7. Системы с самопроизвольным мицеллообразованием (полуколлоиды)

Вещества, проявляющие свойства полуколлоидов, являются важнейшими соединениями в организме. Это различные фосфолипиды, эфиры холестерина, соли жирных и желчных кислот. Фосфолипиды и холестерин образуют бислойные клеточные мембраны, без которых невозможно функционирование клеток. При повреждении мембран их фосфолипиды претерпевают фазовые переходы с образование мицелл, инициирующих свертывание крови. В мицеллярной форме – в виде липопротеинов высокой, средней и низкой плотности происходит также перенос липидов кровью между разными органами и тканями.

Особые свойства полуколлоидов широко используются в различных технологических процессах в промышленности, быту, медицине. На солюбилизирующей способности поверхностно-активных веществ (ПАВ) основано использование моющих средств. Полуколлоиды применяются при окрашивании тканей, дублении кож, как эмульгаторы в производстве пищевых продуктов, косметических средств и т.д. Монослои коллоидных ПАВ используют в производстве нового поколения полупроводниковых материалов. Способность ионогенных ПАВ ориентироваться в электрическом поле позволяет

108

управлять их жидкокристаллической структурой для создания изображения на плоских экранах компьютеров и телевизоров.

При лечении больных в настоящее время все более широко используется введение в кровь лекарств в липосомах. Они представляют мицеллы из фосфолипидов и холестерина в виде микроскопических пузырьков, внутри которых заключен лекарственный раствор. Использовать липосом позволяет продлить пребывание лекарства в организме, доставить его непосредственно к пораженному органу или ткани, использовать как лекарства водонерастворимые соединения.

Некоторые ПАВ используют как наружные бактерицидные средства: для обработки рук врача, дезинфекции хирургических инструментов и т.д. Бактерицидный эффект обусловлен солюбилизацией липидов, образующих клеточные мембраны бактерий. ПАВ, обладающие сильным моющим действием и разрушающие природные клеточные мембраны, называют детергентами.

Естественные (фосфолипиды яичного желтка) и полусинтетические (жиросахара) ПАВ используют как эмульгаторы для приготовления лекарственных эмульсий, пластырей, паст, кремов.

Цель изучения: приобрести знания о свойствах коллоидных ПАВ и значении их для жизнедеятельности и медицинской практики.

Студент должен знать:

- особенности свойств коллоидных ПАВ;

- структуру мицелл полуколлоидов;

- биологическое значение и применение полуколлоидов.

Студент должен уметь:

- определять критическую концентрацию мицеллообразования;

• с помощью коллоидных ПАВ растворять водонерастворимые вещества.

ОПРЕДЕЛЕНИЕ КРИТИЧЕСКОЙ КОНЦЕНТРАЦИИ МИЦЕЛЛООБРАЗОВАНИЯ

Ряд веществ в растворе могут одновременно находиться в виде отдельных молекул и в виде скоплений молекул - коллоидных частиц

109

или мицелл. Такие вещества называют полуколлоидами. В растворах полуколлоидов поддерживается равновесие:

молекулярный раствор <=> золь <=> гель

К полуколлоидам принадлежат мыла, коллоидные поверхностно-активные вещества, дубильные вещества - соли и эфиры галловой кислоты (танниды), многие органические красители.

Объединение молекул полуколлоидов в мицеллы начинается лишь при некоторой минимальной концентрации полуколлоида в растворе. Она называется критической концентрацией мицеллообразования (ККМ). При ККМ свойства раствора полуколлоидов (электропроводность, светорассеяние, поверхностное натяжение и др.) изменяются неравномерно. Например, с повышением концентрации увеличивается адсорбция молекул мыла (олеата калия) на поверхности раствора и поверхностное натяжение раствора снижается. Но начиная с ККМ, продолжает возрастать лишь концентрация мицелл, а число отдельных молекул мыла в растворе остается постоянным. Так как понижение поверхностного натяжения вызвано адсорбцией молекул, а не мицелл, то поверхностное натяжение раствора после достижения ККМ остается почти постоянным (рис. 1).

Таким образом, по точке резкого изменения свойств раствора с ростом концентрации можно определить ККМ полуколлоидов. Величина ККМ зависит от соотношения гидрофильных и гидрофобных свойств молекулы полуколлоида, которые характеризуется гидрофильно-липофильным балансом. Определение ККМ позволяет судить о структуре молекул, поверхностной и солюбилизационной активности полуколлоидов.

