Коллоидные поверхностно-активные вещества

Коллоидными ПАВ называют вещества, которые с одним и тем же растворителем в зависимости от условий образуют истинный и коллоидный растворы. Для таких систем характерно существование динамического равновесия:

Как уже было сказано, молекулы ПАВ дифильны. Они состоят из неполярных и полярных группировок. У неполярных радикалов, например углеводородных цепей, отсутствует сродство к полярному растворителю — воде, у полярных групп оно достаточно велико. Между неполярными группами существует гидрофобное (вандерваальсово) взаимодействие. При длине цепи приблизительно в 10—22 углеродных атома за счет гидрофобных взаимодействий углеводородных радикалов и сильного взаимодействия полярных групп с водой происходит ассоциация молекул ПАВ и образуются мицеллы. Схема образования мицелл в растворах коллоидных ПАВ представлена на рис. 23.35.

Рис. 2335. Образование мицеллы коллоидного ПАВ:

1 — низкая концентрация; 2 — средняя концентрация; 3 — высокая концентрация Процесс образования мицелл в растворах коллоидных ПАВ термодинамически выгоден. Контакты между одинаковыми неполярными группами приводят к уменьшению энергии Гиббса приблизительно на 2 кДж/моль по сравнению с контактами полярных и неполярных групп. Ядро образовавшихся мицелл составляют неполярные радикалы, а внешнюю обкладку полярные группы, что обеспечивает наименьший контакт гидрофобных групп с водой.

Минимальная концентрация коллоидного ПАВ, начиная с которой в его растворе происходит образование мицелл, получила название критической концентрации мицеллообразования (ККМ).

Форма образующихся мицелл зависит от концентрации раствора (см. рис. 23.35). При небольших концентрациях коллоидного ПАВ образуются сферические мицеллы. Повышение концентрации раствора коллоидного ПАВ приводит сначала к росту их числа, а затем и к изменению формы. При более высоких концентрациях вместо сферических мицелл образуются цилиндрические и пластинчатые.

Значение ККМ зависит от различных факторов: природы коллоидного ПАВ, температуры и присутствия примесей посторонних веществ, особенно электролитов. Установлено, что с ростом длины углеводородного радикала молекулы коллоидного ПАВ значение ККМ уменьшается. Понижение температуры также способствует уменьшению ККМ. Присутствие электролитов в растворе не оказывает существенного влияния на ККМ неионогенного коллоидного ПАВ. Для растворов ионогенных коллоидных ПАВ добавление электролитов приводит к уменьшению ККМ.

ККМ можно определить по свойствам раствора, зависящим от числа и размеров кинетически активных частиц, в частности по изменениям осмотического давления, поверхностного натяжения, электрической проводимости, оптических характеристик.

Так как при переходе истинный раствор коллоидный раствор изменяются размер кинетически активных частиц (ионы, молекулы, мицеллы) и их число, то на графике свойство — концентрация появляется точка излома, отвечающая ККМ (рис. 23.36).

Рис. 2336. Определение критической концентрации мицеллообразования (ККМ).

Одним из важнейших свойств растворов коллоидных Г1АВ, из-за которого они находят широкое применение в различных отраслях народного хозяйства и в медицине, является солюбилизация (рис. 23.37).

Солюбилизацией называется самопроизвольный переход нерастворимых или малорастворимых низкомолекулярных соединений в водную фазу в присутствии коллоидных ПАВ.

Рис. 2337. Схема солюбилизации.

Механизм солюбилизации заключается в растворении неполярных веществ в гидрофобном ядре мицелл. Например, при введении в раствор ПАВ (рис. 23.37, а) бензола это неполярное вещество растворяется в гидрофобном слое ПАВ (рис. 23.37, б).

Количество солюбилизированного вещества зависит от концентрации коллоидного ПАВ.

Явление солюбилизации широко используют в различных отраслях народного хозяйства: в пищевой промышленности, в фармацевтической для получения жидких форм лекарственных веществ.

В системе «вода — фосфолипид» при встряхивании и перемешивании образуются сферические мицеллы — липосомы (рис. 23.38). Молекулы фосфолипидов образуют в линосомах бислойную мембрану, в которой полярные группы обращены к воде, а неполярные — друг к другу. Липосомы можно рассматривать как модель биологических мембран. С их помощью можно изучать проницаемость мембран и влияние на нес разного рода факторов для различных соединений.

Рис. 23.38. Строение липосомы.

Лииосомы широко используют для направленной доставки лекарственных веществ к тем или иным органам или зонам поражения, например противоопухолевых препаратов, инсулина для лечения диабета, хелатных агентов для лечения отравлений тяжелыми металлами. С помощью липосом можно транспортировать лекарственные вещества внутрь клеток. Липосомальные мембраны используют в иммунологических исследованиях при изучении взаимодействия между антителами и антигенами.