FISICOQUÍMICA FARMACÉUTICA (0108) UNIDAD 3. SISTEMAS

FISICOQUÍMICA FARMACÉUTICA (0108)
UNIDAD 3.
SISTEMAS DISPERSOS FARMACÉUTICOS.
Mtra. Josefina Viades Trejo
11 de septiembre de 2012
Definición y descripción de sistemas coloidales.
Definición.
¿Qué son los coloides?
Son soluciones de macromoléculas o bien, dispersiones de moléculas
pequeñas que forman agregados. Ejemplos: proteínas, hidratos de carbono
(almidón, celulosa), polímeros sintéticos o naturales; dispersiones de azufre,
KI, Au, óxido férrico etc.
¿Importancia?
Plásticos, gomas, papel, nubes, nieblas, pastas,
cromatografía, alimentos fármacos, emulsiones, gomas,
geles,
espumas,
Descripción.
Su comportamiento está determinado por sus propiedades cinéticas,
eléctricas, ópticas y superficiales.
Fenómenos de transporte = Propiedades cinéticas → forma y tamaño
Tamaño: intermedio entre soluciones típicas y mezclas:
Soluciones →→→ coloides →→
mezclas
0.1 – 1 mµ →→→ 1nm - 1µm →→→ Más de varias µ
Forma:
1. Corpusculares: Macromoléculas globulares (biopolímeros con
interacciones entre cadenas laterales)
a) esferas: a / b = 1 , emulsiones, latex (dispersiones de polímeros
como gomas y plásticos en agua), aerosoles líquidos, casi
esféricas proteínas globulares, soles de oro.
b) Elipsoides: a / b ≠ 1 estas formas son irregulares y se manejan
modelos. Prolatos (cigarro) a / b > 1 es más importante longitud
que diámetro polinucleótidos y polipéptidos y Oblatos (esfera
achatada) a / b < 1 suspensiones de óxido férrico y arcillas
2. Cadenas estadísticas: Cambio continuo de forma en solución, polímeros
sin interacciones entre cadenas laterales, celulosa, colágena de piel,
tendones y huesos, queratina de uñas y pelo, miosina.
1
Flexibilidad:
Es la capacidad de rotación alrededor del enlace que une los átomos.
1. Polímeros lineales: cambio constante de forma, flexibilidad perfecta.
2. Polímeros ramificados: formas más rígidas, mínima flexibilidad.
La flexibilidad es función de dos tipos de interacciones:
1. Polímero-polímero: ovillo más apretado tiende a precipitar.
2. Polímero-disolvente ovillo más desplegado.
Solvatación:
Es la tendencia a mojarse que tiene una partícula coloidal o un grupo
funcional de una macromolécula.
1. Coloides liófilos: solvatación completa.
Precipitados floculesntos
Geles
2. Coloides liófobos: solvatación mínima
Relación Área / Volumen
(superficie específica)
A = 6 x 106 cm2
A = 6 cm2
subdivisión
10-6 cm
1 cm
Sistemas bifásicos y microheterogéneos
2
Clasificación.
1. Dispersiones coloidales: sustancias insolubles agrupadas en masas que
contienen muchas moléculas individuales. Soles de Au, AgI, AS2O3,
aceite en agua. Son termodinámicamente inestables.
2. Soluciones macromoleculares: como soluciones acuosas de proteínas,
polísacáridos o altos polímeros en solventes orgánicos (gomas, resinas,
nylon). Termodinámicamente estables.
3. Coloides de asociación: sustancias solubles de bajo peso molecular que a
una concentración dada se asocian dando agregados coloidales, jabones,
sulfonatos, alquil sulfatos superiores, sales de aminas
Propiedades eléctricas.
Teorías de la doble capa eléctrica.
Origen de la carga:
1. Adsorción: sílice coloidal iones –OH.
2. Ionización: proteínas a ambos lados del pH isoeléctrico.
3. diferencia con la constante dieléctrica del medio.
Los sistemas coloidales con carga, como cualquier electrolito común deben
cumplir con las condiciones de electro neutralidad. El ión coloidal tiene una
