ЗАНЯТТЯ № 2 (практичне – 6 год

Матеріали підготовки до пракичного заняття з фізичної та колоїдної хіміії

для студентів ННІ медсестринства спеціальності “Сестринська справа”

 

ЗАНЯТТЯ № 6 (практичне – 6 год.)

 

Дисперсні системи. Класифікація, методи одержання, використання в медичній практиці. Фізико-хімічні властивості дисперсних систем. Стійкість та коагуляція колоїдно-дисперсних систем.

Властивості розчинів ВМС.

 

Вступ

          Багато лікарських речовин застосовуються у вигляді емульсій, суспензій, ліозолів, аерозолів, порошків, мазей, паст. Тому вивчення властивостей цих систем і методів їх отримання дає можливість визначити раціональну технологію їх виготовлення, умови зберігання, а також визначити ймовірний механізм терапевтичної дії.

У фармації для необхідного впливу біологічно-активної речовини на осередок ураження, як лікарські форми використовують суспензії, емульсії, мазі, пасти, порошки тощо. Тому вивчення властивостей цих систем дає можливість визначити раціональну технологію їх виготовлення та умов їх зберігання. Відомо, що в суспензії лікарська речовина має більш високий ступінь дисперсності, ніж у порошку, тому швидше і повніше виявляє свою лікарську дію. Суспензія повинна бути достатньо стійкою. Це означає, що частинки повинні настільки повільно, щоб при принаймні мікстуру можна було б достатньо точно дозувати.

Електрофорез ­­– це фармакопейний метод визначення ступеня чистоти антибіотиків та інших лікарських

Колоїдна хімія — це самостійний розділ фізичної хімії в якому вивчають дисперсні системи та метод’и їх дослідження, тому її ще називають фізико-хімією дисперсних систем.

Колоїдна хімія відіграє важливу роль у біології, медицині та фармації, бо рослинні та тваринйі організми містять складні дисперсні системи (кров. лімфу тощо), а життєві процеси носять колоїдно-хімічний характер. У фармації для необхідного впливу біологічно активної речовини на осередок ураження, як лікарські форми, використовують емульсії, мазі, пасти, порошки та ін. Тому вивчення властивостей цих систем і способів їх одержання дає можливість визначити раціональну технологію їх виготовлення, умови зберігання, а також запропонувати можливий механізм терапевтичної дії.

 

Основні поняття

Дисперсними називаються гетерогенні системи з високим ступенем дисперсності. Гетерогенна система, в якій одна з фаз роздрібнена до частинок мікроскопічних розмірів, називається мікрогетерогенною. Якщо частинки значно менші, ніж мікроскопічні (їх не можна побачити у звичайний мікроскоп), систему називають ультрамікрогетерогенною. Роздрібнена фаза називається дисперсною фазою, а середовище, в якому вона розподілена, — дисперсійним середовищем. Таким чином, для всіх дисперсних систем головними ознаками є висока роздрібненість (дисперсність) і гетерогенність. Завдяки високій дисперсності ці системи мають велику поверхню поділу між фазою і середовищем і, як наслідок, великий запас поверхневої енергії Гіббса. Тому .дисперсні системи термодинамічне нестійкі, в них легко відбуваються процеси, які знижують поверхневу енергію: адсорбція, коагуляція (злипання дисперсних частинок), утворення макроструктур та ін.

Класифікація дисперсних систем за ступенем дисперсності, за агрегатним станом дисперсної фази та дисперсійного середовища, за відсутністю чи наявністю взаємодії дисперсної фази з дисперсійним середовищем.

Дисперсність визначають як величину, зворотну розміру частинки:

                                                                                  (15.1)

де а — діаметр сферичної частинки, або довжина ребра частинки із формою куба. Розмірність D: [D] = м^-1.

Для характеристики ступеня роздрібненості використовують також величину питомої поверхні S_пит. Її знаходять як відношення поверхні частинки S до її об’єму V  або маси m: S_пит ⁼ S/V або S_пит = S/m. У першому випадку питому поверхню вимірюють у м^-1, в другому — у м²/кг. Отже, питома поверхня — це сумарна поверхня всіх частинок, загальний об’єм яких складає 1 м³, або загальна маса — 1 кг.

Рис. Залежність питомої поверхні від розміру частинок

 

Дисперсні системи розділяють колоїдно-дисперсні або ультрамікрогетерогенні (а = 10^-9 – 10^{–7 м, мікрогетерогенні (10-7} – 10^{–4 м), грубодисперсні (с >10–4 м).}

Частинки колоїдно-дисперсних сисісм (золів) проходять через звичайні фільтри, але затримуються ультрафільтрами колодій, целофан, пергамент); практично не осідають, їх не можна бачити у оптичний мікроскоп, але можна виявити за допомогою ультрамікроскопа.

