Слесарев. Основы Химии живого

практике. Порошки и пасты (высококонцентрированные суспен­ зии), мази и кремы (концентрированные эмульсии) используются для лечения различных заболеваний кож и и других органов. Аэ­ розоли широко применяются для введения лекарственных пре­ паратов в организм через дыхательные пути. С другой стороны, некоторые аэрозоли, содержащиеся в окружающей человека сре­ де, оказывают вредное воздействие на его организм. Так, биоаэ­ розоли вирусов и микроорганизмов, а также пыльцы и спор не­ которых растений способствуют распространению инфекционных и аллергических заболеваний у людей и животных.

27.5.1. СУСПЕНЗИИ

Суспензиями называются микрогетерогенные дисперс­ ные системы, в которых дисперсионной средой является жидкость, а дисперсная фаза представлена твердыми частицами с размерами 10~в-10~4 м.

Суспензии отличаются от коллоидных растворов (золей) значи­ тельно большими размерами частиц дисперсной фазы, и этим обу­ словлена разница в их свойствах. Относительно крупные частицы дисперсной фазы в суспензиях практически не подвержены бро­ уновскому движению, и поэтому они не проявляют способность к диффузии, а также не способствуют явлению осмоса в системе.

Суспензии отражают видимый свет: при прямом освещении они мутны, в то время ка к коллоидные растворы при прямом освещении прозрачны.

Суспензии являются седиментационно неустойчивыми сис­ темами вследствие относительно крупны х размеров частиц, ко ­ торые оседают или всплывают в зависимости от соотношения плотностей дисперсионной среды и дисперсной фазы. В то же время удельная поверхность раздела фаз, а значит, и свободная поверхностная энергия в суспензиях существенно меньше, чем в золях (при одинаковой массовой концентрации дисперсной фазы в обеих системах). Агрегативная устойчивость суспензий обеспечивается, ка к и у коллоидных растворов, расклиниваю­ щим давлением в тонких слоях жидкости между частицами.

Влиофильных суспензиях из-за наличия сродства дисперс­ ной фазы к дисперсионной среде на поверхности частиц обра­ зуются сольватные оболочки, препятствующие их слипанию, поэтому нет надобности вводить стабилизатор. Примером таких систем может служить суспензия целлюлозных волокон или зерен крахмала в воде.

Влиофобных суспензиях необходимо присутствие стабили­ затора, роль которого могут играть ионы электролитов в малых концентрациях, а также ПАВ или ВМС, которые, адсорбируясь на твердых частицах, лиофилизируют поверхность раздела фаз

ипоэтому оказывают стабилизирующий эффект.

Вмедицинской практике при лечении ряда кожны х заболева­ ний используют суспензии, содержащие кальциевые, магниевые,

752

цинковые и другие препараты, а также пасты - предельно концен­ трированные суспензии. Высокая концентрация дисперсной фазы в пастах препятствует свободной седиментации частиц, и этим обеспечивается устойчивость паст и длительность их хранения. Суспензии ядохимикатов, пестицидов, минеральных удобрений применяют в сельском хозяйстве. Многие продукты питания пред­ ставляют собой суспензии и пасты.

27.5.2. ЭМУЛЬСИИ

Эмульсиями называются микрогетерогенные системы из несмешивающихся жидкостей, состоящие из мель­ чайших капелек одной жидкости, размерами 10~6-10~4 м

(дисперсная фаза), распределенных в объеме другой жид­ кости (дисперсионной среды).

К эмульсиям относится ряд важнейших жиросодержащих про­ дуктов питания: молоко, сливки, сметана, сливочное масло, мар­ гарин, майонез и др. Нерастворимые в воде жидкие растительные и твердые животные жиры, попадая в организм, переводятся в эмульгированное состояние под действием желчных кислот. Затем капельки водной эмульсии жира подвергаются воздействию фер­ ментов желудочного сока и при большой поверхности соприкосно­ вения с желудочным соком легко усваиваются организмом.

