Мицеллы

Мицеллы (уменьшительное от лат. mica «частица, крупинка») — это агрегаты поверхностно-активных веществ (ПАВ) в коллоидном растворе (золe), состоящие из большого количества амфифильных молекул. Как пример можно привести мицеллы додецилсульфата в воде. Раствор ПАВ, в котором мицеллы находятся в равновесии с одиночными неассоциированными молекулами — мономерами — называется мицеллярным раствором.

Схематическое изображение мицеллы фосфолипида в водном растворе

Переход к мицеллообразованию происходит в узком интервале концентраций, и его можно трактовать как фазовый переход 2-го рода. Причиной мицеллообразования в водных растворах является гидрофобный эффект, а в средах из неполярных молекул — взаимное притяжение полярных групп молекул ПАВ. Ниже определённой температуры (точки Крафта) образование мицелл не происходит, а при увеличении концентрации ПАВ наблюдается кристаллизация. При приближении концентрации ПАВ к критической концентрации мицеллообразования происходит резкое изменение свойств раствора: электропроводности, поверхностного натяжения, коэффициента рассеяния света и т. д.

Мицеллярные системы вызывают большой интерес как с точки зрения различных физико-химических технологических приложений (см. например мицеллярный катализ), так и своеобразия самого механизма мицеллообразования. В частности, этот интерес связан с полиморфизмом мицелл — способностью молекул ПАВ образовывать агрегаты различной формы — сферической, цилиндрической, нитевидной. Одним из важных свойств, вытекающим непосредственно из строения молекул ПАВ, является солюбилизация. Применение свойства солюбилизации — это эмульсионная полимеризация, изготовление пищевых продуктов, получение фармацевтических препаратов[1].

История

Способность молекул ПАВ в растворе образовывать мицеллы известна уже более ста лет и широко применяется в современном мире. Первую работу по этой теме в начале 20 века выполнил канадский химик Джеймс Уильям МакБейн. Уже в 1913 году он постулировал существование мицелл для объяснения хорошей электролитической проводимости растворов пальмитиновой кислоты. Тем не менее, основы теоретического описания кинетики мицеллообразования были заложены значительно позже — в 1970-х годах — в работах Анианссона[2]. За последние семнадцать лет[когда?] кинетическая теория мицеллообразования была значительно расширена, углублена и представлена в терминах теории агрегационных процессов на основе разностных и континуальных кинетических уравнений Беккера-Дёринга и обобщенных кинетических уравнений Смолуховского.

Применение

Применение явления мицеллообразования непосредственно связано с применением ПАВ в быту, косметологии (мицеллярная вода), науке и промышленности. В аналитической химии мицеллы используются в качестве псевдостационарной фазы при проведении мицеллярной электрокинетической хроматографии (МЭКХ).

Области применения

Строение мицелл
Структура шарика из молекул мыла (мицеллы), объединяющего кристаллы стеарата натрия, такова, что внешняя поверхность гидрофильна (притягивается к воде), а внутренняя часть липофильна (притягивает и растворяет жиры)

В каждой молекуле длинный гидрофобный радикал связан с полярной (гидрофильной) группой. При образовании мицеллы молекулы объединяются так, что гидрофобные радикалы образуют ядро (внутреннюю область), а гидрофильные группы — поверхностный слой мицеллы. Минимальную концентрацию поверхностно-активных веществ в растворе, при которой в системе образуются устойчивые мицеллы, находящиеся в равновесии с неассоциированными молекулами поверхностно-активного вещества, называют критической концентрацией мицеллообразования. Если дисперсионной средой является органическая жидкость, ориентация молекул в мицелле может быть обратной: ядро содержит полярные группы, а гидрофобные радикалы обращены во внешнюю фазу (обратная мицелла)[3]. Мицеллы - частицы в коллоидных системах, состоящие из нерастворимого в данной среде ядра очень малого размера, окружённого стабилизирующей оболочкой адсорбированных ионов и молекул растворителя. Например, мицелла сульфида мышьяка имеет строение:

{(As2S3)m•nHS−•(n-x)H+}x-•хН+

Средний размер мицелл от 10−7 до 10−5 см.

Полиморфизм мицелл

Мицеллы могут существовать в состояниях с различными равновесными структурами и в различных внешних формах, устойчивых при различных концентрациях ПАВ в мицеллярном растворе[4].

При концентрациях ПАВ, меньших первой критической концентрации (ККМ1), на границе раздела между полярной и неполярной средами образуется монослой из молекул ПАВ — «частокол Лэнгмюра». При концентрациях ПАВ близких к ККМ1 в растворе начинают формироваться сферические мицеллы. Далее, с увеличением концентрации ПАВ строение мицелл усложняется: сферические превращаются в глобулярные (сплюснутые с полюсов сферы) и затем, при достижении второй критической концентрации (ККМ2) — в цилиндрические мицеллы. При дальнейшем повышении концентрации последовательно начинают формироваться более сложные мицеллярные структуры, элементы которых также являются мицеллами — супермицеллы. И наконец, при дальнейшем увеличении ПАВ в растворе не только изменяется форма и увеличивается размеры мицелл, но и происходит их активное объединение в один большой кластер. Это явление называется гелеобразованием.

Кинетика мицеллообразования

Эволюция концентрации мицелл описывается в терминах теории агрегационных процессов на основе уравнений Беккера-Дёринга.

Примеры

См. также

Примечания
  1. Суздалев И. П. Нанотехнология: физико-химия нанокластеров, наноструктур и наноматериалов. — М.: КомКнига, 2006. — 592 с.
  2. E. A. G. Aniansson and S. N.Wall. Kinetics of step-wise micelle association. The Journal of Physical Chemistry, 78(10):1024-1030, 1974.
  3. Мицелла
  4. Слесарев В. И. Основы химии живого. — Спб.: Химиздат, 2005. С. 730—733.
  5. Stébé, M.-J. Fluorocarbons as oxygen carriers. An NMR study of nonionic fluorinated microemulsions and of their oxygen solutions : [англ.] / M.-J. Stébé, G. Serratrice, J.-J. Delpuech // Journal of Physical Chemistry. — 1985. — Vol. 89, no. 13. — P. 2837—2843. — doi:10.1021/j100259a026.

Литература

Ссылки
This article is issued from Wikipedia. The text is licensed under Creative Commons - Attribution - Sharealike. Additional terms may apply for the media files.