Мицелла это в химии кратко

Обновлено: 02.07.2024

Поперечное сечение структур, которые могут быть образованы фосфолипидами в водных растворах (в отличие от этой иллюстрации, мицеллы обычно образованы одноцепочечными липидами, так как две цепи сложно уместить в эту форму)

Эта фаза вызвана поведение упаковки однохвостого липиды в двухслойный. Сложность заполнения всего объема внутренней части бислоя при размещении площади на головную группу, навязанную молекуле гидратацией головной липидной группы, приводит к образованию мицеллы. Этот тип мицеллы известен как мицелла с нормальной фазой (мицелла масло в воде). Обратные мицеллы имеют головные группы в центре с выступающими хвостами (мицелла вода в масле).

Мицеллы имеют приблизительно сферическую форму. Другой фазы, включая такие формы, как эллипсоиды, цилиндры и бислои, также возможны. Форма и размер мицеллы зависят от молекулярной геометрии ее молекул поверхностно-активного вещества и условий раствора, таких как концентрация поверхностно-активного вещества, температура, pH, и ионная сила. Процесс образования мицелл известен как мицеллизация и является частью фазовое поведение многих липидов в зависимости от их полиморфизм. [4]

Содержание

История

Решение

Мицеллы, состоящие из ионных поверхностно-активных веществ, обладают электростатическим притяжением к ионам, окружающим их в растворе, последнее, известное как противоионы. Хотя ближайшие противоионы частично маскируют заряженную мицеллу (до 92%), эффекты заряда мицеллы влияют на структуру окружающего растворителя на значительных расстояниях от мицеллы. Ионные мицеллы влияют на многие свойства смеси, включая ее электропроводность. Добавление солей к мицеллам, содержащим коллоид, может снизить силу электростатических взаимодействий и привести к образованию более крупных ионных мицелл. [8] Это более точно видно с точки зрения эффективного заряда при гидратации системы.

Энергия образования

Параметр упаковки мицелл

Блок-сополимерные мицеллы

Понятие мицелл было введено для описания агрегатов ядро-корона малых поверхностно-активное вещество молекул, однако он также распространился на описание агрегатов амфифильный блок-сополимеры в селективных растворителях. [10] [11] Важно знать разницу между этими двумя системами. Основное различие между этими двумя типами агрегатов заключается в размере их строительных блоков. Молекулы ПАВ обладают молекулярный вес который обычно составляет несколько сотен граммов на моль, тогда как блок-сополимеры обычно на один или два порядка больше. Более того, благодаря более крупным гидрофильным и гидрофобным частям блок-сополимеры могут иметь гораздо более выраженную амфифильную природу по сравнению с молекулами поверхностно-активных веществ.

Из-за этих различий в строительных блоках некоторые мицеллы блок-сополимера ведут себя как мицеллы поверхностно-активных веществ, а другие - нет. Поэтому необходимо проводить различие между этими двумя ситуациями. Первые будут принадлежать динамические мицеллы а последний будет называться кинетически замороженные мицеллы.

Динамические мицеллы

Некоторые мицеллы амфифильного блок-сополимера демонстрируют поведение, подобное мицеллам поверхностно-активного вещества. Их обычно называют динамическими мицеллами, и они характеризуются теми же релаксационными процессами, которые связаны с обменом поверхностно-активных веществ и расщеплением / рекомбинацией мицелл. Хотя релаксационные процессы между двумя типами мицелл одинаковы, кинетика унимерного обмена сильно различается. В системах с поверхностно-активными веществами унимеры уходят и присоединяются к мицеллам через распространение-управляемый процесс, для сополимеров константа скорости входа медленнее, чем процесс, управляемый диффузией. Скорость этого процесса оказалась убывающей по степенному закону степень полимеризации гидрофобного блока до мощности 2/3. Это различие связано с намоткой гидрофобного блока сополимера, выходящего из ядра мицеллы. [12]

Блок-сополимеры, которые образуют динамические мицеллы, относятся к триблоку. Полоксамеры при правильных условиях.

