Слесарев В.И. - Химия. Основы химии живого. 2000 (учебник для вузов)

Конденсационный способ образования аэрозольных частиц может осуществляться двумя путями: гомогенной или гетеро­ генной конденсацией.

В основе гомогенной конденсации лежит образование твердых или жидких частиц из одинаковых молекул. В процессе теплового движения за счет межмолекулярных сил из нескольких молекул могут образоваться ассоциаты, называемые кластерами.

Кластерами называются строго упорядоченные молеку­ «лярные ассоциаты, возникающие в гомогенной системе и

включающие от нескольких до сотен и тысяч молекул.

Другими словами, кластеры - это надмолекулярные струк­ туры. Время жизни малых кластеров очень мало. Вероятность их распада обычно больше, чем вероятность роста. Такие кла­ стеры принято называть “ мерцающими” . Понижение темпера­ туры создает условия для увеличения размера кластеров. С уве­ личением же размера кластеров растет и их стабильность, по­ скольку суммарная энергия межмолекулярного взаимодействия внутри кластера при этом становится больше.

Размер кластера, при котором вероятность его роста «становится равной вероятности распада, называется

критическим.

Если размер кластера превысит критический, то кластер ста­ новится стабильным образованием, характеризующимся опреде­ ленным фазовым состоянием, т. е. жидкой или твердой аэро­ зольной частицей.

Кластеры могут возникать и существовать не только в газо­ образной среде, но и в жидкостях, и в твердых телах, а также на их поверхности. Кластерное состояние вещества по физико­ химическим параметрам отличается как от газообразного со­ стояния, так и от конденсированного. Его можно рассматривать как переходную стадию при гомогенной конденсации с образо­ ванием аэрозолей в виде облаков и туманов.

В основе гетерогенной конденсации аэрозольных частиц ле­ жит межмолекулярное взаимодействие молекул газа или жид­ кости с поверхностью уже существующих твердых или жидких микрочастиц. Такая микрочастица играет роль ядра, на по­ верхности которого адсорбируются молекулы газа (пара). В ре­ зультате гетерогенной конденсации обычно образуются аэро­ зольные частицы, более сложные по химическому составу, чем при гомогенной конденсации. Примером может служить обра­ зование токсического смога из молекул S02, паров воды (тума­ на) и мельчайших твердых частиц несгоревшего углерода или оксидов металлов (дыма).

Диспергационные методы получения аэрозолей связаны с из­ мельчением твердых тел или распылением жидкостей. В природ­ ных условиях диспергационные аэрозоли образуются в результа­ те вулканических и других взрывов.

756

Среди искусственных методов наиболее распространен способ пневмораспыления жидкостей, при котором жидкость под не­ большим давлением продавливается через отверстия малого диа­ метра, например на выходе из пульверизатора. При этом образу­ ются мельчайшие частицы жидкости, взвешенные в газообразной среде. Если распылять суспензии или растворы и одновременно подвергать их сушке, то получаются твердые аэрозольные части­ цы. Такой способ широко используется в промышленности, на­ пример для получения молочного порошка, растворимого кофе, стирального порошка и др.

Свойства аэрозолей в большой степени определяются свой­ ствами газообразной дисперсионной среды.

По оптическим свойствам аэрозоли похожи на коллоидные растворы (лиозоли): для них также характерно светорассеяние. Но из-за большой разницы в показателях преломления света дисперс­ ной фазы и дисперсионной среды светорассеяние в аэрозолях про­ является значительно ярче, и они дают более четкий конус Тинда­ ля, чем лиозоли. Благодаря способности рассеивать свет аэрозоли, находящиеся в верхних слоях атмосферы, уменьшают интенсив­ ность солнечной радиации, попадающей на поверхность Земли.

Молекулярно-кинетические свойства аэрозолей имеют ряд осо­ бенностей, которые также связаны с сильноразреженной газовой фазой, представляющей дисперсионную среду. Для них харак­ терны явления термофореза, фотофореза, термопреципитации.

Термофорезом называется движение частиц аэрозоля в «направлении от теплового источника.