Эмульсии образуются из двух несмешивающихся жидкостей, сильно различающихся по полярности. Практически всегда одной из жидкостей является вода (полярная жидкость), а другой - ка- кая-либо неполярная жидкость, обычно называемая маслом. Это могут быть растительные или нефтяные масла и другие неполяр­ ные жидкие органические вещества (бензол, хлороформ и др.). В зависимости от того, какая из жидкостей является дисперсион­ ной средой (непрерывной фазой), а какая - дисперсной фазой (от­ дельные капельки жидкости), эмульсии делят на два типа: пря­ мые - “ масло в воде” (М /В) и обратные - “ вода в масле” (В/М ) (рис. 27.16). Образование эмульсии типа М /В или В /М не зависит от соотношения объемов жидкостей, взятых для ее получения, а определяется природой эмульгатора. Дисперсионной средой всегда служит та жидкость, в которой растворим эмульгатор. Если эмульгатор растворим в воде, то образуется эмульсия типа М /В , если он растворим в масле, то - эмульсия В/М . Так, желчные ки ­ слоты, хорошо растворимые в воде, являются эмульгатором для жиров, попадающих в организм, и образуют эмульсии типа М /В .

Тип эмульсии можно установить: а) измерением электриче­ ской проводимости (при этом для прямых эмульсий М /В харак­ терна высокая электрическая проводимость, а для обратных эмульсий В /М - низкая); б) смешением с избытком полярной или неполярной жидкости; в) окрашиванием водорастворимы­ ми или жирорастворимыми красителями; г) по смачиванию, т. е. растеканию капли эмульсии на гидрофобной или гидро­ фильной поверхности.

Рис. 27.16. Типы эмульсий: а — прямая эмульсия (М /В); б — обрат* ная (В /М )

В зависимости от концентрации дисперсной фазы различа­ ют эмульсии разбавленные (не более 1,0 % ), концентрирован­ ные (не более 75 %) и высококонцентрированные, или кремы (более 75 % ).

Эмульсии относятся к лиофобным дисперсным системам, по­ этому они требуют присутствия специального стабилизатора, ко ­ торый называется эмульгатором. Хорошими эмульгаторами яв­ ляются ПАВ и некоторые ВМС, дифильные молекулы которых, адсорбируясь на границе раздела масло/вода и ориентируясь в соответствии с правилом уравнивания полярностей, снижаю т межфазное поверхностное натяжение аж/ж. При этом вокруг мельчайших капелек дисперсной фазы образуется прочный слой из молекул эмульгатора, который увеличивает сродство дисперс­ ной фазы к дисперсионной среде, т. е. лиофилизирует эмульсию. В качестве эмульгаторов возможно также использование тонкоизмельченных до мелкого порошка нерастворимых минералов: глины, гипса, сажи, оксидов и сульфидов некоторых металлов. При этом гидрофильные порошки стабилизируют прямые эмуль­ сии М /В , а гидрофобные - стабилизируют обратные эмульсии В /М . Эмульгирующая способность порошков значительно меньше, чем растворимых эмульгаторов, и объясняется в основном соз­ данием на поверхности капель структурно-механического барь­ ера, ограждающего капли от слияния.

Агрегативная устойчивость эмульсий обеспечивается присут­ ствием эмульгатора. Понижение агрегативной устойчивости эмуль­ сии приводит к самопроизвольному слиянию капелек дисперсной фазы - коалесценции. Коалесценция в свою очередь может при­ вести к разрушению эмульсии, т. е. разделению ее на два ж ид­ ки х слоя. В разбавленных эмульсиях, стабилизированных ионо­ генными ПАВ, коалесценция может быть вызвана теми же фак­ торами, что и коагуляция лиофобных коллоидных растворов: добавлением небольшого количества электролитов, механиче­ ским воздействием (сбиванием, центрифугированием), нагрева­ нием, способствующим десорбции эмульгатора.

754

Эмульсии - седиментационно неустойчивые системы. При их разрушении происходит оседание или всплывание капелек дисперсной фазы.

