Слесарев. Основы Химии живого

Рис. 26.8. Влияние поверхностной активности молекул ПАВ на их положение на границе раздела масло/вода

ыости. При дальнейшем увеличении концентрации П А В в раство­ ре строение адсорбционного слоя, а также поверхностное натя­ жение не изменяются, а внутри раствора образуются мицеллы из молекул П А В (разд. 27.3.2).

В зависимости от поверхностной активности молекул П А В от­ личие в их поведении на границе раздела фаз особенно четко про­ является на границе раздела двух несмешивающихся жидкостей. Жидкости, резко отличающиеся по полярности, например вода и масло (машинное или растительное), при смешивании всегда рас­ слоятся с образованием границы раздела между ними. Если в эту систему ввести водорастворимое П АВ, то его молекулы своей по­ лярной, гидрофильной частью будут ориентированы к воде, а гидрофобной - к маслу (неполярной жидкости). Положение моле­ кул П А В на границе будет зависеть от соотношения гидрофиль­ ных и гидрофобных свойств соответствующих фрагментов в моле­ куле, т. е. от их поверхностной активности (рис. 26.8).

Для характеристики поверхностной активности молекул П А В используют их гидрофилъно-липофилъный баланс (ГЛБ). ГЛБ за­ ключается в том, что в молекуле любого поверхностно-активного вещества имеется определенное соотношение между активностями гидрофильных и гидрофобных групп. От соотношения гидро­ фильных и гидрофобных свойств зависит пригодность П А В для той или иной цели. Так, для пеногасителей нужны П АВ, у моле­ кул которых гидрофобные свойства значительно превосходят гид­ рофильные. Для получения эмульсий масла в воде (прямая эмуль­ сия) необходимы П АВ , у молекул которых гидрофильные свой­ ства уже становятся заметными, но гидрофобные свойства еще сильно преобладают. Для получения эмульсий воды в масле (об­ ратная эмульсия) нужны П АВ, у молекул которых гидрофоб­ ные и гидрофильные свойства выражены примерно одинаково. При использовании П А В в качестве моющих средств применя­ ют вещества, в молекуле которых гидрофобные свойства выра­ жены несколько меньше, чем гидрофильные (разд. 27.3.3).

Таким образом, поверхностно-активные вещества благодаря дифильным свойствам играют исключительно важную роль в природе, так как позволяют совместить между собой гидро­ фильные и гидрофобные системы, т. е. то, что принято считать несовместимым. Именно с помощью П А В в живых организмах

701

обеспечивается гидрофильно-липофильный гомеостаз. Особые свой­ ства растворов П А В не ограничиваются поведением этих моле­ кул на границе раздела фаз. При повышенной концентрации

ров, формы и ориентации их мицелл, а также от характера движения этих частиц в растворе (разд. 27.3.2).

26.7. ХРОМАТОГРАФИЯ

Хроматография является эффективным методом разделения и анализа биологических систем и объектов окружающей среды, позволяющим разделять смесь практически любых веществ. Ос­ новоположником хроматографического метода и самого термина “хроматография” (от греч. chroma - цвет, grapho - пишу) явля­ ется русский ботаник М . С. Цвет, который еще в 1903 г. исполь­ зовал этот метод для анализа и разделения хлорофилла.

Хроматография - физико-химический метод разделе­ ния и анализа смесей веществ, основанный на много­

кратно повторяющихся процессах сорбции и десорбции разделяемых веществ между подвижной и неподвижной фазами, что приводит к различию в скорости движе­ ния этих веществ относительно неподвижной фазы.

Хроматографирование анализируемой смеси возможно при соблюдении следующих требований:

- разделяемые вещества должны иметь различные констан­ ты сорбции по отношению к подвижной* и неподвижной фазам; - неподвижная фаза должна быть такой, чтобы процессы

сорбции разделяемых веществ на ней были обратимы. Сущность разделения веществ при хроматографировании за­

ключается во введении разделяемой смеси из веществ X , Y , Z в хроматографическое устройство, содержащее неподвижную и под­ вижную фазы. В соответствии с законами термодинамики и сорб-

Рис. 26.9. Схема хроматографического разделения смеси веществ

702

ционного равновесия каждое вещество смеси будет распреде­ ляться между контактирующими фазами в соответствии с его сродством к этим фазам (рис. 26.9).