Термофорез можно объяснить тем, что с более нагретой сто­ роны твердой или жидкой частицы молекулы газа приобретают большую скорость, так как обладают большей кинетической энергией, сообщая при этом аэрозольной частице импульс в на­ правлении понижения температуры.

Фотофорезом называется направленное движение аэро­ «зольных частиц под действием светового излучения.

Фотофорез является частным случаем термофореза. Он обу­ словлен неравномерным нагревом частиц дисперсной фазы и дис­ персионной среды, главным образом из-за различной их способ­ ности поглощать свет.

Термофорез и фотофорез имеют большое значение в процессе движения атмосферных аэрозолей, например при образовании облаков, токсического и фотохимического смога.

Термопреципитацией называется осаждение аэрозоль­ ных частиц на холодных поверхностях вследствие по­ тери ими кинетической энергии при соприкосновении с такими поверхностями.

Осаждение пыли на стенах и потолке вблизи печей, радиато­ ров отопления, электронагревателей объясняется явлением тер­ мопреципитации .

757

В газовой среде частицы дисперсной фазы, как правило, не имеют заряда и сольватных оболочек. В то же время в естествен­ ных условиях под действием космических лучей и радиоактив­ ного излучения Земли происходит ионизация газообразных мо­ лекул, главным образом молекул кислорода, в результате чего образуются положительные (Ot) либо отрицательные (О2) ионы, так называемые легкие ионы. Эти ионы могут адсорбироваться на поверхности аэрозольных частиц, сообщая им заряд.

Легкие ионы и заряженные аэрозольные частицы, попадая

ворганизм человека, оказывают определенное физиологическое воздействие на него. При этом важное значение имеют химиче­ ская природа носителя заряда, количество заряженных частиц

ввоздухе и знак заряда этих частиц. Считается, что отрица­ тельно заряженные ионы полезны для организма, а положи­ тельно заряженные, наоборот, вредны, что, по-видимому, объ­ ясняется отрицательным зарядом поверхности многих клеток и тканей организма, например эритроцитов крови.

Аэрозоли - системы, в принципе, нестабильные. Частицы не только могут осаждаться под действием сил гравитации, но и способны к коагуляции. Как и в коллоидных растворах, в аэро­ золях различают два вида устойчивости: седименшационную и агрегативную. Седиментационная устойчивость, несмотря на от­

носительно крупные размеры аэрозольных частиц, обеспечивает­ ся высокой интенсивностью броуновского движения этих частиц в газовой среде. Вместе с тем агрегативная устойчивость аэрозо­ лей гораздо меньше, чем коллоидных растворов, что связано с отсутствием сольватных оболочек на поверхности аэрозольных частиц, которые могли бы создавать расклинивающее давление между частицами при их сближении. Поэтому столкновение частиц, как правило, приводит к их слипанию - коагуляции.

Скорость коагуляции зависит от заряда аэрозольных час­ тиц. При разноименных электрических зарядах она резко воз­ растает, в то время как одноименные заряды препятствуют коа­ гуляции. Сильное электрическое поле способствует коагуляции незаряженных аэрозольных частиц, так как под действием по­ ля частицы поляризуются, в результате чего увеличивается ве­ роятность их столкновения и слипания.

В основе очистки окружающего нас воздуха от загрязняющих его аэрозолей лежат главным образом явления адсорбции, коагу­ ляции и седиментации. Для этого используют различные способы,

взависимости от размеров аэрозольных частиц и их заряда.

1.Если частицы достаточно крупны, то очищаемый воздух пропускают через центрифуги, циклоны и фильтры, где под дей­ ствием центробежных и гравитационных сил частицы оседают.

2.Для очистки воздуха от мелких частиц, несущих электри­ ческий заряд, используют электрофильтры. Очищаемый воздух пропускается сквозь сетчатые фильтры, на которые подаются по­ очередно положительный и отрицательный заряды. При этом

758

частицы аэрозоля теряют свой заряд, их агрегативная устойчи­ вость уменьшается, что приводит к слипанию частиц и оседанию на фильтре.

3. Чтобы очистить воздух от мелких частиц, не имеющи электрического заряда, необходимо предварительно провести ио­ низацию воздуха, а затем пропустить его через электрофильтры.

