Биороль молекулярных слоев поверхностно-активных веществ

Размещено на http://www.allbest.ru/

Биороль молекулярных слоев ПАВ

Абдулгалимова Эльвира Кудратовна. 104 группа

ВВЕДЕНИЕ

«Поверхность раздела - необычайно интересная вещь. Это и есть единство противоположностей. Молекулы, лежащие на поверхности, принадлежат обеим фазам. В этом смысле они сосредотачивают в себе все те противоположные свойства, которые имеются в этих фазах» - писал в 1932 году известный химик и физик Н.П. Песков.

И ведь правда, граница раздела фаз резко отличается по термодинамическим характеристикам (удельной энергии, плотности, электрической проводимости и др.) от свойств фаз в глубине их объема. Там имеют место поверхностные явления, к которым относятся адсорбция, смачивание, адгезия и др.

Любой живой организм является гетерогенной системой с очень развитыми поверхностями раздела, к которым относят поверхность альвеол (около 1000 м²), поверхность эритроцитов (2500-3800 м²), поверхность капилляров печени (400 м²), кожные покровы (1,5-1,6 м²) и т.д. Практически все жизненно важные биохимические процессы протекают на поверхности биомембран, поэтому необходимо знать основы закономерностей протекания поверхностных явлений для понимания механизма реакций, протекающих в организме.

ПАВ

Как показали исследования существуют вещества, растворение которых даже в очень низких концентрациях снижает поверхностное натяжение раствора. Они получили название поверхностно активных.

В начале 20 века Ленгмюр и Гаркинс сделали предположение о дифильном строении молекул ПАВ и, отсюда, о проявлении ими двойственных свойств, которое вскоре полностью подтвердилось. Оно заключалось в том, что ПАВ в молекуле имеет две части - полярную и неполярную.

Полярная часть способна взаимодействовать с водой и даже образовывать с ней водородные связи. Благодаря ее склонности к гидратации эту часть еще называют гидрофильной.

Неполярная часть (углеводородная цепь), напротив, выталкивается из воды, и из-за сродства к неполярной фазе называется гидрофобной или олеофильной.

Именно эта особенность строения молекул ПАВ обуславливает их способность понижать поверхностное натяжение растворителя.

Поверхностное натяжение сильно зависит от длины углеводородного радикала. Согласно правилу Дюкло-Траубе: поверхностная активность вещества одного и того же гомологического ряда возрастает приблизительно в 3 раза при увеличении углеводородной цепи на группу -СH2 - (для разбавленных водных растворов). Поверхностное натяжение растворов при этом уменьшается.

КЛАССИФИКАЦИЯ ПАВ

По способности молекул диссоциировать на ионы среди ПАВ выделяют два больших класса: ионогенные (диссоциирующие) и неионогенные (недиссоциирующие).

В свою очередь, ионогенные ПАВ классифицируют на:

анионактивные, дающие при диссоциации поверхностно-активный анион

катионактивные, образующие при диссоциации поверхностно-активный катион

амфотерные, способные в зависимости от рН проявлять анионактивные свойства (в щелочной среде) или катионактивные свойства (в кислой среде).

МЕСТО ПАВ СРЕДИ ДРУГИХ ВЕЩЕСТВ

В зависимости от природы растворенные вещества могут влиять на поверхностное натяжение жидкостей по-разному. Эта способность растворенных веществ изменять поверхностное натяжение растворителя называется поверхностной активностью. По этому критерию все вещества делят на три группы:

1. Поверхностно-активные вещества ПАВ, понижающие у растворителя. По отношению к воде такими веществами являются большинство органических соединений.

2. Поверхностно-инактивные вещества ПИВ, несильно повышающие поверхностное натяжение растворителя. ПИВ по отношению к воде являются неорганические кислоты, соли, основания и некоторые органические соединения (глицин, аминоуксусная кислота)

3. Поверхностно-неактивные вещества ПНВ, которые почти не изменяют поверхностное натяжение. Это, например, сахароза (по отношению к воде)

ОСОБЕННОСТИ ПОВЕРХНОСТНОГО СЛОЯ

Многие физико-химические отличия обусловлены определенной ориентацией частиц в поверхностных слоях и особыми энергитическими параметрами по сравнению с частицами в объеме.