Эмульсии можно получать ка к диспергационными, так и конденсационными методами, но обычно для этой цели исполь­ зуют диспергирование одной жидкости в другую в присутствии эмульгатора.

Эмульсии широко распространены в природе и играют боль­ шую роль в практической медицине. Многие лекарства готовят в виде эмульсий. К ак правило, внутрь принимают эмульсии ти­ па М /В , а наружные лекарственные препараты представляют собой эмульсии типа В /М . В санитарно-гигиенической практи­ ке часто возникает необходимость разрушать эмульсии с целью очистки природных и промышленных вод.

27.5.3. АЭРОЗОЛИ

Аэрозоли широко распространены в природе. Облака и ту­ чи, цветочная пыльца, семена и споры растений, а также оби­ тающие в воздухе микроорганизмы и вирусы - все это аэрозо­ ли, наполняющие воздушную среду, окружающ ую человека. Строго говоря, атмосфера Земли представляет собой огромную разнообразную аэродисперсную систему.

Аэрозолями называются дисперсные системы, в кото­ рых дисперсионной средой является газ (воздух), а дис­ персная фаза представлена твердыми или жидкими частицами с размерами 10~7-10~4 м.

Аэрозоли с жидкой дисперсной фазой называются туманами, а с твердой дисперсной фазой - дымами (размер частиц 10- 7- 10-6 м) или пылями (10“ 6- 10“4 м).

Основные источники образования аэрозолей:

-природные аэрозоли - туманы, различные дымы и пыли;

-выбросы мелкодисперсных частиц промышленными пред­ приятиями, авто- и авиатранспортом, а также новые аэрозольные ч&стицы, образующиеся за счет взаимодействия выбрасываемых

ввоздух веществ между собой, с компонентами атмосферы и под действием солнечной радиации. К последним относятся различ­ ные смоги: токсический, фотохимический (разд. 14.1.1, 14.1.2);

-биологические аэрозоли - сложные системы, в состав ко ­ торых входят вирусы и бактерии, адсорбированные на поверх­

ности твердых или ж идких частиц дисперсной фазы; - аэрозоли, получаемые искусственным путем для практи­

ческого использования в промышленности, сельском хозяйстве и медицине.

Аэрозоли, ка к и другие виды дисперсных систем, могут быть получены методами диспергации и конденсации. Соответственно различают диспергационные и конденсационные аэрозоли.

755

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

В основе гомогенной конденсации лежит образование твердых или ж идких 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 ж изни 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 ка к от газообразного со­ стояния, так и от конденсированного. Его можно рассматривать ка к переходную стадию при гомогенной конденсации с образо­ ванием аэрозолей в виде облаков и туманов.

Воснове гетерогенной конденсации аэрозольных частиц ле­

жит межмолекулярное взаимодействие молекул газа или ж ид­ кости с поверхностью уже существующих твердых или ж идких 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 SO2, 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 ка к 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, ка к 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 (O t) либо отрицательные (0 2) 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: седиментационную и агрегативную. Седиментационная устойчивость, несмотря на от­ носительно крупные размеры аэрозольных частиц, обеспечивает­ ся высокой интенсивностью броуновского движения этих частиц

вгазовой 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, ка к 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 ка к одноименные заряды препятствуют коа­ гуляции. Сильное электрическое поле способствует коагуляции

незаряженных аэрозольных частиц, так ка к 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 имеющих 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 ж идких 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, Si02), антракоз (угольная пыль, С), асбестоз (асбестовая пыль, Mg3[S i205](0H)4) и др. Пыли, вызывающие пневмокониозы, ка к правило, относятся к диспергациоыыым 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 ш ироко 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 противоионы 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/(4ял)

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

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

Рис. 27.17. Схема движения

Противоионы диффузного слоя частицы 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 решен -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 ка к 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, кож ны й 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 ж идкости, протекающее че­ рез капиллярную систему в единицу времени при электроосмо­

761