Различные промышленные производства и современные виды транспорта выбрасывают в атмосферу громадные количества вред­ ных веществ в виде дымов, пыли и туманов, которые загрязняют окружающую человека среду, уничтожают растительность и на­ носят вред здоровью людей и животных. Некоторые аэрозоли, со­ держащие даже инертные в химическом отношении вещества в виде мельчайших твердых и жидких частиц, попадая в дыха­ тельные пути, вызывают легочные заболевания, а также раз­ личные виды аллергии. Грубые частицы пыли, размером свыше 5 •10“6 м, при дыхании через нос в легкие не попадают, осаждаясь в каналах носоглотки. Частицы размером (2 -5) •10_6 м задерживаются в носоглотке на 90 % , частично попадая в верх­ ние дыхательные пути и в бронхи, где осаждаются, обволакива­ ются слизью, а затем удаляются через верхние дыхательные пу­ ти. Частицы же меньших размеров, менее (1-2) •10_6 м, прони­ кают в альвеолы легких, где могут осаждаться. Более 50 % частиц, попавших в альвеолы, выстилают их поверхность, бло­ кируя кислородный обмен и нарушая дыхательную функцию легких. Когда частицы, микроорганизмы или вирусы попадают в альвеолы, их растворимые части всасываются в кровь, оказы­ вая вредное воздействие на организм в случае поступления в него токсичных веществ. Вредное действие могут оказывать также и нерастворимые нетоксичные частицы.

Болезни, вызываемые действием различных пылей на легкие, называются пневмокониозами. В зависимости от природы пыли различают много видов пневмокониозов: силикоз (кварцевая пыль, SiC>2), антракоз (угольная пыль, С), асбестоз (асбестовая пыль, Mg3[Si205](0H)4) и др. Пыли, вызывающие пневмокониозы, как правило, относятся к диспергационным аэрозолям. Не меньшую опасность для здоровья людей представляют и кон­ денсационные аэрозоли, особенно аэрозоли металлов и оксидов металлов, образующиеся в металлургии при обогащении руд и разливке расплавленных металлов. Установлено, что кластеры металлов, образующиеся при их горячей разливке, подобно ви­ русам способны проникать сквозь клеточные мембраны и на­ рушать жизнедеятельность клеток.

В последнее время особое внимание медиков привлекают аэрозоли, содержащие цветочную пыльцу, вирусы, различные микроорганизмы, поскольку они являются источником острых аллергических заболеваний у людей. Вместе с тем в современ­ ной медицине специально получаемые аэрозоли широко ис­ пользуют для дезинфекции помещений и лечения многих за­

759

болеваний: ингаляция антибиотиков и других лекарственных средств, аэрозольная вакцинация, обработка ран, ожогов, эро­ зий, мелких травм.

27.6.ЭЛЕКТРОКИНЕТИЧЕСКИЕ ЯВЛЕНИЯ

ВДИСПЕРСНЫХ СИСТЕМАХ

Термин “электрокинетические явления” отражает взаимосвязь между электрическим полем и взаимным перемещением частиц дисперсной фазы и дисперсионной среды в дисперсных систе­ мах. Электрокинетические явления характерны для тех систем, в которых на границе раздела фаз имеется двойной электриче­ ский слой. При наложении электрического поля в дисперсных системах происходит взаимное перемещение частиц дисперсной фазы и дисперсионной среды относительно друг друга к проти­ воположно заряженным электродам. При этом наблюдается два явления - электрофорез и электроосмос.

Электрофорезом называется направленное движение за­ «ряженных частиц дисперсной фазы относительно дис­ персионной среды под действием электрического поля.

Частицы дисперсной фазы, несущие заряд адсорбированных потенциалопределяющих ионов, и сольватированные противо­ ионы диффузного слоя этих частиц в зависимости от знака их заряда перемещаются к соответственно заряженным электродам (рис. 27.17). Скорость их движения в электрическом поле пря­ мо пропорциональна напряженности электрического поля и ве­ личине электрокинетического потенциала, характеризующего данную дисперсную систему:

и = ЯеС/(4яг|)

где и - скорость движения частиц дисперсной фазы в электрическом поле; Н - напряженность электрического поля; 8 - диэлектрическая проницаемость среды; ц - вязкость среды; С, - электрокинетический потенциал.

