Образование и строение мицеллы

Образование и строение мицеллы

Мицеллы (уменьшительное от лат. mica «частица, крупинка») — это агрегаты поверхностно-активных веществ (ПАВ) в коллоидном растворе (золe), состоящие из большого количества амфифильных молекул. Как пример можно привести мицеллы додецилсульфата в воде. Раствор ПАВ, в котором мицеллы находятся в равновесии с одиночными неассоциированными молекулами — мономерами — называется мицеллярным раствором.

Переход к мицеллообразованию происходит в узком интервале концентраций, и его можно трактовать как фазовый переход 2-го рода. Причиной мицеллообразования в водных растворах является гидрофобный эффект, а в средах из неполярных молекул — взаимное притяжение полярных групп молекул ПАВ. Ниже определённой температуры (точки Крафта) образование мицелл не происходит, а при увеличении концентрации ПАВ наблюдается кристаллизация. При приближении концентрации ПАВ к критической концентрации мицеллообразования происходит резкое изменение свойств раствора: электропроводности, поверхностного натяжения, коэффициента рассеяния света и т. д.

Мицеллярные системы вызывают большой интерес как с точки зрения различных физико-химических технологических приложений (см., например, мицеллярный катализ), так и своеобразия самого механизма мицеллообразования. В частности, этот интерес связан с полиморфизмом мицелл — способностью молекул ПАВ образовывать агрегаты различной формы — сферической, цилиндрической, нитевидной. Одним из важных свойств, вытекающим непосредственно из строения молекул ПАВ, является солюбилизация. Применение свойства солюбилизации — это эмульсионная полимеризация, изготовление пищевых продуктов, получение фармацевтических препаратов.

К мицеллам относят частицы в лиофильных коллоидах (растворах поверхностноактивных веществ). В лиофильных золях мицелла представляет собой ассоциат молекул (агрегаты, состоящие из десятка и сотен амфильных молекул). В каждой молекуле длинный гидрофобный радикал связан с полярной (гидрофильной) группой. При образовании мицеллы несколько десятков или сотен молекул объединяются так, что гидрофобные радикалы образуют ядро (внутреннюю область), а гидрофильные группы — поверхностный слой мицеллы. Концентрацию поверхностно-активных веществ в растворе, при которой в системе образуются устойчивые мицеллы, находящиеся в равновесии с неассоциированными молекулами поверхностно-активного вещества, называют критической концентрацией мицеллоообразования. Если дисперсионной средой является органическая жидкость, ориентация молекул в мицелле может быть обратной: ядро содержит полярные группы, а гидрофобные радикалы обращены во внешнюю фазу (обратная мицелла).

В лиофобных гидрозолях, стабилизованных электролитами, ядро мицеллы окружено двумя слоями противоположно заряженных ионов, т. е. двойным электрическим слоем. Диффузный слой ионов препятствует сближению и агрегированию (сцеплению) частиц.

Иллюстрации

Схема строения сферической мицеллы.

Строение мицеллы

Мицеллой лиофобной системы называется гетерогенная микросистема, которая состоит из микрокристалла дисперсной фазы, окруженного сольватированными ионами стабилизатора.

Потенциалопределяющими называются ионы, адсорбирующиеся на поверхности частички твёрдой фазы (агрегата) и придающие ей заряд. Агрегат вместе с потенциалопределяющими ионами составляет ядро мицеллы.

Противоионы – ионы, группирующиеся вблизи ядра мицеллы.

Расположение противоионов в дисперсионной среде определяется двумя противоположными факторами: тепловым движением (диффузией) и электростатическим притяжением

М ицелла

Коллоидная частица

Диффузный слой

Адсорбционный

слой

П ротивоионы входящие в состав плотного адсорбционного слоя, называются «связанными» и вместе с ядром составляют коллоидную частицу или гранулу. Коллоидная частица (гранула) имеет заряд, знак которого обусловлен знаком заряда потенциалопределяющих ионов.

Противоионы, образущие диффузный слой - «подвижные» или «свободные».

Рассмотрим структуру мицеллы золя йодистого серебра, полученного обменной реакцией между йодистым калием и азотнокислым серебром при избытке йодистого калия. В этом случае строение образующихся мицелл отражает следующая реакция и схема:

KJ + AgNO_3 (изб) = AgI↓ + KNO₃

_{а грегат потенциал- противоионы диффузный}

_{образующие (диффузионный)}

_{ионы слой}

_{я дро}

_{а дсорбционный слой}

_{к оллоидная частица}

_{м ицелла}

Правила построения мицеллы

1. Агрегатом является получающийся в ходе реакции осадок.

