Общая химия, Лекции 1-5
.pdfМинимальную концентрацию поверхностно-активных веществ в растворе, при которой в системе образуются устойчивые мицеллы, находящиеся в равновесии с неассоциированными молекулами ПАВ, называют
критической концентрацией мицеллообразования.
Если дисперсной средой является органическая жидкость, ориентация молекул в мицелле может быть обратной: ядро содержит полярные группы, а гидрофобные радикалы обращены во внешнюю фазу.
Свойства дисперсных систем
Молекулярно-кинетические
Броуновское движение частиц в растворе.
Осмотическое давление (примерно в тысячу раз меньше, чем в истинном растворе).
Оседание частиц в поле тяжести (седиментация). В медицине
скорость оседания эритроцитов СОЭ используется для
диагностики различных заболеваний. Оптические
Грубодисперсные системы являются оптически мутными, т.к. линейные размеры частиц больше длины световой волны.
В системах, размер частиц в которых не превышает 0,1 – 0,2 длины волны падающего света, наблюдается светорассеивание. Если на коллоидный раствор направить луч света и посмотреть сбоку, то можно увидеть светящийся (опалесцирующий) конус (конус Тиндаля). Явление опалесценции отличает коллоидные растворы от истинных. Снова вспомним лабораторную работу с опалесцирующим осадком серы.
Электрокинетические
Электрофорез – движение частиц дисперсной фазы в электрическом поле. Используется как способ доставки лекарств в ткани организма.
Электроосмос – движение частиц дисперсионной среды в
электрическом поле. Применяется в гемодиализе.
Причина электрокинетических явлений – образование двойного электрического слоя (ДЭС) на границе раздела фаз. ДЭС состоит из достаточно прочно связанных с поверхностью дисперсной фазы потенциалопределяющих ионов (ПОИ) и эквивалентного числа противоположно заряженных ионов – противоионов (ПИ), находящихся в дисперсионной среде.
Пример.
KIизб. + AgNO3 = AgI+ KNO3
|
{m[AgI] nI- |
(n-х)K+}х- хК+ |
|
|
агрегат ПОИ |
ПИ |
ПИ |
|
|
|
|
31 |
Лекции д.б.н., доцента Гимаутдиновой О.И. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
ядро мицеллы |
диффузионный слой |
адсорбционный слой
гранула
мицелла
где m - число формульных единиц в агрегате ПОИ – потенциал-определяющие ионы
n - число ПОИ
ПИ – противоионы
(n-x) – число ПИ в адсорбционном слое x - число ПИ в диффузионном слое
Другой способ изображения той же мицеллы:
Задание 1. Самостоятельно изобразите гидратную оболочку и обозначьте слои мицеллы.
Задание 2. Изобразите мицеллу продуктов реакции:
KI + AgNO3 изб. = AgI + KNO3
Устойчивость дисперсных систем
32 |
Лекции д.б.н., доцента Гимаутдиновой О.И. |
|
|
|
|
Дисперсные системы в отличие от истинных растворов являются
термодинамически неустойчивыми, т.е. они не могут длительное время сохранять все параметры системы без обмена веществом и энергией с внешней средой.
Седиментационная устойчивость – это устойчивость частиц к оседанию под действием силы тяжести. Грубодисперсные системы являются седиментационно неустойчивыми.
Агрегативная устойчивость – это способность дисперсных систем сохранять размер частиц и их индивидуальность. В агрегативно неустойчивых системах происходят процессы укрупнения частиц (коагуляция). Коагуляции препятствуют тонкие прослойки растворителя (гидратные оболочки в водных растворах) и электрокинетический потенциал частиц. Знак его заряда определяется зарядом гранулы, а величина – толщиной диффузного слоя.
Факторы устойчивости:
1)образование двойного электрического слоя (ДЭС)
2)электростатическое отталкивание одноименно заряженных коллоидных частиц и противоионов
3)гидратация (сольватация) ионов.