Измерив эксперимен­ тально скорость движения частиц дисперсной фазы и, можно рассчитать значение ^-потенциала системы:

£ = 4tnr[u/(Hz)

где Н задается условиями экс­ перимента, а значения г| и 8 для данной среды находят в справочнике физических ве­ личин.

Рис. 27.17. Схема движения частиц при электрофорезе

760

Методом электрофореза получены важные экспериментальные данные об электрохимических свойствах биологических систем. Так, установлено, что внутренняя поверхность биологических мембран (клеточной стенки) заряжена отрицательно. Электрокинетический потенциал разных клеток может иметь различные значения. Например, (^-потенциал эритроцитов в крови челове­ ка практически постоянен и равен -1 6 ,3 мВ.

Изучение электрокинетического потенциала различных бакте­ риальных клеток дало возможность установить, что они делятся на две группы. К первой группе относятся бактерии, в клеточной мембране которых солюбилизированы белки, и поэтому их (^-по­ тенциал зависит от pH среды. Ко второй - бактерии, (^-потенциал которых практически не зависит от pH, так как в их клеточной мембране солюбилизированы преимущественно полисахариды.

Метод электрофореза позволяет разделять белки, аминокис­ лоты и другие системы на отдельные фракции, пользуясь раз­ личием в скорости движения частиц дисперсной фазы в элек­ трическом поле.

Все мелкопористые ткани живого организма - костная ткань, кожный покров, клеточные мембраны, кровеносная и лимфа­ тическая системы - относятся к связнодисперсным (капилляр­ ным) системам.

Электроосмосом называется направленное движение дис­ Пперсионной среды (жидкости) в капиллярной системе под

действием электрического тока.

В процессе электроосмоса стенки капилляров являются не­ подвижной фазой, несущей заряд адсорбированных потенциалопределяющих ионов, а дисперсионная среда - подвижной фазой (рис. 27.18). Направленное движение дисперсионной среды под действием электрического поля обусловлено наличием в ней подвижных противоионов диффузного слоя, которые движутся к противоположно заряженному электроду, увлекая за собой дисперсионную среду. Количество жидкости, протекающее че­ рез капиллярную систему в единицу времени при электроосмо­ се, прямо пропорционально напряженности электричес­ кого поля и величине элек­ трокинетического потенци­ ала, характеризующего дан­ ную систему.

Одним из широко ис­ пользуемых физиотерапев­ тических методов лечения многих заболеваний является

Рис. 27.18. Схема движения

761

ионофорез, в основе которого лежит проникновение жидкостей, содержащих лечебные ионы и молекулы, через капиллярную систему кожного покрова под действием электрического поля. По существу - это явление электроосмоса.

Врезультате относительного перемещения дисперсной фазы

идисперсионной среды в дисперсных системах возникают по­ тенциал седиментации (оседания) и потенциал течения.

Потенциалом седиментации называется разность по­

«тенциалов, возникающая при оседании частиц дисперсной фазы в жидкой дисперсионной среде.

Возникновение потенциала седиментации объясняется тем, что при оседании частиц дисперсной фазы нижние слои дис­ персной системы приобретают заряд этих частиц, а верхние слои, обогащенные противоионами диффузной части ДЭС, при­ обретают заряд противоионов (рис. 27.19, а). Возникновение потенциала седиментации можно рассматривать как явление, противоположное электрофорезу.

Потенциалом течения называется разность потенциа­ «лов, возникающая на концах капиллярной системы при протекании через систему жидкой дисперсионной среды.

Возникновение потенциала течения объясняется тем, что при движении через капиллярную систему жидкая дисперсионная среда увлекает за собой подвижные противоионы диффузного слоя, вследствие чего на конце капиллярной системы накапли­ вается заряд, имеющий знак противоионов (рис. 27.19, б). На другом же конце возникает заряд противоположного знака за счет образовавшегося избытка потенциалопределяющих ионов. Возникновение потенциала течения можно рассматривать как явление, противоположное электроосмосу.