Эти вещества будут перемещаться подвижной фазой вдоль неподвижной с разными скоростями. Чем больше сродство веще­ ства к неподвижной фазе и меньше к подвижной фазе (вещество

4(D), тем меньше скорость его движения с подвижной фазой относительно неподвижной. Обратная картина будет наблю­

даться для вещества t*©. Эти различия в свойствах веществ с течением времени обусловят их разделение в хроматографиче­ ском устройстве и приведут к появлению на неподвижной фазе отдельных зон, содержащих практически чистые разделяемые вещества. Таким образом, чем больше разница в сорбционной способности разделяемых веществ к подвижной и неподвижной фазам, тем больше разница в скоростях их перемещения по не­ подвижной фазе и тем полнее их разделение.

Хроматографическая методика разделения веществ состоит из следующих этапов: 1 ) выбор и подготовка используемых об­ разцов подвижной и неподвижной фаз; 2) нанесение анализируе­ мой смеси на неподвижную фазу и введение подвижной фазы; 3) собственно хроматографирование, т. е. разделение веществ при движении подвижной фазы относительно неподвижной; 4) детек­ тирование веществ, т. е. обнаружение местонахождения разде­ ленных веществ на неподвижной фазе или в подвижной фазе после прохождения ее через неподвижную фазу; 5) количест­ венное определение содержания веществ в разделенных зонах.

Эффективность хроматографического процесса зависит:

1 ) от физико-химических свойств неподвижной и подвиж­ ной фаз;

2) от сродства разделяемых веществ к контактирующим фазам;

3) от условий хроматографирования (скорости движения под­ вижной фазы, температуры, времени разделения).

Изменяя эти параметры, можно подобрать такие условия, которые позволят достигнуть разделения веществ с очень близ­ кими физико-химическими свойствами, например изомеров.

Классификация хроматографических методов. В зависимо­ сти от рассматриваемого признака хроматографического процес­ са различают следующие виды хроматографии.

По цели проведения:

-аналитическая хроматография используется для качест­ венного и количественного анализа смеси веществ;

-препаративная хроматография предназначена для выде­ ления из смеси чистых компонентов или для очистки вещества от примесей.

По агрегатному состоянию подвижной фазы хроматографию подразделяют на газовую и жидкостную.

703

Измеритель скорости газового потока

Рис. 26.10. Схема газового хроматографа (а) и хроматограмма раз­ деляемой смеси веществ (б)

В газовой хроматографии подвижной фазой является газ, который называется газ-носитель, а неподвижной фазой - твер­ дый гранулированный адсорбент или нелетучая жидкость, на­ несенная на твердый носитель. Неподвижная фаза находится в колонке, а в случае капиллярной колонки роль неподвижной фазы выполняют ее стенки. Газовую хроматографию применяют для разделения летучих термически устойчивых веществ с мо­ лекулярной массой до 200-300.

Для проведения газовой хроматографии используют хромато­ граф (рис. 26.10). Анализируемая смесь вводится в испаритель, а оттуда с помощью газа-носителя попадает в колонку с неподвиж­ ной фазой, помещенную в термостат. Различные компоненты смеси перемещаются газом-носителем вдоль колонки с разными скоро­ стями из-за разного сродства их к неподвижной фазе. Поэтому раз­ деляемые вещества выходят из колонки в разное время и по от­ дельности регистрируются детектором, который передает сигнал са­ мописцу. В результате получается хроматограмма, представляющая собой несколько пиков, число которых зависит от числа присутст­ вующих в смеси веществ, а площадь каждого пика пропорцио­ нальна содержанию соответствующего вещества. Идентификация ве­ щества проводится по времени удерживания, которое сравнивают со временем удерживания эталона при его хроматографировании на данной колонке при аналогичных условиях. Определение количе­ ственного состава смеси выполняют, анализируя площадь получен­ ных пиков для всех веществ, а относительное содержание каждо­ го компонента равно отношению площади пика этого компонента St к сумме площадей пиков всех компонентов смеси: ct = S*/ZS*.

