Поверхностные явления: полный конспект

Коллоидная химия - раздел физической химии, изучающий поверхностные явления и дисперсные системы.

Дисперсными называют системы, состоящие из дисперсной фазы (совокупности раздробленных частиц вещества, которого в системе меньше) и непрерывной дисперсионной среды (вещества, которого в системе больше), содержащей во взвешенном состоянии эти частицы.

Высоко дисперсные системы являются гомогенными, потому что между частицами дисперсной фазы и дисперсионной средой отсутствует поверхность раздела фаз. Низко дисперсные системы являются гетерогенными, потому что между дисперсионной средой и частицами дисперсной фазы существует поверхность раздела фаз.

2 признака дисперсных систем

1) дисперсность (D):

где D - дисперсность; α - наименьший размер частиц дисперсной фазы.

2) огромная удельная (=относительная) площадь поверхности (S уд.):

где S уд. - удельная площадь поверхности (м²/м³); S общ. - общая площадь поверхности (м²); V системы - объём системы (м³).

Истинные растворы - гомогенные системы с размером частиц:

• = 10⁻¹² м (ионная дисперсность);
• = от 10⁻¹¹ до 10⁻¹⁰ м (молекулярная дисперсность).

Коллоидные системы - гетерогенные системы с размером частиц:

• = от 10⁻⁹ до 10⁻⁷ м (ультрамикрогетерогенная дисперсность - наносистемы или коллоидные растворы, золи);
• = от 10⁻⁶ до 10⁻⁴ м (микрогетерогенная дисперсность - грубодисперсные коллоиды - воспринимается глазом как помутнение раствора, частицы можно разглядеть в микроскоп).

Грубодисперсные системы - гетерогенные системы с размером частиц:

• >10⁻⁴ м (физические тела).

Жидкие системы организма - это коллоидные системы. В состав структур центральной нервной системы и глазного яблока входят гели (тоже один из видов коллоидных систем).

Кровь, лимфа, спинномозговая жидкость - это коллоидные системы, в которых белки, холестерол, гликоген, желчные кислоты и жирные кислоты находятся в коллоидном состоянии.

Кровь - сложная дисперсная система.

• Дисперсионная среда крови - плазма крови - состоит из воды (92 %), в которой содержатся хорошо растворимые белки (6 %), органические продукты метаболизма, неорганические компоненты в виде ионов Na⁺, K⁺, Ca²⁺, Mg²⁺, Cl⁻, (SO₄)²⁻, (H₂PO₄)⁻ и других (2 %).
• Дисперсная фаза в крови - микрогетерогенная фракция состоит из форменных элементов или клеток крови (эритроцитов, тромбоцитов, лейкоцитов) и коллоидных частиц малорастворимых веществ (например, уратов - кальциевых солей мочевой кислоты).
• Дисперсная фаза в крови - коллоидная ультрамикрогетерогенная фракция образована мицеллами, состоящими из липопротеинов и белков.

Наномедицина

Многие материалы, используемые в медицине - это наноматериалы, так как чем меньше частица, тем больше её удельная (=относительная) площадь поверхности (S уд.).

Поверхностные явления - это те эффекты и особенности поведения веществ, которые возникают на поверхности раздела фаз.

Многие жизненно-важные для организма биохимические процессы происходят на поверхности биологических мембран.

где G сист. - энергия Гиббса системы; G v - энергия Гиббса объёмной фазы; G s - поверхностная энергия Гиббса.

Поверхностная энергия Гиббса (G s) - избыток энергии Гиббса поверхностного слоя молекул коллоидной частицы дисперсной фазы или физического тела, обусловленный неполной уравновешенностью сил межмолекулярного притяжения у молекул поверхностного слоя вследствие их слабого взаимодействия с дисперсионной средой (а молекулы более глубоких слоёв коллоидной частицы дисперсной фазы или физического тела не взаимодействуют с дисперсионной средой).

где G s - поверхностная энергия Гиббса; σ - поверхностное натяжение; S уд. - площадь удельной поверхности.

