Dispersión (química)

Las dispersiones no presentan ninguna estructura; es decir, las partículas (o en el caso de emulsiones: gotitas) dispersas en la matriz líquida o sólida (el "medio de dispersión") se supone que están distribuidas estadísticamente. Por lo tanto, para las dispersiones, generalmente se supone que la teoría de la percolación describe apropiadamente sus propiedades.

Sin embargo, la teoría de la percolación solo se puede aplicar si el sistema que debe describir se encuentra en equilibrio termodinámico o cerca de él. Hay muy pocos estudios sobre la estructura de las dispersiones (emulsiones), aunque son abundantes en tipo y se utilizan en todo el mundo en innumerables aplicaciones.

A continuación, se discutirán solo las dispersiones con un diámetro de fase dispersa de menos de 1 µm. Para comprender la formación y propiedades de tales dispersiones (incluidas las emulsiones), se debe considerar que la fase dispersa exhibe una "superficie", que está cubierta ("húmeda") por una "superficie" diferente que, por lo tanto, está formando una interfaz (química). Deben crearse ambas superficies (lo que requiere una gran cantidad de energía), y la tensión interfacial (diferencia de tensión superficial) no compensa la entrada de energía, si es que lo hace.

La evidencia experimental sugiere que las dispersiones tienen una estructura muy diferente de cualquier tipo de distribución estadística (que serían características de un sistema en equilibrio termodinámico), pero en contraste, muestran estructuras similares a la autoorganización, que puede describirse mediante termodinámica de no equilibrio.^[3] Esta es la razón por la que algunas dispersiones líquidas se convierten en geles o incluso en sólidos a una concentración de una fase dispersa por encima de una concentración crítica (que depende del tamaño de partícula y la tensión interfacial). Asimismo, se ha explicado la aparición repentina de conductividad en un sistema de fase conductora dispersa en una matriz aislante.

La dispersión es un proceso mediante el cual (en el caso de un sólido que se dispersa en un líquido) las partículas aglomeradas se separan entre sí y se genera una nueva interfaz entre la superficie interna del medio de dispersión líquido y la superficie de las partículas dispersas. Este proceso se ve facilitado por la difusión molecular y la convección.^[4]

Con respecto a la difusión molecular, la dispersión se produce como resultado de una concentración desigual del material introducido en todo el medio a granel. Cuando el material disperso se introduce por primera vez en el medio a granel, la región en la que se introduce tiene una concentración más alta de ese material que en cualquier otro punto del material. Esta distribución desigual da como resultado un gradiente de concentración que impulsa la dispersión de partículas en el medio de modo que la concentración es constante en todo el volumen. Con respecto a la convección, las variaciones de velocidad entre las trayectorias de flujo en la masa facilitan la distribución del material disperso en el medio.

Aunque ambos fenómenos de transporte contribuyen a la dispersión de un material en la masa, el mecanismo de dispersión es impulsado principalmente por convección en los casos en que hay un flujo turbulento significativo en la masa.^[5] La difusión es el mecanismo dominante en el proceso de dispersión en casos de poca o ninguna turbulencia en la masa, donde la difusión molecular puede facilitar la dispersión durante un largo período de tiempo.^[4] Estos fenómenos se reflejan en eventos comunes del mundo real. Las moléculas de una gota de colorante alimentario agregada al agua eventualmente se dispersarán por todo el medio, donde los efectos de la difusión molecular son más evidentes. Sin embargo, agitar la mezcla con una cuchara creará flujos turbulentos en el agua que acelerarán el proceso de dispersión a través de la dispersión dominada por convección.

El término dispersión también se refiere a la propiedad física del grado en que las partículas se agrupan en aglomerados o agregados. Si bien los dos términos a menudo se usan indistintamente, de acuerdo con las definiciones de nanotecnología ISO, un aglomerado es una colección reversible de partículas débilmente unidas, por ejemplo, por fuerzas de van der Waals o entrelazamiento físico, mientras que un agregado está compuesto de partículas unidas o fusionadas irreversiblemente, por ejemplo a través de enlaces covalentes.^[6] Una cuantificación completa de la dispersión implicaría el tamaño, la forma y el número de partículas en cada aglomerado o agregado, la fuerza de las fuerzas entre partículas, su estructura general y su distribución dentro del sistema. Sin embargo, la complejidad normalmente se reduce comparando la distribución de tamaño medida de las partículas "primarias" con la de los aglomerados o agregados.^[7] Cuando se habla de suspensiones de partículas sólidas en medios líquidos, el potencial zeta se usa con mayor frecuencia para cuantificar el grado de dispersión, considerándose bien dispersas las suspensiones que poseen un valor absoluto alto de potencial zeta.