carga neta muchas veces mayor que la de los iones pequeños, por lo que
requiere un exceso de contra-iones para lograr la electro neutralidad. Los coiones son los iones de igual signo que el coloide.
Las teorías de la doble capa eléctrica tratan de la distribución de contra iones y
co-iones en las proximidades de una superficie cargada que está en contacto
con un medio.
Cuando hay dos fases de diferente constitución química en contacto, se
establece una diferencia de potencial entre las fases acompañada de separación
de cargas.
Para explicar las teorías sobre la estructura de la doble capa supongamos que
una de las fases es un sólido y la otra una dispersión electrolítica. El sólido
tiene una carga positiva y la solución una carga negativa equivalente; hay
varias posibles distribuciones de la carga, que corresponden a diferentes
valores de potencial:
Doble capa de Helmholtz: La primera posibilidad es que la carga negativa se
localice en un plano a una distancia pequeña δ a la cual el potencial es cero.
3
+
+
+
+
+
+
+
-
Contra iones y co iones
distribuidos homogéneamente
Doble capa eléctrica sólo tiene una
parte fija o compacta
ϕ
δ
x
Doble capa de Gouy-Chapman: No se equilibra la carga positiva a la distancia
δ, sino que la carga negativa equivalente se distribuye de manera difusa por
toda la solución. Esta doble capa se conoce como doble capa difusa.
++
+
++
++
+ -
-
+
-
+
- + - +
+ - + - +
ϕ
Doble capa eléctrica sólo tiene una parte
difusa o móvil
δ
x
Doble capa de Stern: La carga negativa no equilibra suficientemente a la
carga positiva de la superficie a la distancia δ sin embargo el potencial baja
casi a cero en esta región, mientras que el resto de la capa es difusa, esto es
hay una combinación de capa compacta (fija) y difusa (móvil)
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++ +
+
+
++ -
+
-
+
+
-
+
-
+
+
Doble capa eléctrica combinación de una
parte compacta (fija) y difusa (móvil)
ϕ
δ
x
Potencial zeta.
El potencial es el trabajo necesario para mover una carga unitaria hacia un
punto dado.
En el vacío el trabajo es infinito porque la intensidad del campo eléctrico es
constante e independiente de la distancia, pero en las soluciones los iones en el
medio ejercen un efecto de pantalla que disminuye la intensidad del campo
casi a cero a una distancia mínima respecto a la superficie por lo que el seno
de la solución está lo suficientemente alejada para que el potencial sea cero.
A medida que el ión cruza varias capas de solución el trabajo necesario
correspondiente a cada una es el potencial en esa capa.
Potencial de Gouy (ψ0) es el potencial que corresponde a la superficie cargada
es una medida del potencial total de la doble capa.
Potencial de Stern (ψδ) es el potencial correspondiente al límite entre la parte
difusa y la parte compacta de la doble capa.
Potencial zeta o electrocinético (ξ) es el potencial en el plano de corte que
separa la parte fija de la móvil pero dentro de la parte móvil. Es una medida
del trabajo necesario para separar la parte difusa o móvil de la parte fija de la
doble capa.
Estabilidad de coloides.
Como el área interfacial tiende a disminuir todos los sistemas son
parcialmente inestables.
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Son coloides estables aquellos que tienen una agregación de partículas muy
lenta.
La atracción se debe a fuerzas atractivas de van der Waals entre los átomos de