Важная особенностью поверхностного слоя является определенная ориентация молекул ПАВ вследствие их дифильности. Гидрофильная часть погружена в полярную фазу (вода и др.), в то время, как гидрофобный хвост выталкивается в неполярную среду.

То, насколько сильно они фиксированы, зависит от концентрации ПАВ. Если она мала, то углеводородные неполярные цепи лежат на поверхности полярной жидкости. С увеличением концентрации число молекул ПАВ возрастает, и образуется насыщенный мономолекулярный слой, который образно еще называют молекулярным частоколом Лэнгмюра.

Энергетической особенностью ПАВ является то, что его молекула обладает избытком энергии. Равнодействующая сил взаимного притяжения, которая действует на молеклу в объеме фазы со стороны других частиц, равна нулю, то есть молекула находится в состоянии энергитического равновесия. На поверхности раздела же силы не уравновешаны; молекула со стороны каждой фазы испывает неодинаковое притяжение. Равнодействующая сил направлена перпендикулярно границе раздела фаз и, обычно, в сторону более полярной фазы. Часто равнодействующую молекулярных сил называют внутренним давлением. Чем сильней различаются межмолекулярные взаимодействия на поверхности раздела, тем больше внутреннее давление, которое стремится втянуть молекулу вглубь жидкости.

В итоге, вся поверхность раздела обладает избыточной или поверхностной энергией.

Таким образом, поверхностная энергия является результатом нескомпенсированности сил межмолекулярного взаимодействия в гетерогенной системе. Полную поверхностную энергию можно найти, зная поверхностное натяжение (у- поверхностная энергия на единицу площади) и площадь границы раздела.

G=у·S

Следствием избыточной энергии является термодинамическая неустойчивость. Все поверхностные явления направлены на уменьшении поверхностной энергии, чтобы восстановить равновесие. Из формулы мы видим, что сделать это она может двумя путями:

1. уменьшив свою площадь, если у > 0

вещество поверхностный активный

или наоборот увеличив S при у < 0.

2. Уменьшив поверхностное натяжение (например, путем адсорбции).

АДСОРБЦИЯ

В соответствии со вторым началом термодинамики любая система всегда стремится самопроизвольно перейти в состояние, при котором она обладает минимальным запасом энергии Гиббса. Следовательно, она стремится к минимальной поверхностной энергии Гиббса, как говорилось выше. Поэтому система, образованная одним компонентом понижает запас своей поверхностной энергии Гиббса только одним путем - принимая форму, при которой площадь поверхности раздела фаз минимальна.

Система, состоящая из двух и более компонентов, кроме уменьшения площади поверхности, может понизить поверхностную энергию Гиббса путем уменьшения поверхностного натяжения, то есть перераспределяя растворенное вещество между объемом жидкой фазы и поверхностным слоем.

ПАВ уменьшают запас поверхностной энергии, накапливаясь в поверхностном слое. Они должны обладать поверхностным натяжением меньшим по сравнению с поверхностным натяжением растворителя и относительно малой растворимостью, иначе они бы просто стремились уйти с поверхности вглубь жидкости.

ПИВ накапливаются в объеме фазы, в этом случае избыточная энергия сравнительно уменьшается. Их поверхностное натяжение должно быть больше поверхностного натяжения растворителя и они должны хорошо растворяться.

ПНВ в связи с тем, что не изменяют поверхностное натяжение, в поверхностном слое молекул столько же, сколько и в объеме фазы.

Единой теории, которая охватывала бы достаточно полно и точно все виды адсорбции на разных поверхностях раздела фаз, нет.

Поэтому рассмотрим одну из наиболее распространенных теорий.

ТЕОРИЯ МОНОМОЛЕКУЛЯРНОЙ АДСОРБЦИИ ЛЭНГМЮРА

Ее положения следующие:

1. Адсорбция - локализованный процесс.

2. Адсорбция происходит на активных центрах , которыми являются выступы, впадины на поверхности адсорбента. Активные центры считаются тождественными и независимыми (один активный центр не влияет на адсорбционную способность других).

3. Каждый активный центр взаимодействует только с одной молекулой адсорбата и на поверхности может образовываться лишь один слой адсорбированных молекул.

