Colloidi e stabilità: la teoria DLVO

Perché il latte resta omogeneo e non si separa, mentre l’acqua fangosa di un fiume prima o poi deposita il fango? Perché aggiungendo un sale a una vernice all’acqua questa “impazzisce” e flocculа? La risposta sta nella stabilità dei colloidi, governata da un delicato equilibrio di forze descritto da una delle teorie più importanti della chimica delle superfici: la teoria DLVO.

Vediamo che cos’è un colloide, quali forze tengono insieme (o fanno collassare) una dispersione, e come si controlla la stabilità nella pratica.

Che cos’è un colloide

Un colloide è una dispersione di particelle molto piccole (tra circa 1 nanometro e 1 micrometro) in un mezzo continuo. Sono più grandi delle molecole in soluzione ma troppo piccole per sedimentare rapidamente: restano sospese, animate dal moto browniano. Latte, sangue, vernici, inchiostri, nebbia, fumo, gel, molti alimenti e cosmetici sono colloidi. La caratteristica che li definisce è l’enorme superficie delle particelle disperse: ancora una volta, è la chimica delle superfici a comandare.

Due forze in competizione

Il destino di un colloide — restare disperso o aggregarsi — dipende dalla competizione tra due forze che agiscono tra le particelle. Da un lato le forze attrattive di van der Waals, sempre presenti, che tendono a far avvicinare e aggregare le particelle. Dall’altro le forze repulsive, dovute al fatto che le particelle hanno spesso una carica superficiale dello stesso segno e quindi si respingono. La stabilità del colloide dipende da quale delle due prevale.

La teoria DLVO

La teoria DLVO (dai nomi di Derjaguin, Landau, Verwey e Overbeek) mette insieme questi due contributi, sommandoli per ottenere l’energia di interazione totale tra due particelle in funzione della loro distanza.

V_totale = V_repulsione + V_attrazione

Come si destabilizza un colloide

Spesso, in pratica, si vuole proprio far aggregare le particelle: per chiarificare un’acqua, separare un precipitato, depurare un refluo. Il modo più efficace è abbassare la barriera repulsiva, e ci sono diverse strade. Aggiungere un elettrolita (un sale) comprime lo strato di carica attorno alle particelle e riduce la repulsione: è il motivo per cui i sali fanno “coagulare” i colloidi (e per cui i fiumi depositano i sedimenti quando incontrano l’acqua salata del mare, formando i delta). Gli ioni con carica più alta sono molto più efficaci. In alternativa si usano flocculanti (spesso polimeri) che fanno da ponte tra le particelle aggregandole in fiocchi.

Stabilizzazione sterica

Oltre alla repulsione elettrostatica, esiste un secondo modo di stabilizzare i colloidi, particolarmente utile quando la carica non basta o l’ambiente è ricco di sali: la stabilizzazione sterica. Rivestendo le particelle con catene polimeriche o tensioattivi, si crea una barriera fisica: quando due particelle si avvicinano, gli strati di polimero si compenetrano e si oppongono, impedendo il contatto. È il meccanismo che stabilizza molte vernici, inchiostri e formulazioni in ambienti dove la stabilizzazione elettrostatica fallirebbe. Spesso i due meccanismi — elettrostatico e sterico — si combinano (stabilizzazione “elettrosterica”) per ottenere dispersioni robuste in condizioni difficili.

Perché conta nella pratica

La stabilità dei colloidi è cruciale in moltissimi settori. Nel trattamento delle acque la coagulazione-flocculazione è il passo fondamentale per chiarificare e depurare. Nelle vernici, inchiostri e pigmenti la stabilità della dispersione determina la qualità e la durata del prodotto. Negli alimenti e nei cosmetici governa la consistenza e la conservazione. In farmaceutica riguarda sospensioni e formulazioni. Saper prevedere quando un colloide sarà stabile o collasserà — e come pilotare l’una o l’altra condizione con sali, polimeri o pH — è una competenza pratica di grande valore, che evita prodotti difettosi e processi di separazione inefficienti.

Domande frequenti

Che cos’è un colloide?

È una dispersione di particelle molto piccole (tra circa 1 nm e 1 µm) in un mezzo continuo: troppo piccole per sedimentare rapidamente, troppo grandi per essere in vera soluzione. Latte, sangue, vernici, nebbia, fumo e gel sono colloidi. Il loro comportamento è dominato dall’enorme superficie delle particelle.

Cosa dice la teoria DLVO?

Che la stabilità di un colloide dipende dalla somma di due forze tra le particelle: l’attrazione di van der Waals e la repulsione elettrostatica dovuta alla loro carica. Se la repulsione crea una barriera di energia abbastanza alta, le particelle non si aggregano e il colloide è stabile; se la barriera è bassa, collassa.

Perché i sali fanno aggregare i colloidi?

Perché gli ioni del sale comprimono lo strato di carica attorno alle particelle, riducendo la repulsione elettrostatica e abbassando la barriera di energia. Così le particelle riescono ad avvicinarsi e ad aggregarsi. Gli ioni con carica più alta sono molto più efficaci. È il principio della coagulazione nel trattamento delle acque.

Qual è la differenza tra coagulazione e flocculazione?

La coagulazione abbassa la repulsione tra le particelle (tipicamente con sali) facendole avvicinare e aggregare in piccoli ammassi; la flocculazione usa polimeri che fanno da ponte tra le particelle, legandole in fiocchi più grandi e facili da separare. Nel trattamento delle acque i due processi si usano spesso in sequenza.

Che cos’è la stabilizzazione sterica?

È la stabilizzazione di un colloide ottenuta rivestendo le particelle con catene polimeriche o tensioattivi, che creano una barriera fisica all’aggregazione: avvicinandosi, gli strati si oppongono al contatto. È utile dove la stabilizzazione elettrostatica fallirebbe, per esempio in ambienti ricchi di sali, ed è molto usata in vernici e inchiostri.