Противоионы диффузного слоя сольватированы; эта оболочка из сольватированных противоионов препятствует слипанию мицелл.
«Старение» гелей и золей
Термодинамическая неустойчивость коллоидных систем является причиной «старения» золей – (1) самопроизвольной коагуляции (автокоагуляции) золей. Автокоагуляция золей происходит значительно медленнее, чем их (2) коагуляция электролитами.
Одной из основных причин «старения» золей является медленно совершающийся (3) процесс перекристаллизации вещества ядра. Вопрос. В чем причина перекристаллизации ядра?
Большое значение имеет процесс разрушения коллоидных систем под действием электролитов. Коагулирующая способность электролита возрастает с увеличением заряда коагулирующего иона. Коагулирующим действием обладает ион, заряженый одноимѐнно с противоионом мицеллы.
Органические дисперсные системы В организме человека плазма крови, тканевая жидкость,
цитоплазма и мембраны клеток, ликвор, желчь, костная ткань являются дисперсными системами. Разберем их устройство, функции и нарушения при мицеллообразовании, которые могут вызвать патологию тканей.
33 |
Лекции д.б.н., доцента Гимаутдиновой О.И. |
|
|
|
|
Альбумины – белки плазмы крови, образуют коллоидные растворы второго типа, т.е. агрегатом в мицеллах альбумина является одна крупная белковая молекула.
Функции альбуминов:
1.Поддерживают онкотическое давление плазмы крови. 1 г альбуминов связывает около 4 г воды, не давая ей переходить в ткани сквозь стенки сосудов. При снижении концентрации альбуминов в плазме крови развиваются отѐки тканей.
2.Транспортируют в крови гидрофобные вещества: билирубин (продукт распада гемоглобина), жирные кислоты, лекарственные препараты.
3.Являются «активным депо» кальция плазмы. Ионы кальция адсорбируются на молекулах альбуминов, но при некотором снижении Ca+2 в крови этот комплекс «альбумин-кальций» легко диссоциирует.
4.При голодании могут быть использованы в организме как источник аминокислот.
Строение мицеллы альбумина
Агрегат |
ПОИ |
Заряд |
ПИ |
Схематический рисунок |
|
|
гран. |
|
|
Молекула |
Карбоксильные |
«-» |
Са2+,Na+, |
|
альбумина |
группы |
|
K+, Mg2+ |
Заполните самостоятельно |
|
аспарагиновой |
|
|
|
|
и |
|
|
|
|
глутаминовой |
|
|
|
|
кислот |
|
|
|
Так выглядит схема образования гидратной оболочки любого белка:
Напомню, что эритроциты – клетки крови, содержащие гемоглобин, выполняющий функцию переноса кислорода. В плазме образуют грубодисперсную систему – взвесь.
Строение мицеллы эритроцита
Агрегат |
ПОИ |
Заряд |
|
ПИ |
Схематический рисунок |
|
|
|
|
гран. |
|
|
|
Клетка |
Отрицательно |
«-» |
Са2+,Na+, |
|
||
|
|
|
|
|
|
|
34 |
Лекции д.б.н., доцента Гимаутдиновой О.И. |
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
эритроцита |
заряженные |
|
K+, Mg2+ |
|
|
остатки |
|
|
Заполните самостоятельно |
|
сиаловых |
|
|
|
|
кислот на |
|
|
|
|
поверхности |
|
|
|
|
эритроцита |
|
|
|
Снижение устойчивости взвеси эритроцитов может быть вызвано:
1.Десиалированием клеток (например, при воспалении).
2.Дегидратацией плазмы крови и уменьшением гидратной оболочки клеток.
3.Повышением концентрации ионов натрия в крови.
4.Снижением содержания гепарина в плазме.
Во всех этих случаях возрастает СОЭ – скорость оседания эритроцитов, в результате снижается снабжение клеток кислородом.
