27.3. Лиофильные коллоидные растворы

К лиофильным коллоидным растворам относятся растворы поверхностно-активных веществ (ПАВ) и высокомолекулярных соединений (ВМС) в «хороших» растворителях.

Характерной особенностью строения ПАВ, а также некото­рых ВМС является дифильность их молекул, т. е. наличие в мо­лекуле гидрофильного и гидрофобного фрагментов. При малых концентрациях дифильных молекул в воде они образуют истин­ный раствор, но дифильные молекулы в этих растворах сосре­доточеныв основном в поверхностном слое, формируя мономо­лекулярный слой (разд. 26.6). Это своеобразие проявляется в резком снижении поверхностного натяжения ( ) раствора ПАВ с увеличением его концентрации до определенного значения, называемого критической концентрацией мицеллообразования (ККМ). При концентрации, равной ККМ и выше, молекулы ПАВ и ВМС, взаимодействуя между собой, объединяются в круп­ные стойкие ассоциаты - мицеллы, которые составляют новую фазу. При этом образуется лиофильный коллоидный раствор (рис. 27.7).

Мицеллами лиофильных коллоидных растворов называ­ются ассоциаты из молекул ПАВ и ВМС, возникающие самопроизвольно при концентрации, равной или большей ККМ, и образующие в растворе новую фазу.

Способностью к мицеллообразованию обладают не все ПАВ, а только те, которые имеют оптимальную величину гидрофильно-липофильного баланса (ГЛБ) для данного растворителя. В вод­ных растворах к мицеллообразующим соединениям относятся соли жирных и желчных кислот, синтетические моющие средст­ва, фосфолипиды, белки, гликолипиды и другие вещества. В от­личие от них простые жиры, обладающие сильно выраженными гидрофобными и слабыми гидрофильными свойствами, не рас­творяются в воде и не образуют мицелл.

Д ля неионогенных ПАВ значения ККМ в водных рас­творах обычно лежат в пределах 10^-5-10^-4 моль/л, для ионогенных они смещены в область более высоких концентраций - 10^-3-10^-2 моль/л, однако фосфолипиды и сфин-голипиды имеют очень низ­кое значение ККМ - 10^-10-10^-8 моль/л.

Р ис. 27.7. Критическая концен­трация мицеллообразования ПАВ

Рис. 27.8. Структура мицелл ПАВ в полярной (о) и неполярной (б) среде

В лиофильных коллоидных растворах ПАВ и ВМС при концен­трациях, равных ККМ и более высоких, имеет место равновесие:

Таким образом, ККМ является границей появления растворен­ного вещества в коллоидном состоянии, т. е. образования колло­идного раствора. При достижении ККМ концентрация неагрегиро-ванных дифильных молекул в растворе не превышает определен­ного уровня, так как мицеллы, находящиеся в динамическом равновесии с неагрегированными молекулами, могут быстро (мил­лисекунды) обмениваться компонентами с дисперсионной средой и при этом могут как образовываться, так и распадаться. Подобное "буферное" действие мицелл наблюдается во всем интервале концентраций растворов дифильных веществ, превышающих их ККМ. В зависимости от свойств дисперсионной среды из молекул ПАВ могут формироваться мицеллы с различной структурой (рис. 27.8). При этом в соответствии с правилом уравнивания полярностей (разд. 26.4.2) дифильные молекулы ПАВ, образуя мицеллу, ориентируются так, чтобы поверхность мицеллы по полярности была близка дисперсионной среде.

В полярной дисперсионной среде (Н₂0) возникают мицеллы, поверхность которых образована полярными группами, а ядро -гидрофобными фрагментами молекул ПАВ. В случае неполярной дисперсионной среды наблюдается обратная ориентация дифиль­ных молекул. При этом ядро мицеллы формируется из полярных групп, а ее поверхность - из гидрофобных фрагментов молекул ПАВ. Подобная структура мицелл обеспечивает сильное взаимо­действие с дисперсионной средой и хорошую сольватацию их по­верхности молекулами дисперсионной среды, что делает колло­идную систему лиофильной, термодинамически устойчивой и не требующей стабилизаторов.