Розділ 2 фізико-хімія дисперсних систем

Вивчення властивостей речовин у високодиспергованому стані і поверхневих явищ у дисперсних системах є об'єктом колоїдної хімії. Колоїдна хімія відіграє важливу роль у біології та медицині, оскільки рослини та тваринні організми містять складні дисперсні системи (кров, лімфу, плазму, слизи тощо), а життєві процеси значною мірою мають колоїдно-хімічний характер.

Більшість лікарських засобів відносяться до одного з класів дисперсних систем: порошків, золів, суспензій, емульсій, аерозолів. Питання стійкості і умов зберігання фармацевтичних препаратів є першорядними для фармацевтичної практики.

Вивчення дисперсних систем необхідно для розвитку теоретичних основ технології ліків. Так, деякі технологічні процеси в фармацевтичній промисловості належать до колоїдно-хімічних процесів. Наприклад, приготування емульсій, суспензій, кремів, мазей зводиться до диспергування речовин у відповідних середовищах. Колоїдні розчини отримують переважно шляхом хімічної реакції в контрольованих умовах.

Систему, в якій дрібні частинки однієї або кількох речовин (дисперсної фази) рівномірно розподілені між частинками іншої (дисперсійного середовища), називають дисперсною. Процес подрібнення речовини називають диспергуванням.

Залежно від розмірів частинок дисперсної фази системи поділяють на гомогенні та гетерогенні. Якщо диспергована речовина не має поверхні поділу із дисперсійним середовищем, то таку систему називають гомогенною. До таких систем належать істинні розчини (молекулярно-йонні системи). Розміри молекул і йонів менші за 1∙10^–9 м, тобто співмірні з молекулами розчинника, тому такі системи є гомогенними, термодинамічно стійкими, і до них поняття дисперсності не поширюється.

Система, в якій частинки диспергованої речовини мають розмір більший за 1∙10^–9 м і складають окрему фазу щодо дисперсійного середовища, є гетерогенною. Саме гетерогенність є однією з характерних ознак дисперсних систем. Наявність міжфазової поверхні поділу спричинює особливу роль поверхневих явищ у характеристиці дисперсних систем.

Другою загальною ознакою будь-якої дисперсної системи є ступінь подрібнення частинок дисперсної фази або ступінь дисперсності. Дисперсність (D) – це величина, обернена розміру частинки диспергованої речовини (d або l):

D = 1/d, D = 1/l,

де d – діаметр частинки кулястої форми; l – довжина ребра частинки кубічної форми. Отже, чим менший розмір частинок, тим більша дисперсність системи.

Із зменшенням розміру частинок збільшується їх питома поверхня. Питома поверхня (S_пum) – це міжфазова поверхня (S_сум ) одиниці об'єму (V) або маси (т) дисперсної фази:

За великої поверхні дисперсних систем існує значний запас вільної поверхневої енергії G . Із термодинаміки відомо, що самочинно відбуваються процеси, які ведуть до зменшення запасу вільної енергії (ізобарного потенціалу) (∆G < 0). Тому системи з великим запасом енергії Гіббса термодинамічно нестійкі і прагнуть до зменшення міжфазової поверхні шляхом агрегації (укрупнення) частинок дисперсної фази. Таким чином, дисперсні системи характеризуються лише відносною агрегативною стійкістю.

КЛАСИФІКАЦІЯ ТА ЗАГАЛЬНІ ВЛАСТИВОСТІ ДИСПЕРСНИХ СИСТЕМ

Дисперсні системи класифікують за такими ознаками:

1. За характером дисперсності. Дисперсні системи поділяють на монодисперсні, в яких всі частинки дисперсної фази мають однаковий ступінь дисперсності і полідисперсні, в яких частинки дисперсної фази мають різний ступінь дисперсності. Якщо останні системи є реальними, то монодисперсні – науковою абстракцією.

2. За ступенем дисперсності. Залежно від розмірів частинок дисперсної фази дисперсні системи поділяють на такі типи:

1) колоїдно-дисперсні або ультрамікрогетерогенні (високодисперсні); d = 10^–9–10^–7м;

2) мікрогетерогенні (середньої дисперсності); d = 10^–7–10^–4м;

3) грубодисперсні; d =  > 10^–4м.

3. За агрегатним станом дисперсної фази і дисперсійного середовища. Залежно від агрегатного стану дисперсної фази і дисперсійного середовища (газоподібний – Г; рідкий – Р; твердий – Т) можна виділити 9 типів дисперсних систем (табл. 2.1). Звичайно систему скорочено записують у вигляді дробу, в якому чисельник вказує на агрегатний стан дисперсної фази, а знаменник – дисперсійного середовища.