Кинетически замороженные мицеллы

Когда мицеллы блок-сополимера не проявляют характерных процессов релаксации мицелл поверхностно-активного вещества, они называются кинетически замороженные мицеллы. Это может быть достигнуто двумя способами: когда унимеры, образующие мицеллы, не растворимы в растворителе раствора мицелл, или если блоки, образующие ядро, являются стеклообразными при температуре, при которой находятся мицеллы. Кинетически замороженные мицеллы образуются при соблюдении любого из этих условий. Особым примером, в котором выполняются оба этих условия, является полистирол-b-поли (этиленоксид). Этот блок-сополимер характеризуется высокой гидрофобностью блока, образующего ядро, PS, что приводит к нерастворимости унимеров в воде. Кроме того, PS имеет высокий температура стеклования которая, в зависимости от молекулярной массы, выше комнатной температуры. Благодаря этим двум характеристикам водный раствор мицелл ПС-ПЭО с достаточно высокой молекулярной массой можно считать кинетически замороженным. Это означает, что никакие релаксационные процессы, которые привели бы раствор мицелл к термодинамическому равновесию, невозможны. [13] Новаторская работа с этими мицеллами была проделана Ади Айзенбергом. [14] Также было показано, как отсутствие релаксационных процессов дает большую свободу в возможных образованных морфологиях. [15] [16] Более того, устойчивость к разбавлению и широкий диапазон морфологий кинетически замороженных мицелл делают их особенно интересными, например, для разработки наночастиц с длительной циркуляцией доставки лекарств. [17]

Обратные / обратные мицеллы

В неполярный растворитель, то воздействие на гидрофильные головные группы окружающего растворителя является энергетически невыгодным, что приводит к образованию системы вода-в-масле. В этом случае гидрофильные группы изолированы в ядре мицеллы, а гидрофобные группы отходят от центра. Эти обратные мицеллы пропорционально менее склонны к образованию при увеличении заряда головной группы, поскольку гидрофильная секвестрация создаст крайне неблагоприятные электростатические взаимодействия.

Супермицеллы

Электронная микрофотография супермицеллы, напоминающей ветряную мельницу, масштабная линейка 500 нм. [18]

Супермицелла представляет собой иерархическую структуру мицелл (супрамолекулярная сборка), где отдельные компоненты также являются мицеллами. Супермицеллы образуются через вверх дном химические подходы, такие как самосборка из длинных цилиндрических мицелл на радиальные поперечные, звездообразные или одуванчик-подобные узоры в специально подобранном растворителе; твердый наночастицы могут быть добавлены к раствору, чтобы действовать как центры зародышеобразования и формировать центральное ядро супермицеллы. Стволы первичных цилиндрических мицелл состоят из различных блоков. сополимеры связаны сильными ковалентные связи; внутри структуры супермицеллы они слабо удерживаются вместе водородные связи, электростатический или сольвофобный взаимодействия. [18] [19]

Использует

Когда поверхностно-активные вещества присутствуют выше критическая концентрация мицелл (CMC), они могут действовать как эмульгаторы это позволит соединению, которое обычно нерастворимо (в используемом растворителе), растворяться. Это происходит потому, что нерастворимые частицы могут быть включены в ядро мицеллы, которое само солюбилизируется в основной массе растворителя благодаря благоприятным взаимодействиям головных групп с частицами растворителя. Самый распространенный пример этого явления: моющие средства, которые очищают плохо растворимый липофильный материал (например, масла и воски), который невозможно удалить только водой. Моющие средства очищают также, опуская поверхностное натяжение воды, что облегчает удаление материала с поверхности. Эмульгирующие свойства поверхностно-активных веществ также являются основой для эмульсионная полимеризация.

Образование мицелл необходимо для усвоения жирорастворимых витаминов и сложных липидов в организме человека. Желчные соли образуются в печени и секретируются желчным пузырем, что позволяет образовывать мицеллы жирных кислот. Это обеспечивает всасывание сложных липидов (например, лецитина) и жирорастворимых витаминов (A, D, E и K) в мицелле тонкой кишкой.

