Колоїдні поверхнево-активні речовини

Класифікуючи дисперсні системи, ми розподіляли їх на дві групи – ліофільні і ліофобні (оборотні і необоротні). Відомо, що ліофобні дисперсні системі є термодинамічно нестійкими системами. Ліофільні системи термодинамічно стійкі, а це означає, що вони рівноважні (стан відповідає мінімуму енергії Гіббса G), оборотні і утворюються самодовільно як із макрофаз, так і з істинного розчину. Типовими представниками ліофільних дисперсних систем є розчини колоїдних поверхнево-активних речовин.

Колоїдними поверхнево-активними речовинами називають ПАР, здатні утворювати міцелярні системи. Властивості ПАР зумовлені дифільністю їх молекул. У довголанцюгових ПАР з числом атомів вуглецю n_с = 10–20, для яких характерний оптимальний баланс гідрофільності і гідрофобності, спостерігаються особливі властивості. При малих концентраціях вони утворюють істинні розчини, із збільшенням концентрації відбувається процес асоціації і утворюються міцели. Цей процес самодовільний, і в системі можливі рівноважні переходи:

Молекулярний Міцелярна Структурована Тверде

розчин ↔ система ↔ міцелярна ↔ тіло

система (гель)

Міцелярний розчин ПАР – це система термодинамічно стійка, рівноважна і оборотна. Міцели ПАР, на відміну від міцел ліофобних золів, термодинамічно стабільні і не змінюються, доки під дією зовнішніх факторів не зсунеться рівновага в системі.

За властивістю дисоціювати ПАР розділяють на йоногенні (аніоноактивні, катіоноактивні, амфотерні) і нейоногенні.

У аніоноактивних ПАР поверхнево-активні йони заряджені негативно. До них належать лужні солі жирних кислот (мила) – RCOOMe, алкілсульфати – сульфоефіри вищих спиртів та їх солі типу R–О–SO₃–Me; алкіл- і арілсульфонати RSO₃Me – лужні солі високомолекулярних сульфокислот, де R означає вуглеводневий радикал типу С_nН_2n+1 з числом атомів вуглецю С₁₀–С₂₀, a Me – йони Na⁺, K⁺, NH₄⁺.

Катіоноактивні ПАР – це солі амінів, четвертинних амонійних основ, алкілпіридинових сполук. Поверхнево-активні йони таких речовин заряджені позитивно.

Амфотерні ПАР – це алкіламінокислоти RNH₂COOH, сульфобетаіни та ін. В залежності від рН вони виявляють аніоно-або катіоноактивні властивості.

Неіоногенні ПАР не дисоціюють на йони. Їх одержують взаємодією оксиду етилену із спиртами, фенолами, жирними кислотами та іншими сполуками з полярними групами. Загальна формула неіоногенних ПАР – R(OCH₂CH₂)_mOH. Гідрофільність їх визначається довжиною оксиетиленового ланцюга. У виробництві фармацевтичних препаратів широко застосовуються оксиетильовані похідні ефірів жирних кислот і сорбітану.

Важливою характеристикою колоїдного ПАР є співвідношення гідрофільних і гідрофобних властивостей, яке визначається числом ГЛБ. В залежності від числа ГЛБ колоїдні ПАР застосовуються як гідрофобні емульгатори (3–6), змочувачі (7–9), миючі засоби (13–15), гідрофільні емульгатори (8–18).

Утворення міцел відбувається при певній концентрації – так званій критичній концентрації міцелоутворення (ККМ). За визначенням ІЮПАК, ККМ – це концентрація ПАР, при якій в його розчині виникає велике число міцел, що перебувають в термодинамічній рівновазі з молекулами (йонами), і різко змінюється ряд властивостей розчинів.

На величину ККМ впливають різні фактори. У гомологічних рядах з підвищенням молекулярної маси ПАР величина ККМ зменшується, бо здатність до асоціації зростає із збільшенням довжини вуглеводневого ланцюга. Електроліти значно знижують ККМ йоногенних ПАР. Головну роль при цьому відіграють йони, заряджені протилежно йону ПАР. Вони знижують заряд міцели, при цьому зменшується електростатичне відштовхування і полегшується приєднання нових молекул до міцели. Підвищення температури підсилює тепловий рух частинок, що перешкоджає їх агрегації. Але у випадку йоногенних ПАР одночасно зменшується гідратація і це сприяє міцелоутворенню.

При концентраціях, відповідних ККМ, у розчинах ПАР утворюються сферичні міцели, або міцели Гартлі. У водних розчинах сферична міцела – це компактне утворення, яке складається із рідкого вуглеводневого ядра, покритого шаром полярних груп. У неводних розчинах виникають зворотні міцели, ядро яких утворюють полярні групи, а вуглеводневі ланцюги звернені до розчинника.

Солюбілізацією називають процес самодовільного розчинення у міцелярних системах нерозчинних у даному розчиннику сполук. Наприклад, у достатньо концентрованих водних розчинах колоїдних ПАР розчиняються органічні речовини, практично нерозчинні у воді: аліфатичні і ароматичні вуглеводні, маслорозчинні барвники і т.д. Солюбілізацію називають також колоїдним розчиненням. Колоїдне розчинення води у неводних розчинах колоїдних ПАР – це зворотна солюбілізація.

В результаті солюбілізації утворюється прозорий термодинамічно рівноважний розчин, який, однак, належить не до істинних, а до колоїдних розчинів, внаслідок того, що він має колоїдний ступінь дисперсності. Речовина, яка розчиняється у міцелярній системі, називається солюбілізатом. Солюбілізація полягає в проникненні солюбілізата в міцелу. Експериментально встановлено, що солюбілізація вуглеводнів зменшується із зростанням довжини ланцюга, а солюбілізуюча здатність ПАР у межах одного гомологічного ряду зростає із збільшенням числа атомів вуглецю.

У фармації солюбілізацію застосовують для одержання водорозчинних препаратів із нерозчинних у воді речовин. Йодофори – це препарати йоду, розчиненого у поверхнево-активних речовинах. Введення ПАР дозволяє одержувати препарати стероїдів для парентерального і зовнішнього застосування. Вітаміни А і Е солюбілізують ефірами сахарози. У оксиетильованих ефірах сорбітану солюбілізуються барбітурати і аспірин.

Застосування колоїдних ПАР пов'язане з їх високою поверхневою активністю, здатністю до змочування, емульгуючою дією, солюбілізацією, здатністю до гелеутворення.

Широко застосовуються ПАР у фармацевтичному виробництві як стабілізатори і солюбілізатори. Лужні солі вищих карбонових кислот використовують як емульгатори, солюбілізатори, стабілізатори мазей і кремів. Катіоноактивні ПАР застосовують як бактерицидні, фунгіцидні, дезинфікуючі засоби. Твіни – це емульгатори, солюбілізатори гормонів, масел, вітамінів, антибіотиків, плюроніки – солюбілізатори вітамінів, антибіотиків, шампунів, зубних паст.