diferentes partículas.
Estabilidad
Repulsión entre dobles
capas eléctricas
Solvatación
La repulsión entre dobles capas eléctricas depende del espesor (δ) de la doble
capa
El valor de δ depende de la concentración y de la valencia de los contra iones
Se define δ como la distancia respecto a la partícula cargada, para la cual el
potencial disminuye l/e = 0.37 de su valor inicial
El aumento de la concentración del contra ión produce compresión de la doble
capa.
El aumento de la valencia del contra ión produce compresión de la doble capa.
Estabilidad de coloides liófobos. Regla de Schulze-Hardy.
Estabilidad de Coloides Liofóbicos
Estabilidad
Repulsión dobles
capas eléctricas
Solvatación
Floculan si se presenta una compresión de la doble capa
eléctrica
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Los coloides liófobos requieren poseer carga para que opere la repulsión entre
dobles capas eléctricas.
+ electrolito = coloide estable
Coloide liófobo
+ exceso de electrolito = floculación
(debido a la compresión de la doble capa)
Regla de Schulze-Hardy
Schulze 1882 estableció que
Diferentes electrolitos dan diferentes valores de floculación.
El ión responsable de la floculación es el contra ión en exceso.
El contra ión en exceso produce una compresión del espesor de la doble capa
Hardy (1900.). El contra ión en exceso es responsable de la floculación.
Su capacidad floculante depende de su valencia pero no de la naturaleza del
contra ión.
Valor de floculación = concentración de floculación rápida (Cfr).
La Cfr es la concentración mínima con la cuál se consigue la floculación
rápida. La Cfr es la misma para iones de igual valencia pero diferente para
iones de valencia mayor o menor.
Cfr del Ca2+ es ± 100 veces menor que la Cfr del Na+.
Debido a la mayor influencia del calcio sobre el espesor de la doble capa
La Regla de Schulze-Hardy se refiere a los dos efectos conjuntos (carga
opuesta y valencia del contra-ión) sobre la estabilidad de un coloide liófobo.
Estabilidad de coloides liófilos.
Estabilidad de Coloides Liofílicos
Estabilidad
Repulsión dobles
capas eléctricas
Solvatación
No requieren la adición de electrolitos, son estables aun si el
potencial zeta se reduce a cero.
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La adición de electrolito aunque no indispensable contribuye a la estabilidad.
A pesar de que un exceso de electrolito comprime la doble capa, no se
produce la coagulación salvo que el contra ión compita con el ión coloidal por
el agua de hidratación.
La capacidad coagulante no depende de la valencia pero si de la naturaleza del
contra ión (su capacidad de hidratación)
Serie Liotrópica o de Hoffmeister.
Precipitación salina.
Aniones:
citrato>tartrato>SO4 2->acetato>Cl->NO-2>I->CNSCationes:
Li+>K+>Na+>NH4+>Mg2+
El orden en ambas series depende de la estructura y
tamaño del ión coagulante y es muy parecido al
orden de hidratación de estos iones.
Teoría DLVO (Deryaguin-Landau-Verwey-Overbeek). Estabilización
electrostática.
La estabilidad del coloide depende de la forma neta de la curva de energía de
interacción del sistema, es decir la suma de la energía atractiva (van der
Waals) y energía repulsiva (repulsión dobles capas) como una función de la
distancia de separación entre partículas.
Para un electrolito uno a uno de valencia z y concentración C0 la densidad de
carga en exceso en un punto de la doble capa de potencial ψ es