В процессе свертывания молока протеазы воздействовать на растворимую часть казеины, κ-казеин, таким образом вызывая нестабильное мицеллярное состояние, которое приводит к образованию сгустка.

Мицеллы также можно использовать для адресная доставка лекарств в виде наночастиц золота. [20]

Коллоидные системы состоят из дисперсной фазы и дисперсионной среды. Частицу дисперсной фазы вместе с двойным электрическим слоем называют мицеллой.

Мицелла – сложное структурное образование, состоящее из агрегата, потенциалопределяющих ионов и противоионов.

Внутреннюю часть мицеллы составляет агрегат основного вещества. Как правило, агрегат состоит из большого числа молекул или атомов кристаллического или аморфного строения. Агрегат электронейтрален, но обладает большой адсорбционной способностью и способен адсорбировать на своей поверхности ионы из раствора – потенциалопределяющие ионы (ПОИ).

При выборе потенциалопределяющих ионов пользуются эмпирическим правилом Фаянса – Панета – Пескова: «На твердой поверхности агрегата в первую очередь адсорбируются ионы, которые:

- входят в состав агрегата;

- способны достраивать кристаллическую решетку агрегата;

- образуют малорастворимое соединение с ионами агрегата;

Агрегат вместе с потенциалопределяющими ионами составляет ядро мицеллы. Ядро мицеллы, обладающее большим зарядом, притягивает ионы противоположного заряда – противоионы (ПИ) из раствора.

Часть противоионов находится в непосредственной близости от ядра, прочно связана с ним за счет адсорбционных и электростатических сил, и образует плотную часть двойного электрического слоя (адсорбционный слой).

Ядро с противоионами плотной части двойного электрического слоя образуют гранулу или коллоидную частицу. Знак заряда коллоидной частицы определяется знаком заряда потенциалопределяющих ионов.

Коллоидную частицу (гранулу) окружают противоионы диффузного слоя – остальная часть противоионов, подвергающихся броуновскому движению и менее прочно связанная с ядром. В целом образуется мицелла. Мицелла в отличие от коллоидной частицы электронейтральна.

Пример 4.2. Рассмотрим строение мицеллы при образовании коллоидного раствора – золя иодида серебра методом химической конденсации при небольшом избытке нитрата серебра

Рис. 4.11. Схематическое строение мицеллы золя иодида серебра

Формула мицеллы запишется:

где m – количество молекул или атомов, образующих агрегат; n – число потенциалопределяющих ионов, адсорбированных на поверхности агрегата; (n – x) – число противоионов в плотной части двойного электрического слоя (адсорбционный слой); x – число противоионов в диффузной части двойного электрического слоя; – заряд коллоидной частицы (гранулы).

При образовании золя иодида серебра при небольшом избытке иодида калия

образуется мицелла следующего состава:

Заряд коллоидной частицы в этом случае будет отрицательным.

Формулы мицелл золей носят только качественный характер, они позволяют судить о структуре поверхностных слоев, но не пригодны для количественной характеристики состава мицелл. Существование мицелл в дисперсных системах приводит к тому, что состав дисперсионной среды вдали и вблизи частиц различается. Если, например, диффузный слой содержит ионы H + , то при фильтровании суспензий эти ионы уходят вместе с частицами. В результате возникает повышенная концентрация ионов H + в осадке по сравнению с фильтратом. Это явление получило название суспензионного эффекта.

Образование ДЭС в присутствии электролита-стабилизатора обеспечивает электростатический фактор устойчивости дисперсной системе, который усиливается с ростом потенциала поверхности и толщины ДЭС. Он очень чувствителен к действию электролитов и характерен для систем с полярными, особенно водными средами, создающими условия для диссоциации. Наряду с электростатическим, в дисперсных схемах возможно проявление и других факторов стабилизации.

- входят в состав агрегата;

- способны достраивать кристаллическую решетку агрегата;

- образуют малорастворимое соединение с ионами агрегата;

Рис. 4.11. Схематическое строение мицеллы золя иодида серебра

Формула мицеллы запишется:

При образовании золя иодида серебра при небольшом избытке иодида калия

образуется мицелла следующего состава:

Заряд коллоидной частицы в этом случае будет отрицательным.

