Свойства лиофильных коллоидных растворов пав и вмс
Дифильные молекулы ПАВ и ВМС отличаются от молекул остальных веществ тем, что они имеют гидрофильные и гидрофобные фрагменты. Подобные особенности не только сохраняются, но и усиливаются при переходе от отдельных молекул к их ассоциатам, то есть мицеллам анизометрической формы (эллипсоидной, цилиндрической, пластинчатой). Поэтому в таких лиофильных коллоидных системах при определенной концентрации дифильных веществ может возникать ориентационно упорядоченное движение анизометрических мицелл с образованием гексагональной или ламеллярной фаз (рис.36). Это делает такие системы еще более уникальными, так как они приобретают чувствительность к воздействию направленных потоков частиц особенно к изменениям в их движении во времени и пространстве.
Рис. 36. Простейшие структуры мицелл лиофильных коллоидов
Молекулярно-кинетические и оптические свойства. Эти свойства коллоидных растворов ПАВ обусловлены размерами частиц дисперсной фазы (мицелл из молекул ПАВ), которые соответствуют ультрамикрогетерогенным системам. Для них, как и для лиофобных золей, характерны слабое броуновское движение частиц дисперсной фазы, малая скорость диффузии и низкое осмотическое давление, а также способность рассеивать свет.
Как и в лиофильных золях, мицеллы ПАВ не проходят через поры животных и растительных мембран. Поэтому очистка таких растворов от ионов и молекул низкомолекулярных веществ осуществляется методом диализа или электродиализа.
Устойчивость лиофильных коллоидных растворов обусловлена сильным взаимодействием дисперсной фазы и дисперсионной среды. Эти системы термодинамически устойчивы, не склонны к самопроизвольному разрушению, не требуют специального стабилизатора.
Потеря устойчивости лиофильных коллоидных растворов связана с десольватацией мицелл под действием электролитов или других веществ, связывающих дисперсионную среду – растворитель. Для разрушения лиофильных коллоидных растворов требуется достаточно большое количество электролита, который должен оттягивать на себя не только свободный растворитель, но и связанный растворитель сольватных оболочек мицелл.
Высаливание – потеря устойчивости, разрушение лиофильных коллоидных растворов за счет десольватации мицелл. При этом ПАВ или ВМС выделяются в виде хлопьев.
Высаливающее действие на лиофильные коллоидные системы оказывают все ионы, независимо от знака их заряда, а также от знака заряда поверхности асоциатов из ПАВ или ВМС. По высаливающему действию, т.е. способностью к сольватации, ионы располагают в лиотропные ряды:
Li+ > Na+ > К+ > Rb+ > Cs+ > Mg2+ > Ca2+ > Sn2+ > Ba2+
Ослабление высаливающего действия
Высаливающее действие на растворы ПАВ и ВМС оказывают некоторые органические вещества, например, этанол, ацетон.
Солюбилизация
С
олюбилизация
– проникновение
в структуру мицелл молекул различных
веществ.
Процесс солюбилизации включает две стадии: диффузию молекул солюбилизируемого вещества (солюбилизата) к поверхности мицеллы и проникновение этого вещества в структуру мицеллы.
Солюбилизирующая способность мицелл зависит от нескольких факторов, в том числе и от их формы. Например, солюбилизация алканов в цилиндрических мицеллах выше, чем в сферических. Солюбилизация неполярных веществ в прямой мицелле вызывает ее удлинение с переходом от эллипсоидной формы к цилиндрической (рис. 37). Однако солюбилизация веществ, содержащих полярную группу (например, спиртов), в цилиндрических мицеллах, напротив, ниже. Размещение солюбилизированных веществ внутри мицелл зависит от их химической природы. Предельные углеводороды концентрируются в ядре прямых мицелл, что подтверждает модель ядра как жидкой нанокапли. Вода, солюбилизируемая в обратных мицеллах, также аккумулируется их ядром.
Полярные вещества (спирты с короткой углеводородной цепью) при солюбилизации в прямых мицеллах закрепляются вблизи оболочки. При удлинении углеводородного радикала спирты перемещаются в ядро мицеллы.
Солюбилизироваться могут дифильные молекулы, полярность которых близка к полярности ядра мицеллы. Процесс солюбилизации носит самопроизвольный и обратимый характер и не нарушает устойчивость дисперсной системы.
Рис. 37. Деформация прямой мицеллы при солюбилизации
неполярной жидкости
Солюбилизация играет большую роль в жизнедеятельности организма человека и животных, являясь одним из звеньев процесса обмена веществ. Солюбилизация лежит в основе самопроизвольного эмульгирования жиров солями желчных кислот при их усвоении организмом. Слияние живых клеток включает солюбилизацию как одну из важных стадий процесса. Солюбилизация широко используется при получении фармацевтических препаратов, а также является важнейшим фактором моющего действия ПАВ.
Моющее действие ПАВ. К поверхностно-активным веществам, которые обладают моющим действием, относятся мыла и различные синтетические ПАВ, являющиеся основой синтетических моющих средств (СМС).
Обычно частицы загрязняющих веществ не смачиваются водой, так как они имеют гидрофобные свойства, поскольку содержат жиры или минеральные масла. Поэтому моющее действие чистой воды очень мало. Его можно усилить, применяя растворы мыл или СМС. При контакте с загрязненной поверхностью молекулы ПАВ адсорбируются на частицах грязи, ориентируясь гидрофобными участками к поверхности частиц, а гидрофобными фрагментами – к воде (рис. 38). При этом молекулы ПАВ постепенно проникают между загрязняющими частицами и очищаемой поверхностью, увлекая за собой молекулы воды. В результате возникает расклинивающий эффект, отторгающий частицы грязи от поверхности. Перемешивание, механическое воздействие и увеличение температуры усиливают моющее действие растворов ПАВ, так как способствуют измельчению и отделению грязи.
Отдельные частицы грязи, перешедшие в водную фазу, образуют эмульсию или суспензию, стабилизированную молекулами ПАВ. Последние, адсорбируясь на частицах дисперсной фазы (грязи), препятствуют их слипанию и оседанию на очищаемую поверхность. Стабилизация частиц грязи в водной среде при использовании СМС достигается введением в их состав полиэлектролитов, обычно фосфатов и полифосфатов, которые, адсорбируясь на эмульгированных или суспендированных частицах грязи, увеличивают их устойчивость за счет появления одноименных зарядов на поверхности частиц и тем самым усиливают моющее действие СМС.
Рис. 38. Схема моющего действия растворов ПАВ:
а ,б – адсорбция ПАВ и отделение жира от ткани; в, г – диспергирование, эмульгирование и солюбилизация жира в мицеллах ПАВ; д – стабилизация полиэлектролитом мицелл ПАВ с жиром и поверхности ткани
Наиболее эффективная стабилизация масляных загрязнений, перешедших с очищаемой поверхности в водную фазу, обеспечивается солюбилизацией загрязняющих масел в структуре мицелл ПАВ. Именно поэтому моющее действие ПАВ проявляется при концентрациях, превышающих ККМ. Таким образом, моющее действие растворов ПАВ обусловлено не только дифильностью молекул ПАВ и полярностью молекул воды, но и наличием в этих растворах лиофильной коллоидной системы.