Dispertsio (kimika)

Fase bat baino gehiago dituen materiala, zeinetan faseetako bat gutxienez fin banatutako fase-domeinuz osatuta dagoena, askotan "koloidal tamaina-tartean", "fase jarraituan" zehar sakabanatuta.

IUPAC^[1][2]

Dispertsioa material baten partikula banatuak beste material baten fase jarraitu batean barreiatzen dituen sistema da. Bi faseak egoera berean edo materiaren egoera ezberdinetan egon daitezke.

Dispertsioak modu ezberdinetan sailkatzen dira, partikulen tamaina fase jarraituko partikulen aldean, prezipitazioa gertatzen den ala ez, eta mugimendu browndarraren presentzia barne. Oro har, sedimentatzeko nahiko handiak diren partikulen dispertsioei esekidura deitzen zaie, partikula txikiagoei koloide eta disoluzio deitzen zaien bitartean.

Egitura eta propietateak

Dispertsioek ez dute inolako egiturarik; hau da, matrize likidoan edo solidoan (sakabanaketa-euskarria) barreiatutako partikulak (edo emultsioen kasuan: tantak) estatistikoki banatuta daudela suposatzen da. Hori dela eta, dispertsioetarako, perkolazioaren teoriak haien propietateak egoki deskribatzen dituela suposatzen da, orokorrean.

Hala ere, perkolazioaren teoria deskribatu nahi den sistema oreka termodinamikoan edo gertu badago soilik aplikatu daiteke. Dispertsioen (emultsioen) egiturari buruzko ikerketa oso gutxi daude, nahiz eta mota ugari izan eta mundu osoan zehar hainbat aplikaziotan erabili.

Jarraian, fase dispertsioan 1 µm baino diametroa txikiagoa duten dispertsioak baino ez dira eztabaidatuko. Dispertsio horien eraketa eta propietateak ulertzeko (emultsioak barne), kontuan izan behar da barreiatutako faseak «azalera» bat erakusten duela, «hezea» eta «gainazal» ezberdin batez estalita, beraz, interfase (kimika) bat osatzen ari dena. Gainazal biak sortu behar dira (energia kopuru handia eskatzen duena), eta interfase-tentsioak (azaleko tentsioaren aldea) ez du energia-sarrera konpentsatzen, egiten badu.

Ebidentzia esperimentalek iradokitzen dute dispertsioek oso egitura desberdina dutela edozein banaketa estatistikotik (oreka termodinamikoko sistema baten ezaugarria litzatekeena), baina, aitzitik, autoantolakuntzaren antzeko egiturak erakusten dituzte, termodinamika oreka ezaren bidez deskriba daitezkeenak^[3]. Horregatik, sakabanaketa likido batzuk gel edo solido bilakatzen dira kontzentrazio kritikotik gorako fase barreiatuaren kontzentrazioan (partikulen tamainaren eta aurpegi-tentsioaren arabera). Era berean, matrize isolatzaile batean barreiatutako fase eroaleko sistema batean eroankortasunaren bat-bateko agerpena argitu da.

Dispertsio-prozesua

Dispertsioa aglomeratutako partikulak (likido batean barreiatzen den solido baten kasuan) elkarrengandik bereizten dituen prozesu bat da, eta, sakabanaketa-bitarteko likidoaren barne-gainazalaren eta sakabanatutako partikulen gainazalaren artean, interfaze berri bat sortzen da. Prozesu hori difusio molekularraren eta konbekzioaren bidez errazten da.

Difusio molekularrari dagokionez, sakabanaketa ontziratu gabeko medioan sartutako materialaren kontzentrazio irregular baten ondorioz gertatzen da. Sakabanatuta dagoen materiala, ontziratu gabeko medioan lehen aldiz sartzen denean, sartzen den eskualdeak material horren kontzentrazio handiagoa du materialaren beste edozein lekutan baino. Banaketa irregular horrek kontzentrazio-gradientea sortzen du, eta horrek partikulen sakaanaketa bultzatzen du medioan, kontzentrazioa konstantea izan dadin bolumen osoan. Konbekzioari dagokionez, masaren fluxu-bideen arteko abiadura aldaketek erraztu egiten dute sakabanatutako materiala medioan banatzea.