Поверхностная энергия Гиббса (G s) может снижаться

• за счёт уменьшения S уд. вследствие:

1. образования частиц сферической формы (в отсутствие гравитации капля жидкости приобретает сферическую форму),
2. укрупнения частиц при коагуляции - слипании, агрегации твёрдых частиц - или коалесценции - слиянии капель жидкости (например, при образовании облаков и выпадении атмосферных осадков);

• за счёт уменьшения поверхностного натяжения при сорбционных явлениях.

Поверхностное натяжение (σ) - межмолекулярные силы, действующие на молекулу в поверхностном слое (коллоидной частицы дисперсной фазы или физического тела) и в объёме жидкости.

Поверхностное натяжение (σ) - сила, действующая на поверхность по касательной и стремящаяся сократить свободную поверхность до минимально возможных пределов при данном объёме коллоидной частицы дисперсной фазы или физического тела - это силовой аспект σ (Н/м).

Поверхностное натяжение (σ) - величина энергии Гиббса, приходящаяся на единицу площади поверхностного слоя молекул коллоидной частицы дисперсной фазы или физического тела; численно равна работе, которую необходимо совершить для образования единицы площади поверхности раздела фаз при постоянной температуре - это энергетический аспект σ (Дж/м²).

Плазма крови имеет значительно более низкое поверхностное натяжение, чем вода или физиологический раствор, так как содержит различные поверхностно-активные вещества, снижающие поверхностное натяжение (σ).

Поверхностная активность (g) - способность растворённых веществ изменять поверхностное натяжение (σ) растворителя.

где g - поверхностная активность; σ - поверхностное натяжение; C - концентрация.

Поверхностная активность (g) зависит от длины и строения углеводородного радикала.

Правило Дюкло-Траубе

Поверхностная активность (g) веществ одного и того же гомологического ряда увеличивается в 3-3,5 раза при увеличении углеводородной цепи на 1 группу -CH₂-.

Поверхностно-активные вещества (ПАВ)

снижают поверхностное натяжение жидкостей.

дифильное (=амфифильное) строение молекулы ПАВ.

Классификация ПАВ

• Анионактивные ПАВ, полярная группа - кислотная:

1. соли высших карбоновых кислот с общей формулой CₙH₂ₙ₊₁COONa - мыла (n>10);
2. алкиларилсульфонаты (n>10), например, додецилбензолсульфонат натрия C₁₂H₂₅C₆H₄SO₃Na;
3. алкилсульфонаты с общей формулой CₙH₂ₙ₊₁OSO₃Na (n>10), например, додецилсульфонат натрия C₁₂H₂₅SO₃Na.

• Катионактивные ПАВ, полярная группа - катион:

1. соли тетраалкиламмония с общей формулой [CₙH₂ₙ₊₁N⁺(R₃)]x⁻ (n>8);
2. соли алкилпиридиния (n>8), например, цетилпиридинийбромид [C₁₆H₃₃C₅H₅N⁺]Br⁻.

• Неионогенные ПАВ - полиоксиэтиленовые производные:

1. спиртов с общей формулой CₙH₂ₙ₊₁O(CH₂CH₂O)ₘH;
2. кислот с общей формулой CₙH₂ₙ₊₁COO(CH₂CH₂O)ₘH;
3. фенолов с общей формулой C₆H₅O(CH₂CH₂O)ₘH.

Зависимость поверхностного натяжения (σ) от концентрации (C) для ПИВ, ПНВ и ПАВ

где C - концентрация; σ - поверхностное натяжение.

ПИВ - поверхностно-инактивные вещества, увеличивающие поверхностное натяжение.

ПНВ - поверхностно-неактивные вещества (хорошо растворимые в воде).

В живых организмах дифильные (=амфифильные) молекулы ПАВ позволяют совместить гидрофобные и гидрофильные системы, которые в неживой природе несовместимы. Например, липиды вследствие своей гидрофобности не могут транспортироваться кровью и лимфой в свободном виде. Их транспорт осуществляется в виде эмульсий липопротеинов, в которых жирные кислоты и эфиры холестерола заключены в оболочку из молекул дифильного (=амфифильного) строения фосфолипидов, белков и других ПАВ.