Таблиця 2.1

Класифікація дисперсних систем за агрегатним станом дисперсної фази і дисперсійного середовища

Дисперсна фаза	Дисперсійне середовище	Позначення системи	Назви дисперсних систем	Приклади
Г	Г	Г/Г	–	Атмосфера Землі
Р	Г	Р/Г	Аерозоль рідкий	Туман, хмари
Т	Г	Т/Г	Аерозоль твердий	Дим, пил, порошки
Г	Р	Г/Р	Піни, газові емульсії	Мильна піна, піна на пиві
Р	Р	Р/Р	Емульсії	Молоко, майонез, креми, нафта
Т	Р	Т/Р	Суспензії, колоїдні розчини (ліозолі), розчини ВМС	Суспензії у природних водах, золі металів, гідроксидів металів, солей, розчини білків
Г	Т	Г/Т	Тверді піни	Пінопласти, силікагель, активоване вугілля
Р	Т	Р/Т	Тверді емульсії	Вода у парафіні, опал
Т	Т	Т/Т	Тверді золі (солідозолі)	Кольорове скло, дорогоцінне каміння

Золі з газоподібним дисперсійним середовищем називають аерозолями; з рідким – ліозолями або просто золями; з твердим – солідозолями. У свою чергу, ліозолі поділяють на: гідрозолі, етерозолі, алкозолі, бензозолі тощо, у яких дисперсійним середовищем відповідно є вода, ефір (діетиловий етер), спирт, бензен.

4. 3а характером взаємодії між частинками дисперсної фази і дисперсійним середовищем (міжфазна взаємодія). Ліофобними є системи, в яких спорідненість дисперсної фази і дисперсійного середовища мала, а тому сили міжмолекулярної взаємодії на межі поділу фаз слабкі. Такі системи термодинамічно нестійкі і вимагають спеціальних методів стабілізації. До них належить більшість дисперсних систем – ліозолі, аерозолі, емульсії, піни. Ліофобні золі (у випадку води – гідрофобні) називають власне колоїдними розчинами. До них належать гідрозолі золота, срібла, ферум гідроксиду, аргентум хлориду тощо. Стійкість таких систем зумовлена, головним чином, однойменним зарядом частинок золю. Ліофобні системи називають міцелярними або суспензоїдами.

Ліофільними є системи, які характеризуються інтенсивною взаємодією речовин фази і середовища з утворенням сольватних (гідратних, у випадку води) оболонок із молекул дисперсійного середовища навколо частинок дисперсної фази. Тому такі системи утворюються самочинно і є термодинамічно стійкими, гомогенними. До них належать розчини високомолекулярних сполук, основними структурними одиницями яких є сильно гідратовані макромолекули ВМС. Прикладом таких систем є розчини білків, нуклеїнових кислот, мил, деяких глин, танінів, алкалоїдів у воді, каучуку в бензені, поліамідів у спирті тощо.

5. За характером взаємодії між самими частинками дисперсної фази. За цією ознакою дисперсні системи поділяються на вільнодисперсні (безструктурні), в яких частинки дисперсної фази практично не контактують одна з одною і вільно плавають в дисперсійному середовищі. З цього ясно, що за цієї ознакою можуть класифікуватись дисперсні системи з газовим або рідинним дисперсійним середовищем. Це аерозолі (дими, пил в газі, туман), і розбавлені ліозолі (розбавлені суспензії, емульсії, піни, колоїдні розчини).

При високій концентрації частинок дисперсної фази, останні можуть контактувати між собою, утворюючи просторові каркаси, подібно до бджолиної вощини, комірки, якої заповнені медом. Такі системи називають структурнодисперсними або зв'язанодисперсними. До них відносяться гелі капілярно-пористі тіла типу активованого вугілля, силікагелю, мембрани тощо.

6. За формою частинок дисперсної фази (за топографічною ознакою). За цією ознакою всі дисперсні системи можна класифікувати на три класи:

а) дисперсні системи, в яких частинки дисперсної фази володіють малими розмірами за трьома координатними напрямками (х, у, z), тобто частинки, які можна приблизно розглядати як сфери (кульки), кубики – і називають глобулярними.

б) дисперсні системи, в яких частинки дисперсної фази можуть бути окремими листочками, лусочками, плівками, маючи за двома напрямками великі розміри (довжину і ширину) і лише дуже малу товщину. Їх називають плівочними або пластинчастими (ламінарними) системами.

в) дисперсні системи, в яких частинки дисперсної фази мають форм волокон, ниток, тобто характеризуються великою довжиною, але малою товщиною. Це волокнисті (фібрилярні системи).