При сокращениях сердечной мышцы (миокарда) кровь протал­ кивается через капиллярную систему, что приводит к возникнове-

Рис. 27.19. Схемы возникновения потенциала седиментации (а) и потенциала течения (б)

762

нию потенциала течения. Таким образом, потенциал течения вно­ сит свой вклад в суммарный эффект электрических характери­ стик работы сердца и кровеносных сосудов, регистрируемых при снятии электрокардиограмм.

Использование методов электроосмоса и потенциала течения дает возможность определить заряд поверхности костной ткани и других пористых или волокнистых биологических структур.

27.7. ТКАНИ ОРГАНИЗМА - ДИСПЕРСНЫЕ СИСТЕМЫ

Все биосистемы и ткани нашего организма являются слож­ ными по составу дисперсными системами. Для них характерна комбинация разнообразных свойств, и они не укладываются в какую-либо определенную классификационную группу дисперс­ ных систем (разд. 27.1). В качестве примеров биосистем рассмот­ рим клеточную мембрану и кровь.

27.7.1. СТРОЕНИЕ И СВОЙСТВА МЕЖКЛЕТОЧНЫХ МЕМБРАН

Мембраны играют очень важную роль в жизнедеятельности клетки. Они отделяют клеточное содержимое от внешней среды, обеспечивая поддержание различий в составе вне- и внутрикле­ точной среды, регулируют обмен между клеткой и средой, делят клетки на отсеки и регулируют между ними обмен. Некоторые биохимические реакции протекают на самих мембранах. Клеточ­ ные мембраны обладают избирательной проницаемостью. Через них диффундируют глюкоза, аминокислоты, жирные кислоты, глицерин и некоторые ионы, причем сами мембраны в опреде­ ленной мере активно регулируют эти процессы. На внешней по­ верхности мембраны располагаются рецепторные участки для распознавания веществ, поступающих из окружающей среды.

Клеточные мембраны состоят почти целиком из липидов и белков. Липиды в мембранах представлены в основном фосфоли­ пидами, а также гликолипидами, сфинголипидами и холестеролом. Эти липиды, являясь поверхностно-активными веществами, образуют в воде ламеллярные структуры, представляющие собой протяженные бислойные пленки толщиной 5 -10 нм. Стабиль­ ность таких липидных пленок связана с гидрофильно-липофиль­ ным равновесием, характерным для фосфолипидов, имеющих довольно объемные полярные “головки” , обеспечивающие необ­ ходимые гидрофильные свойства поверхности мембраны, и гид­ рофобные “ хвосты” , которые, активно взаимодействуя с гидро­ фобными радикалами второго слоя фосфолипидов, образуют непо­ лярную фазу в сердцевине мембраны. Гидрофильно-липофильный баланс мембраны поддерживается за счет механизма обратной связи: при местном незначительном увеличении гидрофильности фосфолипида рядом с ним появляется нейтральный липид, типа холестерола, в результате происходит локальное повыше­ ние гидрофобности сердцевины мембраны. Такой механизм обес-

763

печивает “самостабилизацию” бислоя. Кроме того, стабилизацию бислоя поддерживают белковые макромолекулы, гидрофобные фрагменты которых, активно взаимодействуя с сердцевиной ли­ пидного слоя, повышают его устойчивость, а их гидрофильные фрагменты, находящиеся на поверхности мембраны, увеличи­ вают ее контакт с водной средой.

Все компоненты мембраны строго ориентированы относи­ тельно друг друга в соответствии с их гидрофильно-гидрофоб­ ными свойствами, и между ними наблюдаются только межмо­ лекулярные взаимодействия, причем фосфолипиды находятся в жидком состоянии. Это обеспечивает динамизм структуры и упо­ рядоченное перемещение молекул липидов и макромолекул бел­ ков в плоскости биомембраны с целью ее стабилизации и вы­ полнения тех или иных функций. Подобные особенности струк­ туры мембран свидетельствуют о том, что они находятся в жидкокристаллическом состоянии.