Bi garraio-fenomenoek material bat masan barreiatzen laguntzen badute ere, sakabanaketa-mekanismoa konbekzioz gidatzen da, batez ere masan fluxu nahasi handia dagoen kasuetan^[4]. Sakabanaketa-prozesuan difusioa da mekanismo nagusia masaren turbulentzia gutxi edo bat ere ez dagoen kasuetan, non difusio molekularrak denbora luzean sakabanatzea erraztu dezakeen. Fenomeno horiek mundu errealeko gertakari arruntetan islatzen dira. Urari gehitutako elikagaien koloratzaile tanta baten molekulak, azkenean, medio osoan barreiatuko dira, non difusio molekularraren ondorioak nabarienak diren. Hala ere, nahasketa koilara batekin eragitean, konbekzioa nagusi den sakabanaketaren bidez prozesua bizkortuko duten jario nahasia sortuko da uretan.

Dispertsio-maila

Dispertsio terminoak partikulak aglomeratu edo agregatuetan elkartzen diren mailaren propietate fisikoari ere egiten dio erreferentzia. Askotan bi terminoak elkarren artean erabili ohi diren arren, ISO nanoteknologiaren definizioen arabera, aglomeratua lotzen diren partikulen bilduma itzulgarria da, esaterako, van der Waals-en indarren edo korapilatze fisikoaren bidez; agregatu bat, berriz, modu itzulezinean loturiko edo batutako partikulek osatzen dute, adibidez, lotura kobalenteen bidez. Dispertsioaren kuantifikazio osoa izango litzateke: aglomeratu edo agregatu bakoitzeko partikulen tamaina, forma eta kopurua, partikulen arteko indarren indarra, haien egitura orokorra eta sistemaren barruan duten banaketa. Dena den, konplexutasuna murrizten da normalean partikula «primarioen» neurtutako tamaina-banaketa aglomeratuen edo agregatuenarekin alderatuz^[5]. Komunikabide likidoetan dauden partikula solidoen suspentsioei buruz hitz egiten denean, gehienetan, zeta potentziala erabiltzen da dispertsio-maila kuantifikatzeko, zeta-potentzialaren balio absolutu handiko suspentsioak ondo sakabanatuta daudela iritzita.

Dispertsio motak

Disoluzio batek beste batean sakabanatutako material baten nahasketa homogeneoa deskribatzen du. Sakabanatuta dauden partikulak ez dira finkatuko disoluzioa denbora luzez ukitu gabe uzten bada.

Koloidea fase bat beste batean egindako nahaste heterogeneoa da, non partikulak sakabanatuta egon ohi diren. Disoluzioak bezala, sakabanatutako partikulak ez dira finkatuko hura denbora luzez ukitu gabe uzten bada.

Suspentsioa partikula handiagoen sakabanaketa heterogeneoa da medio batean. Disoluzioak eta koloideak ez bezala, denbora luzez gelditzen badira, esekitako partikulak nahastetik kanpo finkatuko dira.

Suspentsioak, disoluzioetatik eta koloideetatik bereizteko nahiko errazak diren arren, zaila izan daiteke disoluzioak koloideetatik bereiztea, medioan barreiatutako partikulak txikiegiak izan daitezkeelako giza begiak bereizi ahal izateko. Horren ordez, Tyndall efektua erabiltzen da disoluzioak eta koloideak bereizteko. Literaturan emandako disoluzioen, koloideen eta suspentsioen hainbat definizio direla eta, zaila da sailkapen bakoitza partikula-tamaina-tarte zehatz batekin etiketatzea.