 + eΨ 
 − zeΨ 

 − exp
 KT 
 KT 
ρ e = zC 0 exp

Poisson relaciona el exceso de densidad con la variación del potencial
respecto a la distancia
8
δ 2Ψ − ρe
=
ε
δx 2
ε es la permisividad del medio, combinando las dos expresiones se tiene la
ecuación de Poisson-Boltzman que muestra que el potencial en la doble capa
disminuye de forma aproximadamente exponencial con la distancia.
 4 KT 
Ψ=
 exp(− δx )
 ze 
Al disminuir la distancia entre partículas las dobles capas comienzan a
traslaparse los potenciales eléctricos de las dobles capas se vuelven aditivos
incrementando la contribución eléctrica a la energía libre total por tanto hay
repulsión debido a este aumento de energía total.
La forma del potencial de traslape de las dobles capas también es
aproximadamente exponencial respecto a la distancia de separación entre
partículas H
 64C 0 KT 
∆Gelec = 
 exp(−δH )
δ


Si se suma el potencial atractivo de van der Waals y el potencial repulsivo
electrostático se tiene la expresión de del potencial total

 64C 0 KT 
AH
∆GT = 
 exp(−δH ) −
2
δ

 12πH

(
)
Donde AH es la constante de Hamaker para coloides. Resolviendo la ecuación
anterior para diferentes concentraciones de un electrolito, se obtienen una
serie de curvas, los máximos en estas curvas representan barreras energéticas
impuestas por las dobles capas eléctricas, conforme la concentración del
electrolito aumenta la altura de las barreras disminuye.
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Se puede decir que las condiciones para una coagulación rápida (ccc) son
cuando ∆GT=0 y (d∆GT/dH)=0 de modo que
C 0 (ccc)α
1
A z6
2
H
La ecuación anterior concuerda con la regla de Schultze-Hardy predice
relaciones de 1:0.016: 0.00014 para iones de valencia 1, 2 y 3
respectivamente, además conforme AH aumenta la ccc de electrolitos con las
mismas características eléctricas disminuye.
Estabilización estérica.
Un mecanismo de estabilización diferente al de la repulsión de dobles capas,
es la presencia de un coloide liófilo adsorbido en la partícula que proporciona
lo que se conoce como estabilización estérica o entrópica, hay divergencias
en cuanto a que sea el mismo fenómeno la estabilización estérica que la
entrópica.
Al coloide se le conoce como coloide protector no requiere poseer carga
eléctrica para ejercer su efecto pero si deben tener un carácter hidrófilolipófilo y un peso molecular relativamente alto. El resultado neto es la
formación de una capa adsorbida relativamente gruesa que impide un mayor
acercamiento de partículas.
Cuando dos partículas que tienen una capa adsorbida del coloide protector, se
acercan y las capas se empiezan a inter penetrar se pueden producir dos
efectos:
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a) Efecto osmótico debido al incremento en la concentración local de las
especies adsorbidas entre las dos partículas.
b) Efecto entrópico o de restricción de volumen porque las partículas que
interaccionan pierden ciertos grados de libertad debido al
abigarramiento.
El efecto osmótico produce un efecto entálpico desfavorable por la
desolvatación de las partículas al estar más densamente “empacadas”, el
efecto entrópico produce un decremento de entropía. La disminución de
entropía es un efecto desfavorable y para contrarrestarlo las partículas deben
separarse para recuperar grados de libertad y el disolvente se mueve hacia
ellas para resolvatarlas dando por resultado una barrera energética que retarda
el acercamiento de partículas proporcionando un mecanismo estabilizador
muy efectivo.
En un sistema estabilizado exclusivamente por un mecanismo estérico (sin
intervención de cargas eléctricas), la energía neta de interacción está dada por
la suma de las fuerzas atractivas de van der Waals y las interacciones estéricas
repulsivas
∆Gtotal = ∆Gesterica − ∆Gatraccion
Los agentes poliméricos protectores o estabilizadores estéricos deben estar
firmemente anclados en al menos un punto de la partícula o mejor a varios
puntos. Si el anclaje es en un solo punto resultará en un sistema con un “cola
que se mece libremente” proyectándose hacia la solución, si el anclaje
involucra dos o más puntos se formarán varias “lazos o presillas” y algunas
colas libres, aparentemente la primera situación provee una mayor
estabilización debido al mayor alcance de las colas libres, sin embargo con los
lazos al iniciarse la interpenetración habrá el doble de unidades afectadas por
la restricción de volumen produciendo un efecto entrópico más fuerte, no es
posible decir cual configuración es mejor además en un sistema dado ambas
pueden estar presentes.
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Efecto del disolvente: El disolvente juega un papel muy importante en la
efectividad del proceso de estabilización, si la naturaleza del disolvente
cambia de modo que sea mejor disolvente para las unidades monoméricas que
se anclan o sea, para el polímero protector entonces las cadenas pueden estar
más débilmente adsorbidas dificultando la floculación; en cambio si la
naturaleza del disolvente se cambia en forma contraria del grosor de la capa
adsorbida disminuye reduciendo la estabilidad.
Efecto del peso molecular. Debe ser relativamente alto (mayor alcance de las
colas libres = mayor espesor de la capa protectora) pero hasta un límite. Si el
peso molecular es muy alto y además la molécula posee varios sitios de
anclaje, puede unirse a más de una partícula manteniéndolas unidas en lugar
de evitar su unión. Este efecto se conoce como sensibilización o floculación
“puenteada”, especialmente en casos en que la concentración de partículas es
mucho mayor que la del polímero protector.
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