4. Адсорбция - обратимый и равновесный процесс. Сначала адсорбированную молекулу на некоторое время удерживает активный центр, после чего она десорбируется. В итоге, между адсорбцией и десорбцией устанавливается динамическое равновесие.

БИОЛОГИЧЕСКИЕ МЕМБРАНЫ

Представления об ориентации молекул ПАВ в насыщенном слое сыграли большую роль в развитии учения о структуре и строении биологических мембран.

Мембрана клетки состоит в основном из липидов и белков. Особенностью мембранных липидов является наличие у них полярной группы на одном конце, которая обладает гидрофильными свойствами, и гидрофобной длинной углеводородной цепи на другом. Они образуют бимолекулярный слой, в которой неполярные хвосты обращены друг к другу, а полярные головки находятся снаружи. Белки могут располагаться рядом с внешней или внутренней поверхностью, проникать частично или полностью через всю толщину бислоя.

Не смотря на то, что биологические мембраны очень прочные, они не являются жесткими структурами, так как клеточные липиды находятся в постоянном движении.

ЗНАЧЕНИЕ ПОВЕРХНОСТНЫХ ЯВЛЕНИЙ В МЕДИЦИНЕ

Вода является наиболее часто применяющимся растворителем. Кроме того, живой организм примерно на 90% состоит из воды. Это связано с тем, что у воды достаточно большое поверхностное натяжение, и поэтому многие вещества по отношению к ней являются поверхностно - активными. Поверхностное натяжение биологических жидкостей (например, сыворотка крови) меньше воды, благодаря наличию в них ПАВ различной природы. В результате, эти вещества самопроизвольно адсорбируются у стенок сосудов, клеточных мембран, что облегчает их проникновение через эти мембраны.

Изменение поверхностного натяжения так же используется в диагностических целях. При таких заболеваниях, как анафилактический шок и рак поверхностное натяжение плазмы крови значительно изменяется. Интересный факт, что этот показатель уменьшается с возрастом человека.

НОВЫЕ ПЕРСПЕКТИВНЫЕ НАПРАВЛЕНИЯ

С появлением и развитием микроэлектроники, биотехнологии, разработкой биологических мембран и глазных линз и многих других отраслей в исследовании поверхностных явлений открылись новые направления.

В настоящее время исследуют поверхностные явления в экстремальных условиях (при высоких температурах и давлениях, или ,наоборот, в глубоком вакууме и вблизи абсолютного нуля, а так же в условиях интенсивных внешних воздействий таких как вибрация, мощные электрические и магнитные поля, ионизирующее излучение. Существенно внимание уделяется изучению кинетических закономерностей поверхностных явлений для более полного представления молекулярных механизмов.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. http://intranet.tdmu.edu.ua/data/kafedra/internal/zag_him/classes_stud/ru/stomat/ptn/%D0%BC%D0%B5%D0%B4%D0%B8%D1%86%D0%B8%D0%BD%D1%81%D0%BA%D0%B0%D1%8F%20%D1%85%D0%B8%D0%BC%D0%B8%D1%8F/1%20%D0%BA%D1%83%D1%80%D1%81/05.%20%D0%B0%D0%B4%D1%81%D0%BE%D1%80%D0%B1%D1%86%D0%B8%D1%8F.%20%D0%B8%D0%BE%D0%BD%D0%BE%D0%BE%D0%B1%D0%BC%D0%B5%D0%BD%D0%BD%D0%B0%D1%8F%20%D0%B0%D0%B4%D1%81%D0%BE%D1%80%D0%B1%D1%86%D0%B8%D1%8F.htm

2. http://www.xumuk.ru/colloidchem/28.html

3. Гавронская Ю.Ю. “Физическая химия поверхностных явлений и дисперсных систем”: учебно-методическое пособие для студентов вузов. 2012 г.

4. http://www.studfiles.ru/preview/2244100/

5. http://www.scienceforum.ru/2013/20/1566

6. http://www.polimerportal.ru/informaciya/pav-poverxnostno-aktivnye-veshhestva/

7. http://www.xumuk.ru/encyklopedia/2/3422.html

Размещено на Allbest.ru