Частинки мікрогетерогенних та груоодисперсних систем не проходять через тонкі паперові фільтри, відносно швидко осідають (або спливають), їх можна побачити у звичайний мікроскоп.

 

Класифікація диспрсних систем

Дисперсні системи класифікують за різними ознаками: за дисперсністю, агрегатним станом, структурою, міжфазною взаємодією.

Класифікація за дисперсністю

Дисперсність визначають як величину, зворотну розміру частинки:

                                                                               

де а — діаметр сферичної частинки, або довжина ребра частинки із формою куба. Розмірність D: [D] = м^-1.

Для характеристики ступеня роздрібненості використовують також величину питомої поверхні S_пит. Її знаходять як відношення поверхні частинки S до її об’єму V  або маси m: S_пит ⁼ S/V або S_пит = S/m. У першому випадку питому поверхню вимірюють у м^-1, в другому — у м²/кг. Отже, питома поверхня — це сумарна поверхня всіх частинок, загальний об’єм яких складає 1 м³, або загальна маса — 1 кг.

Дисперсні системи розділяють колоїдно-дисперсні або ультрамікрогетерогенні (а = 10^-9 – 10^{–7 м, мікрогетерогенні (10-7} – 10^{–4 м), грубодисперсні (с >10–4 м).}

Частинки колоїдно-дисперсних сисісм (золів) проходять через звичайні фільтри, але затримуються ультрафільтрами колодій, целофан, пергамент); практично не осідають, їх не можна бачити у оптичний мікроскоп, але можна виявити за допомогою ультрамікроскопа. Частинки мікрогетерогенних та груоодисперсних систем не проходять через тонкі паперові фільтри, відносно швидко осідають (або спливають), їх можна побачити у звичайний мікроскоп.

Всі дисперсні системи можна розділити на дев’ять типів в залежності від агрегатного стану дисперсної фази і дисперсійного середовища Система газ—газ гомогенна, але флуктуації густини, що виникають при тепловому русі молекул, незважаючи на короткий час життя, є гетерогенними утвореннями з властивостями дисперсної фази. Тому газові суміші можуть виявляти окремі властивості дисперсних систем. Золі з газовим дисперсійним середовищем мають назву аерозолі, з рідким — ліозолі. В свою чергу ліозолі розділяють на гідрозолі та органозолі відповідно з водним і неводним дисперсійним середовищем.

Таблиця. Типи дисперсних систем

Дисперсійна фаза	Дисперсійне середовище	Позначення системи	Приклади
Газ	Газ	Г/Г	Атмосфера землі
Рідина	Газ	Р/Г	Туман, хмари, аерозолі рідких ліків
Тверде тіло	Газ	Т/Г	Дим, пил, порошки, аерозолі твердих ліків
Газ	Рідина	Р/Г	Піни, газові емульсії
Рідина	Рідина	Р/Р	Емульсії (молоко, лікарські емульсії)
Тверде тіло	Рідина	Т/Р	Суспензії, ліозолі
Газ	Тверде тіло	Г/т	Тверді пііни, пемза, сілікагель
Рідина	Тверде тіло	Р/Т	Перли, капілярні системи, гелі
Тверде тіло	Тверде тіло	Т/Т	Кольрове скло, мінерали, сплави

 

Методи одержання колоїдних систем.

Дисперсні системи можна одержати двома способами: подрібненням твердих і рідких речовин у відповідному середовищі або утворенням частинок дисперсної фази з бкремих молекул, атомів або іонів. У відповідності з цим існують диспергаційні і конденсаційні методи одержання дисперсних систем.

До диспергаційних належать насамперед методи механічного подрібнення, в яких подолання міжмолекулярних сил і накопичення вільної поверхневої енергії відбувається за рахунок зовнішньої механічної роботи.

Подрібнення проводять у дробарках, жерновах і млинах різної конструкції та інших апаратах, де тверді тіла подрібнюються, розтираються, розтискуються або розщеплюються, а рідкі взбовтуються, енергійно перемішуються або видаляються в дисперсійне середовище під великим тиском. Найбільш поширені кульові млини. У порожнисті циліндри, частково заповнені металевими або фарфоровими кулями, завантажують подрібнюваний матеріал. При обертанні циліндру кулі перекочуються і падають, подрібнюючи завантажений матеріал.

Більш тонкого подрібнення досягають у колоїдних млинах. Суспензію або емульсію пропускають через вузький зазор між ротором і статором. Під дією відцентрової сили виникають значні розриваючі зусилля, і частинки дисперсної фази руйнуються.