Коллоидные системы чрезвычайно важны в жизни любого человека. Это связано не только с тем, что практически все биологические жидкости в живом организме образуют коллоиды. Но и многие природные явления (туман, смог), почва, минералы, продукты питания, лекарственные средства тоже являются коллоидными системами.

Единицей таких образований, отражающих их состав и специфические свойства, принято считать макромолекулу, или мицеллу. Строение последней зависит от ряда факторов, но это всегда многослойная частица. Современной молекулярно-кинетической теорией коллоидные растворы рассматриваются в качестве частного случая истинных растворов, с более крупными частицами растворенного вещества.

Способы получения коллоидных растворов

Строение мицеллы, образующейся при возникновении коллоидной системы, отчасти зависит и от механизма этого процесса. Методы получения коллоидов делят на две принципиально разные группы.

Диспергационные методы связаны с измельчением довольно крупных частиц. В зависимости от механизма этого процесса различают следующие способы.

Размол. Может осуществляться сухим или мокрым способом. В первом случае твердое вещество сначала измельчают, а уже затем прибавляют жидкость. Во втором случае вещество смешивают с жидкостью, и только после этого превращают в однородную смесь. Размол проводят в специальных мельницах.
Набухание. Измельчение достигается благодаря тому, что частицы растворителя проникают внутрь дисперсной фазы, что сопровождается раздвиганием ее частиц вплоть до отрыва.
Диспергирование ультразвуком. Материал, подверженный измельчению, помещают в жидкость и действуют на него ультразвуком.
Диспергирование электрическим током. Востребовано при получении золей металлов. Проводится путем помещения в жидкость электродов из диспергируемого металла с последующей подачей на них высокого напряжения. В результате образуется вольтова дуга, в которой металл распыляется, а затем конденсируется в раствор.

Эти способы подходят для получения как лиофильных, так и лиофобных коллоидных частиц. Строение мицеллы осуществляется одновременно с разрушением исходной структуры твердого вещества.

Конденсационные методы

Вторая группа методов, основанная на укрупнении частиц, называется конденсационными. Этот процесс может основываться на физических или химических явлениях. К методам физической конденсации относят следующие.

Замена растворителя. Сводится она к переводу вещества из одного растворителя, в котором оно растворяется очень хорошо, в другой, растворимость в котором значительно ниже. В результате этого мелкие частицы объединятся в более крупные агрегаты и возникнет коллоидный раствор.
Конденсация из паров. В качестве примера можно назвать туманы, частицы которых способны оседать на холодных поверхностях и постепенно укрупняться.

К методам химической конденсации относят некоторые химические реакции, сопровождающиеся выпадением осадков комплексной структуры:

Ионный обмен: NaCl + AgNO₃ = AgCl↓ + NaNO₃.
Окислительно-восстановительные процессы: 2H₂S + O₂ = 2S↓ + 2H₂O.
Гидролиз: Al₂S₃ + 6H₂O = 2Al(OH)₃↓ + 3H₂S.

Условия проведения химической конденсации

Строение мицелл, образующихся в ходе этих химических реакций, зависит от избытка или недостатка участвующих в них веществ. Также для появления коллоидных растворов необходимо соблюдать ряд условий, предотвращающих выпадение в осадок труднорастворимого соединения:

содержание веществ в смешиваемых растворах должно быть низким;
скорость их смешивания должна быть невысокой;
один из растворов должен быть взят в избытке.

Строение мицеллы

Основной частью мицеллы является ядро. Оно образовано большим числом атомов, ионов и молекул нерастворимого соединения. Обычно ядро характеризуется кристаллическим строением. Поверхность ядра имеет запас свободной энергии, позволяющей избирательно адсорбировать ионы из окружающей среды. Процесс этот подчиняется правилу Пескова, которое гласит: на поверхности твердого вещества преимущественно адсорбируются те ионы, которые способны достраивать его же кристаллическую решетку. Это возможно в том случае, если эти ионы родственные или сходные по природе и форме (размерам).