2. Потенциалобразующими ионами являются ионы, удовлетворяющие двум условиям:

а) данные ионы должны быть в строении вещества, которое находится в реакции в избытке или является стабилизатором;

б) данные ионы должны быть подобны ионам, находящимся в агрегате (правило Панета-Фаянса: на кристаллической поверхности агрегата адсорбируются те ионы, которые могут достроить её кристаллическую структуру).

3. Противоионами и ионами, образующими диффузионный слой, являются оставшиеся ионы вещества, которое находится в реакции в избытке или является стабилизатором.

4. Коэффициенты m, n, (n-x), x являются постоянными для любой мицеллы и численно не определены.

Цель работы: Получение коллоидных растворов различными методами и изучение их оптических свойств.

Оборудование: Стеклянные конические колбочки, прибор с направленным источником света.

Реактивы: Растворы йодистого калия 0,05 Н и азотнокислого серебра 0,05 Н, 2% спиртовой раствор канифоли, 1,5% раствор перманганата калия, 1% раствор гипосульфита, 20% раствор жёлтой кровяной соли, насыщенный раствор хлорного железа, 0,1 Н раствор щавелевой кислоты, дистиллированная вода, фильтровальная бумага.

Порядок работы:

• Методы конденсации.

1. Химическая конденсация.

1) Метод обменной реакции – получение золя иодида серебра.

а) в коническую колбочку налить 8 мл раствора азотнокислого серебра AgNO₃ и 10 мл раствора йодистого калия KJ. Записать реакцию, протекающую в колбе. Написать формулу образовавшейся мицеллы. Записать окраску золя в отражённом и проходящем свете. Наблюдать конус Тиндаля при попадании на раствор узкого направленного пучка свете.

б) в коническую колбочку налить 10 мл раствора азотнокислого серебра AgNO₃ и 8 мл раствора йодистого калия KJ. Записать реакцию, протекающую в колбе. Написать формулу образовавшейся мицеллы. Записать окраску золя в отражённом и проходящем свете. Наблюдать конус Тиндаля при попадании на раствор узкого направленного пучка свете.

2) Метод ОВР – получение золя двуокиси марганца.

В колбу налить 5 мл 1,5 % раствора перманганата калия KMnO₄ и добавить 50 мл дистиллированной воды. К полученному раствору по каплям добавить 1 мл 1 % раствора гипосульфита Na₂S₂O₃. Наблюдать образование вишнёво-красного золя двуокиси марганца. Записать реакцию, протекающую в колбе, (коэффициенты расставьте самостоятельно):

KMnO₄ + Na₂S₂O₃ + H₂O → MnO₂↓ + Na₂SO₄ + K₂SO₄ + KOH

Написать формулу мицеллы золя. Записать окраску золя в отражённом и проходящем свете. Наблюдать конус Тиндаля при попадании на раствор узкого направленного пучка свете.

2. Физическая конденсация.

1) Метод замены растворителя – получение золя канифоли.

В коническую колбу с 50 мл дистиллированной воды прилить 5 мл 2 % спиртового раствора канифоли и встряхнуть. Записать наблюдаемую окраску получившегося золя в отражённом и проходящем свете. Убедиться в наличие конуса Тиндаля при попадании на раствор узкого направленного пучка свете. Отметить, что остатки спирта являются стабилизатором данной коллоидной системы.

• Методы диспергирования.

1) Химическое диспергирование (пептизация) – получение золя берлинской лазури.

В коническую колбу налить 1,5 мл 20 % раствора жёлтой кровяной соли K₄[Fe(CN)₆] и 0,5 мл насыщенного раствора хлорного железа FeCl₃. Выпавший осадок берлинской лазури Fe₄[Fe(CN)₆]₃ перенести на фильтр, промыть дистиллированной водой и залить на фильтре 0,1 Н раствором щавелевой кислоты (СООН)₂. В результате пептизации осадка через фильтр в колбочку проходит синий золь берлинской лазури. Записать реакцию, протекающую в колбе. Написать формулу мицеллы золя. Записать окраску золя в отражённом и проходящем свете. Наблюдать конус Тиндаля при попадании на раствор узкого направленного пучка свете.