Согласно современным представлениям биомембраны имеют трехслойную структуру: слой олигосахаридных цепей мембранных гликопротеинов с внешней стороны мембраны, затем липидный бислой с белками и слой выстилающих белков с внутренней сто­ роны мембраны (рис. 27.20). Благодаря трехслойности мембраны приобретают одно из важнейших свойств - асимметричность. Это играет принципиальную роль как для регуляции процессов пере­ носа ионов и молекул, так и для обеспечения жидкокристалличе­ ского состояния биомембран. Вследствие жидкокристаллического состояния для биомембран характерна способность, с одной сто­ роны, сохранять устойчивость, с другой - сливаться друг с дру­ гом, а также изменять свойства под действием направленных полей.

Благодаря динамичной структуре биомембраны осуществля­ ют транспорт макромолекул и различных веществ либо в клетку, либо из клетки за счет процессов эндоцитоза или экзоцитоза со­ ответственно. При этих процессах мембрана адсорбирует перено-

ВНЕШНЕЕ ОКРУЖЕНИЕ КЛЕТКИ

Олигосахаридные цепочки глико­ протеинов

Плавающие

белки

Интегральные белки (глико­ протеины)

Холестерол

Выстилающие

белки

ВНУТРИКЛЕТОЧНАЯ СРЕДА

Рис. 27.20. Структура межклеточной мембраны

764

симый компонент, образуя в этом месте вогнутость, которая, за­ мыкаясь вокруг адсорбированного компонента, затем отделяется вместе с содержимым, превращаясь в вакуоль. Различают два типа эндоцитоза: фагоцитоз - поглощение и перенос в клетку твердых частиц - и пиноцитоз - поглощение и перенос жидко­ стей, включая коллоидные растворы. Эндо- и экзоцитозы - ак­ тивные процессы, требующие затраты энергии.

В клеточных мембранах содержатся тысячи различных бел­ ков, которые выполняют всевозможные функции. Среди них есть структурные белки, белки-переносчики, транспортирующие че­ рез мембрану те или иные вещества по градиенту концентрации (пассивный транспорт) и против градиента концентрации (ак­ тивный транспорт, осуществляемый за счет энергии гидролиза АТФ). Считается, что в белковых молекулах или между ними в мембранах возникают гидрофильные каналы или поры. Эти по­ ры пронизывают мембрану, обеспечивая проход определенных ионов или полярных молекул сквозь гидрофобную сердцевину бислоя. В мембранах содержатся ансамбли белков-ферментов, обеспечивающие перенос электронов и протонов, преобразование энергии и протекание взаимосвязанных реакций, а также спе­ цифические рецепторы на основе гликопротеинов. Их олигосахаридные цепи, находясь в наружном водном слое, напоминают антенны, распознающие внешние сигналы. С распознаванием связана деятельность различных регуляторных систем мембраны, а также иммунный ответ системы, в котором гликопротеины играют роль антигенов.

Таким образом, биомембраны являются многокомпонентными дисперсными системами, находящимися в условиях организма в жидкокристаллическом состоянии, что позволяет им выпол­ нять разнообразные функции, обеспечивающие жизнедеятель­ ность как отдельной клетки, так и их множеств. Ж идкокри­ сталлическое состояние свойственно не только клеточным мем­ бранам, но и мембранам органелл и цитозолю клетки.

27.7.2. КРОВЬ - СЛОЖНАЯ ДИСПЕРСНАЯ СИСТЕМА

Кровь представляет собой сложную лиофилизированную дис­ персную систему, в которой дисперсионной средой является плаз­ ма, а дисперсная фаза представлена форменными элементами или клетками крови - эритроцитами, лейкоцитами и тромбоцитами, а также коллоидными частицами малорастворимых веществ.

Клетки крови составляют микрогетерогенную фракцию дис­ персной фазы: размеры лейкоцитов составляют (10-13) •10-6 м, эритроцитов - (7,2-7,5) •10_6 м и тромбоцитов - (2-5) •10-6 м.

Коллоидная (ультрамикрогетерогенная) фракция дисперсной фазы в крови представлена мицеллами липопротеинов, белков, а также мицеллами нерастворимых в воде уратов (кальциевых солей мочевой кислоты), лиофилизированных адсорбированны­ ми макромолекулами растворенных белков.

765