110

Критическую концентрацию мицеллообразования можно определять по изменению поверхностного натяжения растворов в зависимости от концентрации полуколлоида. Существуют различные методы определения поверхностного натяжения: капиллярного поднятия, сталагмометрический, отрыва кольца от жидкости, определения наибольшего давления пузырьков и др. Из них элементарно прост и достаточно точен сталагмометрический метод. Он основан на том, что в момент отрыва под действием силы тяжести от конца капилляра капли жидкости, ее вес Р практически равен силе поверхностного натяжения, приложенной к окружности капилляра радиусом r:

Р = 2rσ

Если объем всех капель V (объем шарика сталагмометра), число капель исследуемой жидкости N и плотность ее ρ, то вес одной капли равен:

Р = Vρg/ N, следовательно 2rσ = Vρg/ N

Точно такое же равенство можно получить для воды:

2rσ(H₂O) = Vρ(H₂O) g/ N(H₂O)

Разделив первое равенство на второе, можно найти поверхностное натяжение исследуемой жидкости:

σ = σ(H₂O) ρ N(H₂O) / ρ(H₂O) N

Для разбавленных растворов, плотность которых мало отличается от плотности воды, выражение упрощается:

σ = σ(H₂O) × N(Н₂O) / N

Лабораторная работа: «Полуколлоиды»

1.Определение ККМ олеата калия методом измерения поверхностного натяжения.

Цель работы: Научиться определять поверхностного натяжения растворов полуколлоидов сталагмометрическим методом и рассчитывать ККМ.

Ход работы: из исходного 0,05 М раствора олеата калия приготовить ряд разбавленных растворов. Каждый раствор меньшей концентрации

111

готовить из предыдущего раствора большей концентрации. Концентрации растворов и смешиваемые количества растворов и воды указаны в таблице. Сталагмометрическим методом определить поверхностное натяжение исходного раствора олеата калия и затем по мере приготовления каждого раствора меньшей концентрации.

Сталагмометр представляет собой капиллярную трубку с расширением в середине. Нижний конец капилляра отшлифован. Ниже и выше расширения нанесены две круговые метки, ограничивающие определенный объем. Так как объем, ограниченный этими метками, состоит не из целого числа капель, то обычно для более точного счета ниже и выше верхней и нижней меток нанесены деления, отмечающие 0,1 объема капли воды. С их помощью можно определить число капель, вытекающих из сталагмометра с точностью до 0,1 капли. Например, начали отсчет капель, когда мениск жидкости был на 2 деления выше верхней круговой метки и кончили счет целого числа капель, когда мениск оказался не точно на уровне нижней круговой метки, а успел уже спуститься на 3 деления ниже ее. Это значит, что от сосчитанного целого числа капель нужно отнять 0,2 и 0,3 и тогда получится число капель с точностью до 0,1.

Укрепляют сталагмометр в вертикальном положении и через наконечник насасывают в него воду. Наконечник, закрывают пальцем как пипетку, и медленно спуская воду, подводят мениск на уровень верхней метки. Затем отпускают наконечник и считают капли вытекающей из сталагмометра воды до опускания мениска до уровня нижней метки. Необходимо произвести не менее двух отсчетов и взять среднее число капель. После этого точно так же определяют число капель исследуемой жидкости, вытекающей из сталагмометра. Вычисляют поверхностное натяжение. Поверхностное натяжение воды берут для температуры опыта из таблицы. Для воды при 20⁰ С, σ = 72,56 10^3 Дж/м². При увеличении температуры поверхностное натяжение воды уменьшается, причем в пределах 15-20⁰ С это уменьшение составляет 0,15 мДж/ м² на 1⁰ С.

После измерения сталагмометр промыть водой. Работу начинать с определения числа капель воды (N₀), вмещаемых шариком сталагмометра.

112

Порядок оформления работы: выполнить работу, записать ход работы, результаты оформить в виде следующей таблицы:

Концентр.	Логарифм	Количество	Количество	Число	Поверхностное
раствора	концентр.,	предыдущего	воды,	капель,	натяжение,
С, мМ	lgC	раствора, мл	мл	N	σ = σ(Н2О)× N0/N
Вода					72,56 мДж/м2
50	1,7
10	1,0	5	20
5	0,7	25	25
2	0,3	20	30
1	0	25	25

Построить график зависимости поверхностного натяжения раствора от логарифма концентрации. По оси ординат от нуля отложить поверхностное натяжение в масштабе в 1 см 10 мДж/м². По оси абсцисс отложить от нуля логарифмы концентраций в масштабе в 0,5 см 0,1 единицы характеристики логарифма. От излома кривой на ось абсцисс опустить перпендикуляр и определить логарифм ККМ. По таблице антилогарифмов или с помощью калькулятора установить величину ККМ в мМ/ л.

ККМ = AntlgKKM