В жидкостной хроматографии подвижной фазой является жидкость, как чистая, так и смесь разных жидкостей. Непод­ вижной фазой является твердый гранулированный адсорбент или

704

тонкий слой жидкости, нанесенный на твердый носитель или содержащийся в нем. Жидкостная хроматография пригодна для разделения органических и неорганических веществ, включая и термически неустойчивые, а также веществ с большой моле­ кулярной массой.

По применяемой технике эксперимента жидкостная хрома­ тография в зависимости от размещения неподвижной фазы де­ лится на плоскостную (тонкослойную или бумажную) и объем­

ную (колоночную).

В тонкослойной хроматографии (ТСХ) в качестве твердой фазы используются силикагель (nSi02 • mH20), оксид алюминия (А 120 з ), целлюлоза или другие полимеры, которые наносятся тон­ ким слоем на пластинку (рис. 26.11, а). Вблизи нижнего края пластинки на слой сорбента наносят пятно анализируемой смеси, а рядом по горизонтали - пятна известных соединений-свидете- лей. После высыхания пятен пластинку опускают в закрываю­ щуюся камеру с подвижной фазой, которая поднимается по пла­ стинке за счет капиллярных сил. Вместе с подвижной фазой по неподвижной фазе перемещаются нанесенные вещества, причем с разными скоростями, зависящими от их сорбционных свойств. Когда фронт подвижной фазы поднимется к верхнему краю пла­ стинки, ее вынимают из камеры, высушивают, и, если анализи­ руемые вещества не окрашены, то хроматограмму проявляют. Для этого хроматограмму или опрыскивают окрашивающим реа­ гентом, или облучают ультрафиолетовым светом, или окрашива­ ют, выдерживая в парах иода. При проявлении на хроматограмме в местах нахождения анализируемых веществ появляются пятна.

На рис. 26.11, б представлена тонкослойная хроматограмма, полученная при разделении смеси из трех веществ X , Y , Z. Для идентификации веществ используются соответствующие соеди­ нения-свидетели, а также значения фактора относительного

Линия Крышка фронта

Y подвижной фазы

Кювета-

О х

Пятна

на O z старте

Линия

старта

Соединения-свидетели Анализируемая смесь

Рис. 26.11. Тонкослойная хроматография (а) и хроматограмма разде­ ляемой смеси веществ (б)

удерживания Rf, представляющего собой отношение пути Д(Х), пройденного веществом, к пути, пройденному подвижной фазой Л(Ф) от линии старта до линии фронта:

ДДХ) = h(X)/h(Ф)

Фактор относительного удерживания зависит от природы ана­ лизируемых веществ, природы подвижной и неподвижной фаз, от условий хроматографирования. При одинаковых условиях ана­ лиза фактор относительного удерживания является величиной, позволяющей идентифицировать компоненты смеси при помо­ щи соединений-свидетелей.

Количественный анализ разделяемых веществ проводят пу­ тем измерения оптической плотности пятна, образующегося при взаимодействии определяемого вещества с цветообразующим реа­ гентом. Тонкослойная хроматография не требует сложной аппа­ ратуры, проста в исполнении и дает надежные результаты при наличии соответствующих свидетелей. Тонкослойная хроматогра­ фия включена в качестве стандартного метода анализа лекарст­ венных препаратов в Государственную фармакопею России.

Наряду с тонкослойной хроматографией широко использует­ ся бумажная хроматография, которая по технике исполнения близка к ТС Х и так же проста. В бумажной хроматограмме не­ подвижной фазой является вода, входящая в состав бумаги.

Колоночная хроматография широко используется для ко­ личественного разделения смесей. В этом случае в верхнюю часть колонки с сорбентом наносят анализируемую смесь и через слой сорбента медленно пропускают подвижную фазу. Этот процесс называют элюированием. Из-за разных сорбционных свойств ка­ ждый компонент смеси имеет свое время удерживания, т. е. время прохождения через колонку. Последовательные порции элюента собирают в отдельные емкости, испаряют подвижную фазу, и получается чистый компонент.

Впоследнее время широкое применение для анализа неле­ тучих веществ находит высокоэффективная жидкостная хро­ матография (ВЭЖ Х), которая осуществляется с помощью спе­ циального хроматографа. В отличие от газовой хроматографии

вэтом случае через колонку с неподвижной фазой под давлени­ ем пропускается жидкая подвижная фаза. В остальном В Э Ж Х подобна газовой хроматографии.