В ходе адсорбции на ядре мицеллы образуется слой положительно или отрицательно заряженных ионов, называемых потенциалопределяющими. Благодаря электростатическим силам полученный заряженный агрегат притягивает из раствора противоионы (ионы с противоположным зарядом). Таким образом, коллоидная частица имеет многослойное строение. Мицелла приобретает диэлектрический слой, построенный из двух типов противоположно заряженных ионов.

Гидрозоль BaSO4

В качестве примера удобно рассмотреть строение мицеллы сульфата бария в коллоидном растворе, приготовленном в избытке хлорида бария. Этому процессу соответствует уравнение реакции:

Малорастворимый в воде сульфат бария образует микрокристаллический агрегат, построенный из m-ного числа молекул BaSO₄. Поверхностью этого агрегата адсорбируется n-ное количество ионов Ва 2+ . Со слоем потенциалопределяющих ионов связано 2(n - x) ионов Cl - . А остальная же часть противоионов (2x) расположена в диффузном слое. То есть гранула данной мицеллы будет положительно заряженной.

Если же в избытке взят сульфат натрия, то потенциалопределяющими ионами будут ионы SO₄ 2- , а противоионами – Na + . В этом случае заряд гранулы будет отрицательным.

Этот пример наглядно демонстрирует, что знак заряда гранулы мицеллы напрямую зависит от условий ее получения.

Запись мицеллы

Предыдущий пример показал, что химическое строение мицелл и формула, его отражающая, определяется тем веществом, которое взято в избытке. Рассмотрим способы записи названия отдельных частей коллоидной частицы на примере гидрозоля сульфида меди. Для его приготовления в избыточное количество раствора хлорида меди медленно приливают раствор сульфида натрия:

Строение мицеллы CuS, полученной в избытке CuCl₂, записывается следующим образом:

Структурные части коллоидной частицы

В квадратных скобках записывают формулу труднорастворимого соединения, являющегося основой всей частицы. Ее принято называть агрегатом. Обычно число молекул, составляющих агрегат, записывают латинской буквой m.

Потенциалопределяющие ионы содержатся в избыточном количестве в растворе. Они располагаются на поверхности агрегата, а в формуле их записывают сразу за квадратными скобками. Число этих ионов обозначают символом n. Название этих ионов говорит о том, что их заряд определяет заряд гранулы мицеллы.

Гранула образована ядром и частью противоионов, находящихся в адсорбционном слое. Величина заряда гранулы равняется сумме зарядов потенциалопределяющих и адсорбированных противоионов: +(2n – x). Оставшаяся часть противоионов находится в диффузном слое и компенсирует заряд гранулы.

Если бы в избытке взяли Na₂S, то для образовавшейся коллоидной мицеллы схема строения имела бы вид:

Мицеллы поверхностно-активных веществ

В том случае если концентрация поверхностно-активных веществ (ПАВ) в воде слишком высока, могут начать формироваться агрегаты из их молекул (или ионов). Эти укрупненные частицы имеют форму сферы и называются мицеллами Гартли - Ребиндера. Стоит отметить, что такой способностью обладают далеко не все ПАВ, а только те, у которых соотношение гидрофобной и гидрофильной частей оптимально. Это соотношение называется гидрофильно-липофильным балансом. Также немалую роль играет способность их полярных групп защищать углеводородное ядро от воды.

Агрегаты молекул ПАВ образуются по определенным законам:

в отличие от низкомолекулярных веществ, агрегаты которых могут включать различное число молекул m, существование мицелл ПАВ возможно со строго определенным числом молекул;
если для неорганических веществ старт мицеллообразования обусловлен пределом растворимости, то для органических поверхностно-активных веществ он определяется достижением критических концентраций мицеллообразования;
сначала в растворе увеличивается число мицелл, а затем происходит увеличение их размеров.

Влияние концентрации на форму мицеллы

На строение мицелл ПАВ оказывает влияние их концентрация в растворе. При достижении некоторых ее значений, коллоидные частицы начинают друг с другом взаимодействовать. Это приводит к изменению их формы следующим образом:

сфера превращается в эллипсоид, а затем в цилиндр;
высокая концентрация цилиндров ведет к формированию гексагональной фазы;
в некоторых случаях возникает ламелярная фаза и твердый кристалл (частицы мыла).

