5. Поверхностные явления

Цель изучения: понять причины и механизм адсорбции веществ на границе раздела фаз и значение этих явлений для протекания биохимических процессов.

Студент должен знать:

особенности строения поверхностного слоя на границе раздела фаз;

разновидности адсорбции и факторы, влияющие на этот процесс;

количественные закономерности адсорбции;

виды растворенных веществ по их способности изменять поверхностное натяжение раствора;

основы хроматографии и её практическое использование.

74

Студент должен уметь:

рассчитывать концентрацию веществ на поверхности раздела фаз;

применять хроматографические методы исследования.

5.1. Общие закономерности и значение адсорбции

Адсорбцией называется самопроизвольное изменение концентрации вещества на границе раздела фаз по сравнению с его концентрацией внутри одной из фаз. При положительной адсорбции вещество концентрируется на поверхности раздела. При отрицательной адсорбции молекулы вещества отталкиваются от границы раздела и концентрируются тем самым внутри фазы. Вещество, на поверхности которого происходит адсорбция, называется адсорбентом, а само адсорбирующееся вещество  адсорбтивом.

Адсорбция, осуществляющаяся под действием сил Ван-дер-Ваальса и водородных связей, называется физической, а адсорбция, в основе которой лежит возникновение ковалентных связей между молекулами адсорбента и адсорбтива, называется химической или хемосорбцией. Физическая адсорбция представляет обратимый процесс и всегда сопровождается десорбцией  освобождением поверхности адсорбента от адсорбированного вещества. Между адсорбцией и десорбцией устанавливается динамическое адсорбционное равновесие. Положение этого равновесия зависит от температуры. Повышение температуры понижает физическую адсорбцию и усиливает химическую адсорбцию. Десорбция может осуществляться разрушением адсорбента, изменением температуры и снижением сил адсорбционного взаимодействия. Последний метод широко используется в практике в виде элюции. Элюция  это смена граничащей с адсорбентом фазы, например раствора, в целях десорбции вещества. При элюции адсорбированное вещество вытесняется с адсорбента либо молекулами нового растворителя, либо в результате понижения адсорбционного сродства веществами, растворенными в новом растворе (чаще всего путем изменения заряда молекул

75

адсорбента и адсорбтива вследствие изменения рН или ионной силы раствора).

Характерным признаком адсорбции является ее избирательность или специфичность. Это означает, что каждый адсорбент адсорбирует не любые вещества, а только одно или несколько определенных веществ. Избирательность адсорбции объясняется тем, что должно произойти случайное совпадение в распределении электронной плотности молекул адсорбента и адсорбтива по типу “ключ-замок”. Другими словами должно быть определенное химическое сродство между адсорбентом и адсорбтивом. Избирательность адсорбции является основой ее практического применения.

В живых организмах имеется множество поверхностей раздела. Они образованы мембранами клеток белками и полисахаридами межклеточной среды. Адсорбция веществ на этих поверхностях является необходимым компонентом различных биохимических и физиологических процессов. Например, ферменты в организме во многих случаях действуют, будучи в адсорбированном состоянии на внутриклеточных мембранах. Транспорт многих веществ кровью обеспечивается переносом их в адсорбированном виде на поверхности клеток крови или на молекулах белка плазмы альбумина. Многие соединения в организме  белки, фосфолипиды, желчные и жирные кислоты  являются поверхностно-активными веществами (ПАВ). Они адсорбируются на поверхности жидкости и этот процесс необходим для нормального функционирования легких, переваривания пищи, транспорта жировых веществ кровью.

Адсорбция находит широкое применение в различных процессах в промышленности, быту, медицине. В клинической практике адсорбцию используют для удаления из организма токсичных продуктов обмена, пропуская кровь или плазму через пористый адсорбент. Этот метод лечения называется гемосорбцией. Широко используют различные лекарственные препараты  энтеросорбенты для связывания в кишечнике и выведения токсичных веществ при отравлениях, аллергических заболеваниях, повышенном газообразовании и пр. Энтеросорбентом, например, является активированный уголь.

76

Представления о поверхностных явлениях используют при создании различных пломбировочных материалов, поверхностно-активных веществ. При протезировании зубных дефектов необходимо учитывать устанавливающие адсорбционные равновесия. На любых объектах при соприкосновении с биологическими жидкостями организма возникают адсорбционные слои белков или других поверхностно-активных веществ. Отрицательные последствия этого явления возможны при использовании недостаточно биологически совместимых материалов, из которых изготовлены протезы.

Явление адсорбции лежит в основе метода хроматографии, позволяющего разделять сложные смеси веществ на отдельные компоненты для их изучения по отдельности.

5.2. Хроматография

Хроматография представляет собой физико-химический метод разделения смесей веществ, основанный на многократно повторяющихся процессах сорбции и десорбции. Обязательным условием для проведения хроматографии является наличие двух фаз  подвижной и неподвижной (стационарной). Вдоль частиц или слоя неподвижного вещества (адсорбента) медленно движется раствор или газ, содержащие смесь разделяемых веществ. Молекулы или ионы каждого вещества многократно адсорбируются и десорбируются с адсорбента. Поскольку сила связывания каждого вещества с адсорбентом различна, они переносятся вдоль него подвижной фазой с разной скоростью, что приводит к их разделению. Вещества, не способные к адсорбции, будут при хроматографии находиться только в подвижной фазе, скорость их перемещения вдоль адсорбента будет максимально возможной. Наоборот, хорошо адсорбирующиеся вещества будут медленно передвигаться вдоль стационарной фазы. После хроматографии разные вещества оказываются в разных порциях раствора или газа, прошедших через адсорбент. Проводят количественное определение веществ в этих порциях и, если нужно, извлекают далее каждое вещество по отдельности.

77

По механизму адсорбционного связывания разделяемых веществ с адсорбентом различают адсорбционную, ионообменную, хемосорбционную, распределительную и молекулярно-ситовую (гель-фильтрация) хроматографию. По агрегатному состоянию граничащей с адсорбентом подвижной фазы различают жидкостную и газовую хроматографию. В первом методе для разделения веществ через адсорбент пропускают жидкость, а во втором - газы или пары подходящего растворителя. По технике исполнению различают колоночную, бумажную и тонкослойную хроматографию.

Хроматографические методы анализа широко используется в химических исследованиях для изучения смесей органических соединений, продуктов переработки нефти, инсектицидов и т.д. В биотехнологии хроматография используется для очищения лекарственных средств как синтетических, так и природного происхождения - ферментов, гормонов и др. В медико-биологических исследованиях этот метод применяют для разделения и анализа клеток, субклеточных фракций, нуклеиновых кислот, белков, аминокислот, липидов, гормонов и других веществ биологического происхождения. С помощью хроматографии в биологических жидкостях можно определять (алкоголь, алкалоиды, наркотические и летучие вещества) и различные микрокомпоненты, которые появляются при наличии той или иной патологии (алкоголь, алкалоиды, наркотические и летучие вещества). Значение хроматографии как важного диагностического метода постоянно возрастает.

Лабораторная работа: «Поверхностные явления».

Цель работы: Изучить влияние физических факторов на адсорбционное равновесие. Разделить смесь веществ на составляющие ее компоненты.