По механизму разделения веществ хроматографию подразде­ ляют на адсорбционную, распределительную (абсорбционную), ионообменную, молекулярно-ситовую и биоспецифическую (аф­ финную).

Вадсорбционной хроматографии вещества разделяются бла­ годаря различию их констант адсорбции в системах газ - твер­ дый адсорбент или жидкость - твердый адсорбент.

Враспределительной хроматографии разделение веществ про­ исходит вследствие различия констант распределения при аб­ сорбции веществ из газовой или жидкой подвижной фазы ж ид­

706

Гпава 27

ФИЗИКОХИМИЯ ДИСПЕРСНЫХ СИСТЕМ

После изучения этой главы вы должны знать:

-классификацию дисперсных систем и их свойства;

-природу и строение, мицелл, общие свойства и различия лиофобных и лиофильных коллоидных систем;

-виды и причины устойчивости коллоидных растворов, факто­ ры, вызывающие ее нарушение, явление коллоидной защиты;

-строение двойного электрического слоя, электрокинетический потенциал и электрокинетические явления в дисперсных сис­ темах;

-основные особенности растворов биополимеров, гели и их свойства;

-основные свойства аэрозолей, суспензий, эмульсий.

27.1. ДИСПЕРСНЫЕ СИСТЕМЫ И ИХ КЛАССИФИКАЦИЯ

В окружающей нас природе, как и в живом организме, редко встречаются индивидуальные химические вещества. Чаще мно­ гообразие веществ, составляющих живую и неживую природу, представлено в виде растворов или в виде дисперсных систем.

Дисперсной системой называется гетерогенная систе­ ма, в которой одна из фаз представлена мелкими час­ тицами, равномерно распределенными в объеме другой однородной фазы.

Всякая дисперсная система состоит из дисперсной фазы и дисперсионной среды.

708

Д и сп ер сн ую фазу составляют мелкораздробленные час­ тицы, равномерно распределенные в дисперсной сист еме. Д и сперси он н ую ср еду составляет однородная непрерыв­ ная фаза, в которой распределены частицы дисперсной фазы.

Классиф икация дисперсных систем. Дисперсные системы в природе отличаются огромным разнообразием, поэтому невозмож­ но составить для них единую классификацию. В основе сущест­ вующ их классификаций лежат различные свойства дисперсных систем: размер частиц дисперсной фазы, агрегатное состояние дисперсной фазы и дисперсионной среды, характер взаимодейст­ вия дисперсной фазы со средой, структурно-механические и дру­ гие свойства.

По размеру частиц дисперсной фазы:

Основные признаки

Размер

Название систем частиц» м Прохождение частиц

Прозрачность

через фильтры

По агрегатному состоянию дисперсной фазы и дисперсионной среды:

709

По характеру взаимодействия дисперсной фазы с дисперсионной средой:

Дисперсная фаза подвижна, так Дисперсная фаза практически не­ как представлена отдельными не подвижна, так как образует сплош­ связанными между собой части­ ную структуру (сетку, каркас), цами, более или менее равномер­ внутри которой заключена дис­ но распределенными в объеме дис­ персионная среда персионной среды

Биологические объекты (мышечные и нервные клетки, волок­ на, кровь и другие биологические жидкости) кроме истинно рас­ творенных веществ содержат частицы размером Ю ^-Ю -6 м, вслед­ ствие чего их можно рассматривать ка к коллоидные растворы.

Коллоидные растворы, ка к и другие дисперсные системы, могут быть лиофобными и лиофильными. И в тех, и в других структурными единицами являются мицеллы - микроструктуры, образующиеся при взаимодействии компонентов дисперсной фа­ зы и дисперсионной среды. Различный характер этого взаимо­ действия обусловливает различное строение мицелл в лиофобных и лиофильных коллоидных растворах, а также условия их суще­ ствования и стабильность.

27.2.ЛИОФОБНЫЕ КОЛЛОИДНЫЕ РАСТВОРЫ

Вбиологических системах, например в крови человека, содер­ жатся малорастворимые соли кальция, магния, а также холесте­ рин и другие малорастворимые вещества, существующие в виде

лиофобных коллоидных растворов. В литературе такие коллоид­ ные растворы часто называют золями или лиозолями.

710