Humo sobre la ciudad de Vancouver. Foto de Mathew Grapengieser. Flickr Creative Commons.
—Maestra, ¿el humo es un gas?
La carita del chico revela que él ya sabe que el humo no es un gas, pero quizá ha tenido una polémica con algún compañero y quiere estar ciento por ciento seguro, posiblemente obtener más información para dar el argumento definitivo.
—No, el humo no es un gas. Es un coloide. ¿Sabes lo que es eso?
Se me queda viendo, en espera de una explicación. Se la doy y una gran sonrisa le ilumina el rostro; va a ganar el debate sin duda. Voy a darles a ustedes la misma explicación (pero un tanto más amplia, que es una de las ventajas de poner las cosas por escrito).
En lo que se conoce en química como solución, las partículas de la sustancia disuelta, es decir, el soluto, son de tamaño molecular. Podemos decir que las moléculas del soluto y el solvente se encuentran entremezcladas de manera homogénea.
A mediados del siglo xix, el químico italiano Francesco Selmi (1817-1881) emprendió trabajos con varias sustancias como el sulfuro de plata y el azul de Prusia, que son muy poco solubles, y demostró que en ciertas condiciones es posible obtener lo que parecían ser soluciones de esas sustancias. Estas soluciones aparentes se parecían en mucho a las de albúmina, cola o almidón. En 1861, el químico escocés Thomas Graham (1805-1869) hizo notar que las sustancias presentes en estas soluciones coloidales se difunden muy lentamente, lo cual quiere decir que las partículas presentes en una solución coloidal tienen que ser más grandes que aquéllas presentes en una solución verdadera. Graham, por cierto, fue el primero en usar el término coloide en relación con estos sistemas.
Hubo algo de polémica; en la ciencia siempre la hay a todos los niveles, no sólo entre chicos escolares. La cuestión era si se podía considerar a las soluciones coloidales sencillamente soluciones con partículas muy grandes. Graham demostró que las soluciones coloidales no pueden pasar el papel pergamino, mientras que los solutos de una solución verdadera sí pasan. Inventó así el proceso conocido como diálisis, el cual hace posible separar coloides de un sistema que contiene tanto coloides como sustancias en solución verdadera. Es éste el principio que se utiliza en medicina para la hemodiálisis, el llamado lavado de la sangre, inventado en plena Segunda Guerra Mundial por un médico holandés.
Paciente durante el procedimiento de diálisis.
Había otra dificultad. En ninguna solución coloidal vista al microscopio, aun con la máxima ampliación, era posible ver las partículas grandes que eran de esperarse si Graham tenía razón. Esto se resolvería más adelante con la invención del ultramicroscopio, asunto al que volveré en unos momentos.
Trabajos posteriores permitieron determinar el tamaño de las partículas coloidales, que resultó ser más o menos entre 1 y 200 nanómetros (un nanómetro es igual a la milmillonésima parte de un metro o una milésima de micra). Y justamente en la actualidad definimos una dispersión coloidal —o simplemente coloide— como un sistema en el que una sustancia dividida en partículas ubicadas dentro de ese rango de tamaños se halla dispersa en otra sustancia, a la que se llama sustancia dispersora o medio de dispersión. También es frecuente referirse a los componentes de un sistema coloidal como fase dispersa y fase dispersante.
Los coloides se hallan en una posición intermedia entre las dispersiones gruesas (suspensiones y emulsiones con partículas de tamaño mayor a 0.1 de micra) y las soluciones verdaderas (partículas de tamaño menor a 0.001 de micra). Las partículas coloidales pueden consistir de muchos átomos, iones o moléculas agrupados, pero también pueden ser moléculas gigantes, pues hay sustancias cuyas moléculas son tan grandes que caen en el rango de partícula coloidal, como ocurre con algunas proteínas y polisacáridos. Hay un cierto tipo de agregados de moléculas, llamados micelas, que forman la fase dispersa de muchos coloides.
Michael Faraday. Retrato al óleo pintado por Thomas Phillips en 1842. Wikimedia Commons.
El tamaño de las partículas coloidales produce una de las características distintivas de las dispersiones coloidales. A menos que estén muy diluidas, estas dispersiones se ven opacas o turbias, pues las partículas coloidales, por su tamaño, dispersan la luz con bastante eficacia. Si un rayo de luz atraviesa el coloide, las partículas coloidales dispersan la luz hacia los lados, en ángulo recto a la dirección del rayo, lo cual nos permite ver el rayo de luz en el coloide cuando lo observamos de lado. Este fenómeno se conoce como efecto Tyndall-Faraday, en honor a sus descubridores, Michael Faraday (1791-1867) y John Tyndall (1820-1893).
En dicho efecto se basa el ultramicroscopio, invención que le valió a Richard Adolf Zsigmondy (1865-1929) el Premio Nobel de Química en 1925. A través del ultramicroscopio se observa la luz que dispersan las partículas coloidales. No se ven éstas directamente, sino los patrones de difracción que producen.
Pueden encontrar una breve biografía de Zsigmondy aquí.
Los coloides en que las partículas coloidales están dispersas en agua se conocen como hidrocoloides. Los hidrocoloides pueden tomar la forma de sol o de gel. En la forma de sol, el coloide presenta en lo principal las características de un líquido; es el coloide más parecido a una solución común. En la forma de gel, el hidrocoloide presenta las características básicas de un sólido.
Hay hidrocoloides reversibles, que pueden existir en cualquiera de los dos estados y alternar entre sol y gel. Un ejemplo de éstos es el agar, polisacárido que se extrae de ciertas algas marinas. El agar forma un gel cuando se dispersa en agua y se usa para solidificar medios de cultivo de microorganismos, así como para espesar alimentos (¡aunque también es laxante!)
El medio de dispersión de un coloide no tiene que ser por fuerza un líquido. Tenemos coloides en los que un líquido o un sólido se encuentra disperso en un gas. Como el aire es el medio de dispersión más común de estos coloides, los llamamos aerosoles.
La niebla es un coloide; el humo es otro.
La niebla es un aerosol formado por partículas de agua dispersas en el aire. En el caso del humo, lo que tenemos es un aerosol formado por partículas sólidas resultantes de la combustión incompleta de un combustible, dispersas en el aire.
Hay también sólidos dispersos en sólidos, como el ópalo y el rubí. Hay una familia de sistemas coloidales complejos en los que es prácticamente imposible distinguir entre fase dispersa y fase dispersante, ya que ambas están formadas de retículas entrelazadas. Hay coloides múltiples, en los que coexisten varias fases dispersas; entre ellos figuran biocoloides como la leche. Ciertos productos no se pueden clasificar sencillamente como soles, emulsiones o espumas, dado que contienen las tres dispersiones al mismo tiempo.
A decir verdad, muchos de los materiales que nos rodean —y un buen número de los que llevamos dentro— son coloides. Entre ellos se cuentan productos de limpieza, medicamentos, gelatinas, pinturas, tintas, pegamentos, etc. La elaboración de muchas fibras sintéticas, como el nailon, depende del uso de coloides. Lo mismo se puede decir de multitud de alimentos procesados.
La ciencia de los coloides es esencial para entender los procesos biológicos. Por mencionar un ejemplo, la formación de micelas es indispensable para la absorción de ciertos lípidos, como la lecitina, y de vitaminas liposolubles, como la A y la D, en nuestro organismo. Las funciones celulares dependen asimismo de las propiedades de los coloides. El citosol, la porción fluida del citoplasma, es una dispersión coloidal; el plasma sanguíneo es otra.
La ciencia de los coloides está en pleno florecimiento. Basta pensar un momento en las dimensiones de las partículas coloidales para darse cuenta de que la ciencia de los coloides está muy relacionada con lo que se conoce hoy día como nanotecnologías. Aunque no es la única ciencia que interviene en este campo tecnológico —otras, como la física del estado sólido, también tienen un papel central—, la ciencia de los coloides ha aportado las bases para crear sistemas avanzados de diagnóstico, métodos refinados de administración de fármacos, biomateriales, productos industriales novedosos, etc.
Lecturas
A los estudiantes de bachillerato que quieran adentrarse en la ciencia de los coloides les sugiero leer el amplio e instructivo capítulo que le dedican R. E. Dodd y P. L. Robinson en su libro Química inorgánica experimental, publicado por Editorial Reverté.
A los que ya se sientan familiarizados con el tema quizá les convenga seguir con Principles of colloid and surface chemistry, de Paul C. Hiemenz y Raj Rajagopalan.
Otro libro sumamente recomendable es The Colloidal domain: where physics, chemistry, biology and technology meet, de D. Fennell Evans y Hakan Wennerström.
Por lo demás, abundan los trabajos sobre aspectos específicos de la ciencia de los coloides y sus aplicaciones tecnológicas, aptos para estudiantes que dominen ya los fundamentos. Pueden buscarlos en bibliotecas, librerías especializadas y en la red (usando la sección de búsqueda de libros de Google, por ejemplo).
El dibujo del paciente durante el procedimiento de diálisis fue tomado del sitio Enfermos Renales. La fotografía de la niebla es obra de Peter Roome y se publica aquí con su amable permiso.
Maestra Delia 