Глава 4. Виды дисперсных систем

4.1 Лиофильные коллоидные системы

4.1.1 Растворы коллоидных пав

Коллоидными называют поверхностно-активные вещества (ПАВ), способные в растворах образовывать мицеллы, т.е. ассоциаты, состоящие из большого количества молекул (от 20 до 100). Способностью к мицеллообразованию обладают ПАВ с длинной углеводородной цепью, включающей 10-20 атомов углерода.

При образовании мицелл в полярном растворителе, например, воде углеводородные цепи молекул ПАВ объединяются в компактное ядро, а гидратированные полярные группы, обращенные в сторону водной фазы, образуют гидрофильную оболочку (рис. 4.1 а). В неполярных растворителях ориентация молекул ПАВ противоположна, т.е. углеводородный радикал обращен к неполярной жидкости (рис. 4.1 б)

Между молекулами ПАВ в адсорбционном слое и в растворе, а также между молекулами ПАВ, входящими в составе мицелл, существует динамическое равновесие (рис. 4.2).

а)

б)

Рис. 4.1. Ориентация молекул ПАВ в мицелле:

а) полярный растворитель; б) неполярный

растворитель

За счет высокой степени ассоциации молекул ПАВ в мицелле между нею и дисперсионной средой возникает граница раздела, т.е. мицеллярные растворы ПАВ – это гетерогенные системы. Но, несмотря на гетерогенность и большую межфазную поверхность, они термодинамически устойчивы. Это объясняется тем, что молекулы ПАВ в мицеллах ориентируются полярными группами к полярной среде (или неполярными группами к неполярной среде), что обусловливает низкое межфазовое натяжение. Поэтому поверхностная энергия таких систем невелика, они представляют собой типичные лиофильные системы.

Одним из характерных свойств растворов коллоидных ПАВ, связанных с их мицеллярным строением, является солюбилизация – растворение в растворах коллоидных ПАВ веществ, которые в чистой жидкости обычно нерастворимы.

Одним из характерных свойств растворов коллоидных ПАВ, связанных с их мицеллярным строением является солюбилизация – растворение в растворах коллоидных ПАВ веществ, которые в данной жидкости обычно нерастворимы.

М еханизм солюбилизации заключается в проникновении неполярных молекул веществ, добавленных в раствор ПАВ в неполярное ядро мицеллы (или наоборот: полярных – в полярное ядро). При этом углеводородные цепи раздвигаются и объем мицеллы увеличивается. В результате солюбилизации в водных растворах ПАВ растворяются углеводородные жидкости: бензин, керосин, а также жиры, которые нерастворимы в воде.

Д ругим важным свойством растворов коллоидных ПАВ является их моющее действие. Как правило, частицы загрязняющих веществ гидрофобны и не смачиваются водой. Поэтому даже при высокой температуре моющее действие воды очень мало и для его увеличения добавляют коллоидные ПАВ. При контакте моющего средства с загрязненной поверхностью молекулы ПАВ образуют адсорбционный слой на частицах грязи и очищаемой поверхности. Молекулы ПАВ постепенно проникают между частицами загрязнения и поверхностью, способствуя отрыванию частиц грязи. Загрязняющее вещество попадает внутрь мицеллы и больше не может оседать на отмываемой поверхности.

Применение коллоидных ПАВ

1. Пищевая промышленность.

Коллоидные ПАВ применяют в хлебопекарной, макаронной и кондитерской промышленности. Это позволяет улучшить качество продуктов, увеличить срок хранения за счет удерживания влаги, сократить расход сырья. Благодаря применению коллоидных ПАВ сохраняется форма макаронных изделий при варке.

В мясоперерабатывающей промышленности ПАВ коллоидные ПАВ применяют для улучшения вкуса продуктов, повышения стойкости к воздействию неблагоприятных факторов при хранении, в качестве биологически инертных покрытий на мясопродукты.

В пищеконцентратной промышленности коллоидные ПАВ применяют для улучшения структуры продукта, исключения комкования и слипания.

Коллоидные ПАВ применяют также при производстве мороженного, за счет чего замедляется процесс таяния, улучшается вкус и консистенция продукта.

2. Сборка нефти растворами ПАВ. ПАВ собирают пленки ПАВ в одну каплю, которую легко удалить с поверхности.

3. Благодаря солюбилизирующему действию ПАВ их применяют в медицине, фармации для перевода в растворимое состояние нерастворимых в воде лекарств.

4. ПАВ применяют в качестве ингибиторов коррозии, так как они способны образовывать на поверхности практически мономолекулярную пленку, защищающую металл от воздействий внешней среды.

Механизм солюбилизации заключается в проникновении неполярных молекул веществ, добавленных в раствор ПАВ, в неполярное ядро мицеллы (или полярных – в полярное ядро). При этом углеводородные цепи раздвигаются и объем мицеллы увеличивается. В результате солюбилизации в водных растворах ПАВ растворяются углеводородные жидкости: бензин, керосин, а также жиры, нерастворимые в чистой воде.

Благодаря солюбилизирующему действию ПАВ, их применяют для перевода в растворимое состояние нерастворимых в воде лекарств в медицине, фармации. Солюбилизация – первый этап процесса усвоения жиров и жирорастворимых веществ живыми организмами.

Солюбилизация является важным фактором моющего действия ПАВ. Как правило, частицы загрязняющих веществ гидрофобны и не смачиваются водой. Поэтому, даже при высокой температуре, моющее действие воды очень мало. Удаление загрязнений с любой поверхности облегчается в присутствии моющих средств, содержащих коллоидные ПАВ.

Концентрация ПАВ, при которой в растворе возникают мицеллы, называется критической концентрацией мицеллобразования (ККМ).

Величина ККМ – важнейшая характеристика ПАВ, зависящая от многих факторов: молекулярной природы ПАВ и растворителя, рН, температуры, присутствия примесей. При концентрации ПАВ выше критической, соответствующей ККМ, резко изменяются физико-химические свойства, а на кривой свойство-состав появляется излом.

Поэтому большинство методов определения ККМ основаны на измерении какого-либо физико-химического свойства – поверхностного натяжения, электрической проводимости, показателя преломления, осмотического давления и др. – и установлении концентрации, при которой наблюдается резкое изменение этого свойства.

Так, изотермы поверхностного натяжения растворов коллоидных ПАВ вместо обычного плавного хода, описываемого уравнением Шишковского, обнаруживают при ККМ излом (рис. 4.3). При дальнейшем увеличении концентрации выше ККМ значения поверхностного натяжения остаются практически неизменными.

Кривая зависимости удельной электрической проводимости æ от концентрации С при ККМ имеет резкий излом (рис. 4.4).