Свойства ПАВ: поверхностная активность, гидрофильно-

Липофильный баланс

 

Способность поверхностно-активных веществ понижать поверхностное натяжение может быть охарактеризована поверхностной активностью, которая зависит, главным образом, от длины углеводородного радикала в молекуле ПАВ. Поверхностная активность представляет собой производную поверхностного натяжения раствора ПАВ по его концентрации

Знак «минус» показывает, что при увеличении концентрации ПАВ поверхностное натяжение его раствора уменьшается.

Для истинно-растворимых ПАВповерхностная активность определяется по начальному участку изотермы поверхностного натяжения (рис. 1.2) при концентрации, стремящейся к нулю.

 

 

Рис. 1.2. Определение поверхностной активности ПАВ по изотерме

поверхностного натяжения

Для её нахождения проводится касательная к изотерме поверхностного натяжения в точке, соответствующей s_{0 .}Касательная продлевается до пересечения с осью концентраций. Поверхностная активность вычисляется как тангенс угла наклона касательной к оси абсцисс:

.

Для мицеллообразующих ПАВповерхностная активность может быть рассчитана по формуле

,

где s₀ и s_мин - соответственно поверхностное натяжение чистого растворителя и наименьшее постоянное значение поверхностного натяжения при достижении критической концентрации мицеллообразования (см. п. 1.8).

Зависимость поверхностной активности от строения молекул поверхностно-активных веществ описывается правилом П. Э. Дюкло - И. Траубе:

Увеличение длины углеводородного радикала в молекуле ПАВ на одну группу -СН₂ приводит к возрастанию поверхностной активности в 3 – 5 раз (приблизительно в 3,2 раза).

 

Это правило соблюдается в основном для водных растворов истинно растворимых ПАВ, таких, как низшие карбоновые кислоты и алифатические спирты. Для органических сред правило Дюкло - Траубе обращается, т. е. поверхностная активность с увеличением длины углеводородного радикала снижается.

Другой важной количественной характеристикой ПАВ является гидрофильно-липофильный баланс (ГЛБ). Он выражается безразмерными числами l:

,

где (b + Yn) – сродство (энергия Гиббса взаимодействия) неполярной части молекулы ПАВ к углеводородной жидкости (b – коэффициент, зависящий от природы ПАВ, Y - сродство в расчёте на одну группу -СН₂-, n - число групп -СН₂- в углеводородном радикале); а – сродство полярной группы к воде.

Чем выше гидрофильность ПАВ, тем больше его ГЛБ. Существует шкала чисел ГЛБ (Д. Дэвис, 1960-е гг.; Гриффин) в пределах от 1 до 40. Число ГЛБ по этой шкале может быть вычислено по сумме групповых чисел, приписываемых каждой группе атомов, входящей в молекулу ПАВ:

ГЛБ = å гидрофильных групповых чисел +

+ å гидрофобных групповых чисел + 7

Приведём некоторые групповые числа по Гриффину:

гидрофильные группы
-СООК	-COONa	-COOH	-OH	=O
21,1	19,1	2,4	1,9	1,3
гидрофобные группы
=CН-	-СН2-	-СН3	=С=
0,475	0,475	0,475	0,475

 

При практическом определении ГЛБ используют так называемые реперные точки, которыми являются числа ГЛБ некоторых ПАВ: олеиновая кислота - 1, триэтаноламин - 12, олеат натрия - 18.

Хотя понятие ГЛБ и является достаточно формальным, оно позволяет ориентировочно определять области применения ПАВ. Например:

 

Назначение ПАВ	ГЛБ
Эмульгаторы прямых эмульсий	8 – 16
Эмульгаторы обратных эмульсий	3 – 6
Смачиватели	7 – 9
Солюбилизаторы (прямые)	15 – 16
Моющие средства	13 – 18

 

1.8. Мицеллообразование в растворах МПАВ. Критическая

концентрация мицеллообразования. Солюбилизация

 

Мицеллообразующие ПАВпри малых концентрациях существуют в растворах в виде отдельных молекул или ионов. При увеличении концентрации раствора их молекулы (ионы) ассоциируют друг с другом, образуя вначале димеры, тримеры и другие ассоциаты. После превышения некоторой, характерной для каждого данного ПАВ, концентрации, называемой критической концентрацией мицеллообразования(ККМ), МПАВ существуют в растворе в виде особого рода образований, называемых мицеллами. Для большинства ПАВ ККМ лежит в пределах 10^-5 ¸ 10^-2 моль/л.