Виды мицелл

По особенностям организации внутренней структуры выделяют три типа коллоидных систем: суспензоиды, мицеллярные коллоиды, молекулярные коллоиды.

Суспензоидами могут быть необратимые коллоиды, а также лиофобные коллоиды. Эта структура характерна для растворов металлов, а также их соединений (различных оксидов и солей). Строение дисперсной фазы, образованной суспензоидами, не отличается от структуры компактного вещества. Она имеет молекулярную или ионную кристаллическую решетку. Отличие от суспензий заключается в более высокой дисперсности. Необратимость проявляется в способности их растворов после выпаривания образовывать сухой осадок, который невозможно превратить в золь простым растворением. Лиофобными их называют из-за слабого взаимодействия между дисперсной фазой и дисперсионной средой.

Мицеллярными коллоидами являются растворы, коллоидные частицы которых возникают при слипании дифильных молекул, содержащих полярные группы атомов и неполярные радикалы. Примером являются мыла и ПАВ. Молекулы в таких мицеллах удерживаются дисперсионными силами. Форма этих коллоидов может быть не только сферической, но и пластинчатой.

Молекулярные коллоиды вполне устойчивы без стабилизаторов. Их структурными единицами являются отдельные макромолекулы. Форма частицы коллоида может варьироваться в зависимости от свойств молекулы и внутримолекулярных взаимодействий. Так линейная молекула может образовывать стержень или клубок.

Мицелла

Миц е лла (новолат. micella, уменьшительное от лат. mica — крошка, крупинка), отдельная частица дисперсной фазы золя, т. е. высокодисперсной коллоидной системы с жидкой дисперсионной средой. Мицелла состоит из ядра кристаллической или аморфной структуры и поверхностного слоя, включающего сольватно связанные (см. Сольватация) молекулы окружающей жидкости. Поверхностный слой мицеллы лиофобного золя (см. Лиофильные и лиофобные коллоиды) образован адсорбированными молекулами или ионами стабилизирующего вещества. В случае лиофобных гидрозолей, стабилизованных электролитами, ядро мицеллы окружено двумя слоями противоположно заряженных ионов, т. н. двойным электрическим слоем. Число положительных и отрицательных зарядов в нём одинаково, и поэтому мицелла в целом электронейтральна.

В лиофильных золях, коллоидных дисперсиях типа гидрозолей мыл, например олеата натрия или лаурилсульфата калия, мицелла представляет собой ассоциат (объединение) молекул. В каждой такой молекуле длинный углеводородный (гидрофобный) радикал связан с полярной (гидрофильной) группой. При образовании мицеллы несколько десятков или сотен молекул объединяются так, что гидрофобные радикалы образуют ядро (внутреннюю область), а гидрофильные группы — поверхностный слой мицеллы. Если дисперсионной средой является органическая жидкость, ориентация молекул в мицелле может быть обратной: в ядре сосредоточатся полярные группы, тогда как гидрофобные радикалы будут обращены во внешнюю фазу. Изобразив молекулу мицеллообразующего вещества в виде волнистой линии (гидрофобный радикал) с кружочком на конце (гидрофильная группа), можно представить простейшие структурные типы мицелл схемами:

Мицеллярные структуры 1 и 2 относятся к гидрофильным золям, а 3 и 4 — к органофильным. Сферические мицеллы (1 и 3) при разбавлении системы ниже критической концентрации мицеллообразования обратимо распадаются на отдельные молекулы или димеры (подробнее см. Полуколлоидные системы). При более высоких концентрациях сферические мицеллы превращаются в пластинчатые (2 и 4). Последние, взаимодействуя между собой, способны создавать в объёме системы структурную сетку геля (см. Гели, Дисперсная структура).

Наличием мицелл объясняется моющее действие водных растворов (точнее, коллоидных дисперсий) мыл, а также некоторые явления в биологических системах и при технологических процессах (см. также Солюбилизация).

Читайте также: