos. Dissertação (Mestrado) — Escola de Engeitharia de São Carlos. Universidade de São Paulo.
4. JAFELICCI. M. Jr., L. C. Varanda; Química Nova na Escola
no 9 (1999).
5. LEE, S.; SIGMUND, W. M.; Colloids Surf., A 2002
6. LI, B.; Logan, B.E.; Colloids Surf., B 2004
7. LICÍNIO, P. e DELAYE, M. Da catarata aos
colóides, Ciência Hoje, v. 6, n. 33, jul/1987
8.
MORREIRA,
L. A. Cálculo de propriedades físico-químicas de sistemas coloidais via equação
de Poisson-Boltzmann: efeito da inclusão de potenciais não-electrostáticos,
2007. Dissertação de mestrado em Tecnologia de processos Químicos e
Bioquímicos, Universidade Federal do Rio de Janeiro.
9. NI,
H.; Amme, R. C.; J. Colloid
Interface Sci. 2003
10. PERUZZO, T.M. e CANTO, E.L. do. Química na abordagem
do quotidiano. 2. Ed. São Paulo: Editora Moderna, 1998.
11. SHAW, D.J. Introdução à química de colóides e de
superfícies. Trad. de J.H. Maar. São Paulo: Edgard Blucher/Edusp, 1975.
12. UBBINK,
J.; Schar-zammaretti, P.; Curr. Opin. Colloid Interface Sci. 2007
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