Адсорбция поверхностно-активных веществ (пав)

Для водных растворов поверхностно-активными веществами являются органические кислоты, высокомолекулярные спирты, соли жирных кислот (мыла), фосфолипиды, белки, сульфокислоты и их соли и другие. Характерной особенностью структуры всех молекул ПАВ является их дифильность. Молекулы ПАВ состоят как из полярных групп, так и неполярных одновременно.

К полярным (гидрофильным) относятся группы, имеющие сродство к полярной жидкости: –ОН, –СООН, –NH₂, =CO, =NH, –SH. Эти группы способны гидратироваться, так как обладают значительным дипольным моментом и обуславливают растворимость ПАВ в воде.

Н еполярные (гидрофобные) группы ПАВ могут быть представлены предельными и непредельными углеводородными радикалами и ароматическими кольцами. Они обуславливают пониженную растворимость ПАВ в полярной жидкости.

Неполярные части молекул ПАВ, не обладая сродством к полярной жидкости, стремятся выйти из раствора, обращаясь в газовую или органическую фазы. Полярные группы остаются в воде и обуславливают растворимость ПАВ.

Таким образом, ПАВ будут ориентироваться в поверхностном слое согласно схеме:

Введение ПАВ в полярную жидкость снижает коэффициент поверхностного натяжения раствора из-за увеличения адгезионных сил.

Концентрация ПАВ в поверхностном слое увеличивается, а в объёме – уменьшается. Это явление положительной адсорбции.

Способность ПАВ уменьшать коэффициент поверхностного натяжения зависит от:

• длины углеводородного или ароматического радикалов (правило Дюкло-Траубе)

• концентрации раствора ПАВ

Адсорбция ПАВ с термодинамической точки зрения протекает самопроизвольно, вследствие уменьшения свободной поверхностной энергии, G_S < 0.

Влияние природы ПАВ на их поверхностную активность описывается правилом Дюкло-Траубе:

В гомологическом ряду органических соединений поверхностная активность увеличивается с удлинением их углеводородного радикала; при удлинении цепи на группу –СН₂– поверхностная активность, а, следовательно, способность к адсорбции в водном растворе возрастает в среднем в 3,2-3,4 раза.

Согласно этому правилу предельные органические кислоты по длине гидрофобного радикала и величине их поверхностной активности располагаются в ряд

Структурная организация поверхностно-активных веществ в биологических системах

В биологических системах поверхностно-активные вещества играют важную роль в формировании биологических мембран, липосом, везикул, липопротеидов, мицелл и т.д. Поверхностно-активными свойствами обладают фосфолипиды, жирные кислоты и их соли, высокомолекулярные спирты, белки, гликопротеины, желчные кислоты. Эти вещества обладают дифильными свойствами благодаря наличию у молекул как гидрофобных радикалов или ароматических колец, так и полярных групп, представленных остатками азотистых оснований, фосфорной кислоты, карбоксильными и спиртовыми группами. Гидрофобные радикалы молекул ПАВ за счёт гидрофобного взаимодействия с полярной жидкостью (Н₂О) образуют сплошную гидрофобную неполярную область, а полярные группы формируют границу раздела между гидрофобной фазой и водой.

П ри малых концентрациях ПАВ на границе раздела фаз образуются газообразные поверхностные мономолекулярные слои, в которых гидрофильные группы обращены в воду, а гидрофобные радикалы в воздух или органическую жидкость.

П ри повышении концентрации ПАВ молекулы образуют на границе раздела фаз конденсированный монослой, в котором гидрофобные радикалы направлены перпендикулярно к водной поверхности.

Сферические мицеллы образуются в полярной жидкости при дальнейшем повышении концентрации ПАВ. Гидрофобные радикалы образуют внутреннюю гидрофобную область, а полярные группы обращаются в воду. Такие мицеллы не обладают поверхностной активностью и называются прямыми, в них распределяются гидрофобные вещества.

В прямые фосфолипидные мицеллы включаются (солюбилизируются) неполярные и малополярные плохорастворимые в воде вещества. Мицеллообразование играет очень важную роль в процессах пищеварения. Благодаря поступлению в двенадцатиперстную кишку солей желчных кислот, обладающих высокой поверхностной активностью, нерастворимые в воде пищевые

жиры превращаются в высокодисперсную эмульсию, что делает их доступными для расщепления липолитическими ферментами и облегчает всасывание продуктов гидролиза жиров в тонком кишечнике. Классическим примером фосфолипидных эмульсий природного происхождения являются липопротеины плазмы крови, сформированные смешанными монослоями. В состав смешанного слоя входят фосфолипиды, белки, холестерин. Функция липопротеинов – транспорт фосфолипидов, триацилглицеридов (жиров), холестерина и его эфиров по кровяному руслу животных и человека.

О бращённые мицеллы образуются в органической жидкости. Полярные группы обращаются внутрь мицеллы, а неполярные радикалы – в органическую жидкость. Образование мицелл облегчается при добавлении небольших количеств воды.

В

Бензол

нее включаются растворимые в воде полярные вещества, нерастворимые в органической жидкости. Используется при работе ферментов в органической жидкости.

При высоких концентрациях фосфолипидов степень диссоциации полярных групп уменьшается, они сближаются и образуются бимолекулярные слои. В водной среде гидрофобные радикалы обращаются внутрь слоя плоской мицеллы, а полярные группы к растворителю.

Бимолекулярные слои фосфолипидов являются основой биологических мембран, которые содержат также поверхностные и интегральные белки, холестерин, гликопротеины М акромолекулы интегральных белков, пронизывающих мембрану, могут образовывать поры, ионные каналы, обладающие избирательной проницаемостью для различных веществ. Бислои обладают достаточной длиной, высокой гибкостью и эластичностью, что способствует их замыканию с образованием липосом или везикул.