Аморфное вещество соединительной ткани заполняет всѐ пространство между клетками. С точки зрения коллоидной химии представляет собой студень – т.е. монофазную дисперсную систему, в которой все молекулы дисперсионной среды (воды) прочно связаны с мицеллами дисперсной фазы. Отсутствие свободной воды делает мицеллы неподвижными друг относительно друга. Студнями именуют системы, характеризующиеся обратимостью процесса коагуляции. Гели разрушаются необратимо.
Строение мицеллы аморфного вещества соединительной ткани
Агрегат |
ПОИ |
Заряд |
ПИ |
Схематический рисунок |
|
|
гран. |
|
|
Белковый «кор», с |
Карбоксильные |
«-» |
Са2+,Na+, |
|
которым соединены |
группы и |
|
K+, Mg2+ |
Заполните |
гетерополисахариды |
сульфогруппы |
|
|
самостоятельно |
|
гетерополисахаридов |
|
|
|
Свойства соединительной ткани.
Высокая упругость (студень аморфного вещества придаѐт форму мягким тканям, амортизирует при ходьбе, беге, прыжках);
Ограниченная проницаемость для воды и растворенных в ней веществ (соединительная ткань служит хорошим барьером для бактерий и вирусов; но, с другой стороны, процессы диффузии лекарственных препаратов в соединительной ткани протекают крайне медленно).
Впроцессе старения соединительной ткани наблюдается
Синерезис (от греч. synáiresis — сжатие, уменьшение) — уменьшение объѐма студней или гелей, сопровождающееся
35 |
Лекции д.б.н., доцента Гимаутдиновой О.И. |
|
|
|
|
отделением жидкости. Так происходит повреждение соединительной ткани (студень) в процессе старения, перепадов температуры при воспалении или обморожении. Соединительная ткань сжимается.
При механическом повреждении в студне соединительной ткани наблюдается явление
Тиксотропия (от греч. thixis - прикосновение и trope - поворот, изменение) - обратимое изменение физико-механических свойств дисперсных систем при механическом воздействии в изотермических условиях (удары, падение). В условиях организма появляется свободная вода и студень (гель) частично переходит в золь, который быстро уходит в кровоток.
Эти процессы лежат в основе возрастного уменьшения высоты межпозвоночных дисков, уменьшения толщины хрящей после перенесѐнных травм и т.д.
Отсюда (рис.) понятно, что гель – это более структурированный золь, вся вода включена в пространственную структуру из частиц дисперсной фазы.
Студень (твердый коллоид) – это в общем тоже гель, но содержащий меньше воды в дисперсной фазе.
Застудневание может происходить: 1) при действии между сближающимися частицами сил межмолекулярного притяжения;
2)за счет объединения макромолекул под влиянием возникающих водородных связей;
3)под воздействием добавок посторонних веществ, способствующих образованию дополнительных химических связей ("сшивающих мостиков"), В результате образуется пространственная структурная сетка.
Желчь представляет собой эмульсию. Вырабатывается в печени, необходима для нормального переваривания и всасывания липидов пищи, а также для выведения из организма избытка холестерина.
36 |
Лекции д.б.н., доцента Гимаутдиновой О.И. |
|
|
|
|
Строение мицеллы желчи
Агрегат |
ПОИ |
Стабилиз |
Заряд |
ПИ |
Схематический |
|
|
аторы |
гран. |
|
рисунок |
|
|
|
|
|
|
Холестерин |
Заряженные |
Желчные |
«-» |
Са2+ |
|
|
группы |
кислоты |
|
Na+, |
Заполните |
|
фосфолипидов |
|
|
K+ |
самостоятельно |
|
|
|
|
Mg2+ |
|
Снижение агрегативной устойчивости мицелл желчи может быть вызвано следующими причинами:
1.Снижение синтеза желчных кислот в печени
2.Снижение синтеза фосфолипидов
3.Ускорение выведения холестерина
Эти причины могут привести к желчекаменной болезни и нарушению переваривания липидов в кишечнике.
Мицеллы всасывания
формируются в тонком кишечнике (эмульсия). Нарушение их формирования может привести к стеаторее (жирной диарее) и нарушению усвоения жирорастворимых витаминов.
Агрегат |
ПОИ |
Зар |
Стабилиз |
ПИ |
Схематический |
|
|
яд |
аторы |
|
рисунок |
|
|
|
|
|
|
Пищевой |
Заряженные |
«-» |
Желчные |
Са2+ |
|
холестерин, |
группы ВЖК, |
|
кислоты |
Na+ |
Заполните |
МАГ, ВЖК, |
лизофосфолипи |
|
|
K+ |
самостоятельно |
жирораствор |
дов |
|
|
Mg2+ |
|
имые |
|
|
|
|
|
витамины |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Строение и функции в организме холестерина, МАГ (моноацилглицерид), ВЖК (высшая жирная кислота), лизофосфолипидов, желчных кислот и др. биоорганических соединений будете изучать позднее.
Липопротеиды являются транспортной формой гидрофобных липидов
– (эфиров холестерина и ТАГ - триацилглицеридов) в плазме крови.
Строение мицеллы липопротеида
Агрегат |
ПОИ |
Заря |
Стабили |
ПИ |
Схематический рисунок |
|
|
|
|
|
|
|
|
37 |
Лекции д.б.н., доцента Гимаутдиновой О.И. |
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
д |
заторы |
|
|
|
|
|
|
|
|
Эфиры |
Заряженны |
«-» |
апопрот |
Са2+ |
|
холестерина, |
е группы |
|
еины |
Na+ |
Заполните |
триацилглиц |
фосфолип |
|
|
K+ |
самостоятельно |
ериды |
идов |
|
|
Mg2+ |
|
Ниже на рис. изображено схематическое пространственное строение липопротеина:
Апобелок
Внутренние слои
Форма мицелл
Если концентрация ПАВ (поверхностно-активные вещества) в растворе не очень велика, мицеллы напоминают шарики (сферы), если она растет — сферы сливаются друг с другом, образуя трубочки. Микросреда внутри сфер и трубочек электрически нейтральная, здесь могут «раствориться» вещества, нерастворимые в воде, например, масла (зеленые шарики).
38 |
Лекции д.б.н., доцента Гимаутдиновой О.И. |
|
|
|
|
Самосборка органических мицелл
Хромофорные органические молекулы, имеющие ацетиленовые фрагменты, самопроизвольно ориентируются относительно друг друга таким образом, что в результате комплементарного взаимодействия с помощью
водородных связей между урацильным и 2,6-ди(ацетиламино)пиридильным фрагментами образовались комплексы, огранизующиеся в одинаковые
наночастицы (Институт органического синтеза и фотохимии, Болонья, Италия):
наночастица
зарегистрировано методом АСМ
Self-assembly – самосборка Self-organization – самоорганизация АСМ – атомно-силовая микроскопия
Между комплементарными фрагментами молекул (зеленые и красные на схеме) образуются водородные связи, что приводит к сборке наночастиц. Наночастицы имеют размеры порядка 10-9 м, т.е. от 1 нм.
39 |
Лекции д.б.н., доцента Гимаутдиновой О.И. |
|
|
|
|
Подобным образом происходит самосборка и других супрамолекулярных комплексов. В организме, например, это рибосомы, собранные из РНК и рибосомных белков, хроматин - из ДНК и гистонов.
Дополнительная литература:
1)Учебник для вузов под ред. Е.С. Северина, 2003. 779 с.
2)МГУ им. М.В. Ломоносова, факультет фундаментальной медицины. Курс общей и неорганической химии. Коллоидные системы в организме и их функции: http://5ballov.qip.ru/referats/preview/93230/?referat-kolloidnyie- sistemyi-v-organizme-i-ih-funktsii
Это пятая, завершающая лекция из курса «Общая химия».
40 |
Лекции д.б.н., доцента Гимаутдиновой О.И. |
|
|
|
|