Под мицеллой ПАВ понимают агрегат дифильных молекул, лиофильные группы которых обращены к соответствующему растворителю, а лиофобные соединяются друг с другом, образуя ядро мицеллы. Процесс мицеллообразования обратим, так как при разбавлении раствора мицеллы распадаются на молекулы и ионы.

В водных растворах при концентрациях, ненамного превышающих ККМ, образуются сферические мицеллы ("мицеллы Гартли"). Внутренняя часть мицелл Гартли состоит из переплетающихся углеводородных радикалов, а полярные группы молекул ПАВ обращены в водную фазу. Диаметр таких мицелл приблизительно равен удвоенной длине молекул ПАВ. Число молекул в мицелле (степень агрегации) растёт до какого-то предела (обычно 30 - 100 молекул), после чего с дальнейшим ростом концентрации не изменяется, но число мицелл увеличивается.

При более высоких концентрациях мицеллы Гартли взаимодействуют друг с другом, что приводит к их деформации. Они могут принимать цилиндрическую, дискообразную, палочкообразную, пластинчатую форму (“мицеллы Мак-Бена”). При концентрациях примерно в 10 - 50 раз больше ККМ (т. н. ККМ₂) мицеллы приобретают цепочечную ориентацию и вместе с молекулами растворителя способны образовывать студнеообразное тело. При добавлении к таким концентрированным мицеллярным растворам ПАВ нейтральных солей - NaCl, КCl, NH₄NO₃ и т. п., - соли отнимают у мицелл воду, входящую в гидратную оболочку (дегидратируют мицеллы), и облегчают объединение мицелл. При этом ПАВ в зависимости от плотности выпадает в осадок или всплывает на поверхность. Такое выделение ПАВ из мицеллярных растворов называется высаливанием.

В неводных средах при мицеллообразовании возникают "обращённые" мицеллы, в центральной части которых находятся полярные группы, окружённые по периферии слоем углеводородных радикалов. Такие мицеллы обычно содержат значительно меньше молекул ПАВ (30 - 40), чем в водных средах.

При добавлении к мицеллярным растворам ПАВ нерастворимых в данной среде веществ, в особенности жидких, и при перемешивании возможна солюбилизация, то есть проникновение молекул этих веществ внутрь мицелл. Так, углеводороды и жиры солюбилизируются водными растворами мыл и белков (прямая солюбилизация), вода и полярные вещества - мицеллярными растворами ПАВ в неполярных органических растворителях (обратная солюбилизация).

Явление солюбилизации используется в технологии лекарств для приготовления жидких лекарственных форм из веществ, нерастворимых в воде. Такие лекарственные формы называются солюбилизированными, а нерастворимые в воде лекарственные вещества (например, жирорастворимые витамины), входящие в состав мицелл – солюбилизатами. Однако применять таки лекарственные формы следует с осторожностью, так как при их разбавлении мицеллы ПАВ будут распадаться, что приведёт к выделению крупных капель или крупинок солюбилизата.

 

Липосомы

 

Близко по строению и по свойствам к рассмотренным мицеллам ПАП стоят липосомы – искусственные, состоящие из одного или нескольких липидных бислоёв. В качестве поверхностно-активных веществ при образовании липосом выступают липиды различной природы, но наиболее часто - фосфолипиды. В отличие от мицелл Гартли и Мак-Бена оболочки липосом являются двойными, что обусловлено значительно бóльшим гидрофобным фрагментом дифильных молекул липидов по сравнению с полярными группами. Простые бислойные липосомы («моноламеллярные») имеют диаметр 20 – 50 нм (2´10^-8 - 5´10^-8 м), При этом внутри них имеется полость, заполненная водой. Можно получать и более сложные липосомы – биламеллярные и даже мультиламеллярные (многослойные), диаметр которых достигает 5000 – 10000 нм (5´10^-6 – 10^-5 м). Получаются липосомы довольно просто, при встряхивании или ультразвуковой обработке водной дисперсии набухших липидов. Пропуская смесь, содержащую липосомы, через фильтры с очень малыми порами, можно получить монодисперсную систему с липосомами примерно одинаковых размеров.

Липосомы используют при научных исследованиях – биологических, фармакологических - в качестве моделей клеточных мембран, Они незаменимы при изучении осмотических явлений в клетках, при выяснении механизма и кинетики прохождения лекарственных и других веществ через клеточные мембраны и т. д.

Во внутренний объём липосом можно включать различные вещества, например, биологически активные и лекарственные, что даёт возможность получать и применять липосомальные лекарственные и косметические средства. В частности, липосомальные лекарственные средства могут быть использованы для направленной доставки лекарств в определённые органы и ткани организма.

ГЛАВА 2