Partikulen tamainaren sailkapenaz gain sakabanaketa-fasearen eta partikulak esekita dauden fase ertainaren konbinazioaren bidez ere etiketa daitezke dispertsioak. Aerosolak gas batean sakabanatutako likidoak dira; solidoak likidoetan dauden solidoak dira; emultsioak likidoetan barreiatutako likidoak dira (zehazkiago, nahasi ezin diren bi likidoren barreiapena), eta gelak solidoetan barreiatutako likidoak dira.

Osagaien faseak		Nahaste homogeneoa	Nahaste heterogeneoa
Sakabanatutako materiala	Etengabea ertaina	Irtenbidea: Rayleigh sakabanatze efektua argi ikusgaian	Koloidea (partikula txikiagoak): Tyndall efektua gainazaletik gertu dagoen argi ikusgaian	Esekidura (partikula handiagoak): argi ikusgaian eragin nabarmenik ez
Gasa	Gasa	Gas nahasketa: airea (oxigenoa eta nitrogenoan dauden beste gas batzuk)
Likidoa			Aerosolak: lainoa, gandua, lurruna, ile-espraiak, aire hezea	Aerosolak: euria (ortzadarrak ere sortzen ditu ur tantetan, errefrakzioz)
Solidoa			Aerosol solidoa: kea, hodeiak, aire partikulak .	Aerosol solidoa: hautsa, hondar-ekaitza, izotz-lainoa, hodei piroklastikoa
Gasa	Likidoa	oxigenoa uretan	Aparra: esnegain harrotua, bizarra egiteko krema	Apar burbuila, ura irakiten, freskagarriak eta edari karbonatatuak
Likidoa		Edari alkoholdunak (koktelak), almibarrak	Emultsioa: miniemultsioa, mikroemultsioa, esnea, maionesa, esku krema, xaboi hidratatua	Xaboi-burbuila baten emultsio ezegonkorra (giro-tenperaturan, ura lurruntzeak eragindako argiaren efektu irideszentea; esekidura likidoa oraindik burbuilaren barruko eta kanpoaldeko gasarekin gainazaleko tentsioaren bidez mantentzen da, eta surfaktanteen efektuak murrizten dira lurruntzean; azkenean, burbuila lehertu egingo da emulsio gehiagorik ez dagoenean, eta mizelen zizaila-efektuak uraren lurruntzeak galdutako gainazaleko tentsioa gaindituko du)
Solidoa		azukrea uretan	Eguzkia: pigmentu tinta, odola	Lokatza (uretan esekitako lur, buztin edo lupetz partikulak, lahar, hare mugikor), igeltsu heze / zementua / hormigoia, uretan esekita dagoen klarion-hautsa, laba-jarioa (harri urtu eta solidoaren nahasketa), izozki urtua
Gasa	Solidoa	Hidrogenoa metaletan	Apar solidoa: aerogela, poliestireno aparra, pumi-harria
Likidoa		Amalgama (merkurioa urrea), hexanoa parafina argizarian	Gela: agar, gelatina, silize gel, opaloa; izozki izoztua
Solidoa		Aleazioak, plastifikatzaileak plastikoetan	Eguzki sendoa: Urre-rubi beira	harri naturalak, igeltsu lehorra/zementua/hormigoia, izoztutako xaboi-burbuilak

Dispertsioen adibideak

Esnea emultsio baten adibidea da, likido baten sakabanaketa mota espezifikoa beste likido batean, non bi likido nahasezinak diren. Esnean esekita dauden gantz molekulek bitamina eta nutriente liposoluble garrantzitsuak emateko modua eskaintzen dute amarengandik jaioberrira^[6]. Esnearen tratamendu mekaniko, termiko edo entzimatikoek gantz-globulu horien osotasuna manipulatzen dute, eta, ondorioz, esneki ugari sortzen dira^[7].

Oxido-dispertsioa indartzeko (ODS) aleazioa oxido-partikulak metalezko medio batean barreiatzeko adibide bat da, eta horrek materialaren tenperatura altuko tolerantzia hobetzen du. Hori dela eta, aleazio horiek hainbat aplikazio dituzte energia nuklearraren industrian, non materialek, funtzioa mantentzeko, oso tenperatura altuak jasan behar dituzten.

Kostaldeko akuiferoen degradazioa, akuiferoa gehiegi erabiltzearen ondoren, itsasoko ura sartzearen eta sakabanatzearen ondorio zuzena da. Akuiferoa gizakiaren erabilerarako agortzen denean, beste eremu batzuetatik mugitzen diren lurpeko urak berritzen dira, berez. Kostaldeko akuiferoen kasuan, ur-hornidura berritzen da, bai lur-mugatik alde batetik, bai itsaso-mugatik beste aldetik. Gehiegizko isurketaren ondoren, itsasoaren mugako ur gaziak akuiferoan sartuko dira, eta ur gezako medioan barreiatuko dira, gizakiak erabiltzeko akuiferoaren bideragarritasuna mehatxatuz^[8]. Itsasoko ura kostaldeko akuiferoetan ez sartzeko hainbat irtenbide ezberdin proposatu dira, besteak beste, karga artifizialaren ingeniaritza metodoak zein itsas mugan hesi fisikoak ezartzea^[9].

Sakabanatzaile kimikoak petrolio-isurietan erabiltzen dira isurketaren ondorioak arintzeko eta petrolio-partikulen degradazioa sustatzeko. Sakabanatzaileek, ur-azalean dauden olio-putzuak, uretan barreiatzen diren tanta txikiagoetan isolatzen dituzte modu eraginkorrean, eta uretako petrolio-kontzentrazio orokorra murrizten dute, itsasoko biologian eta kostaldeko faunan kutsadura edo eragin gehiago saihesteko^[10].

Erreferentziak

1.  doi:10.1351/PAC-REC-10-06-03..
2. Richard G. Jones, ed. ISBN 978-0-85404-491-7..
3. NALWA, H. (2000). «Index for Volume 3» Handbook of Nanostructured Materials and Nanotechnology. Elsevier, 585–591 or.  doi:10.1016/b978-012513760-7/50068-x. ISBN 9780125137607..
4. Mauri, Roberto. (May 1991). «Dispersion, convection, and reaction in porous media» Physics of Fluids A: Fluid Dynamics 3 (5): 743–756.  doi:10.1063/1.858007. ISSN 0899-8213. Bibcode: 1991PhFlA...3..743M..
5. Powers, Kevin W.; Palazuelos, Maria; Moudgil, Brij M.; Roberts, Stephen M.. (2007-01-01). «Characterization of the size, shape, and state of dispersion of nanoparticles for toxicological studies» Nanotoxicology 1 (1): 42–51.  doi:10.1080/17435390701314902. ISSN 1743-5390..
6. Singh, Harjinder; Gallier, Sophie. (July 2017). «Nature's complex emulsion: The fat globules of milk» Food Hydrocolloids 68: 81–89.  doi:10.1016/j.foodhyd.2016.10.011. ISSN 0268-005X..
7. Lopez, Christelle. (2005-07-01). «Focus on the supramolecular structure of milk fat in dairy products» Reproduction, Nutrition, Development 45 (4): 497–511.  doi:10.1051/rnd:2005034. ISSN 0926-5287. PMID 16045897..
8. Frind, Emil O.. (June 1982). «Seawater intrusion in continuous coastal aquifer-aquitard systems» Advances in Water Resources 5 (2): 89–97.  doi:10.1016/0309-1708(82)90050-1. ISSN 0309-1708. Bibcode: 1982AdWR....5...89F..
9. Luyun, Roger; Momii, Kazuro; Nakagawa, Kei. (2011). «Effects of Recharge Wells and Flow Barriers on Seawater Intrusion» Groundwater 49 (2): 239–249.  doi:10.1111/j.1745-6584.2010.00719.x. ISSN 1745-6584. PMID 20533955..
10. Lessard, R.R; DeMarco, G. (Feb 2000). «The Significance of Oil Spill Dispersants» Spill Science & Technology Bulletin 6 (1): 59–68.  doi:10.1016/S1353-2561(99)00061-4..

Kanpo estekak