Високої дисперсності можна досягти ультразвуковим і електричним диспергуванням. Диспергуюча дія ультразвуку пов’язана з кавітацією — утворенням і захлопуванням порожнин у рідині. Захлопування порожнин супроводжується виникненням кавітаційних ударних хвиль, які руйнують матеріал.

При електричному диспергуванні створюють вольтову дугу між поміщеними у дисперсійне середовище електродами з металів, які диспергують.

Для одержання стійких дисперсних систем диспергаційними методами в систему необхідно додавати третій компонент — стабілізатор. Стабілізаторами є іони електролітів, або поверхнево-активні речовини, введення яких в систему приводить до утворення на межі поділу частинка—середовище адсорбційних шарів іонного або молекулярного типу, які перешкоджають злипанню роздрібнених частинок і випадінню їх в осад.

До диспергаційних методів відносять і пептизацію — хімічне диспергування. Свіжий осад, утворений при коагуляції колоїдного розчину, можна перевести у золь, обробляючи його пепти-затором: розчинником, розчином електроліту або розчином поверхнево-активної речовини. При промиванні осаду розчинником видаляються речовини, які сприяли агрегації частинок, тому останні переходять у розчин. При додаванні електроліту його іони адсорбуються на частинках осаду, надаючи їм однаковий заряд, внаслідок чого виникають сили електростатичного відштовхування і відбувається процес дезагрегації. Поверхнево-активна речовина утворює на поверхні частинок адсорбційні шари, які захищають їх від злипання.

Група конденсаційних методів об’єднує процеси, в основі яких лежить виникнення нової фази шляхом з’єднання молекул, атомів або іонів в гомогенному середовищі. Розрізняють фізичну і хімічну конденсацію. До фізичної конденсації належать два методи: конденсація з пари і заміна розчинника.

Метод заміни розчинника полягає в тому, що розчин речовини додають маленькими порціями до рідини, яка змішується з розчинником, але в якій речовина так мало розчиняється, що практично виділяється у вигляді високодисперсної фази, тобто утворюється ліозоль.

Хімічна конденсація основана на конденсаційному виділенні нової фази, яка утворюється в результаті хімічної реакції, з пересиченого розчину.

 

Очищення колоїдних систем

Деякі молекулярно–кінетичні властивості колоїдних систем використовують для очищення золей від електролітів і молекулярних домішок, якими отримані золі часто бувають забруднені. Найбільш поширеними методами очищення колоїдних систем є діаліз, електродіаліз і ультрафильтрация, засновані на властивості деяких матеріалів, – т.з. напівпроникних мембран (колодія, пергаменту, целофану і т.п.) – пропускати іони і молекули невеликих розмірів і затримувати колоїдні частинки. Всі напівпроникні мембрани є пористі тіла, і непроникність їх для колоїдних частинок обумовлена тим, що коефіцієнт дифузії для колоїдних частинок значно (на декілька порядків) менший, ніж для іонів і молекул, що мають набагато менші масу і розміри.

Діаліз є дуже повільним процесом; для швидшого і повнішого очищення золей застосовують електродіаліз. Електродіалізатор складається з трьох частин; у середню частину, відокремлену від двох інших напівпроникними мембранами, за якими поміщені електроди, наливається золь. При підключенні до електродів різниці потенціалів катіони електролітів, що містяться в золі, дифундують через мембрану до катода, аніони – до анода.

Ще одним методом очищення золей є ультрафильтрація – відділення дисперсної фази від дисперсійного середовища шляхом фільтрування під тиском через напівпроникні мембрани. При ультрафільтрації колоїдні частинки залишаються на фільтрі (мембрані).

 

Фізико-хімічні властивості дисперсних систем.

Процес осідання або спливання колоїдних частинок в золі називається седіментацією. Проте седіментації завжди протидіє інший процес, прагнучий до рівномірного розподілу колоїдних частинок за всім обсягом розчину – дифузія, здійснювана під дією броунівського руху частинок. Співвідношення між цими двома процесами визначає кінетичну стійкість золей – здатність колоїдних частинок утримуватися в зваженому стані, не піддававшись седіментації.

У статистичній теорії броунівського руху, розвиненою А.Эйнштейном, вводиться поняття середнє зрушення ±x, що є проекцією відстані між положеннями частинки, в яких частинка знаходилася під час двох послідовних спостережень через час t. Броунівський рух можна спостерігати за допомогою мікроскопа. Частинка переміщається із-за різного числа одночасних ударів неоднакової сили молекулами дисперсійного середовища Значення квадрата середнього зрушення можна знайти по рівнянню Ейнштейна, зв’язуючого x² з температурою T, радіусом зважених частинок r і в’язкістю середовища:

Середнє зрушення частинки пов’язане з коефіцієнтом дифузії D, який може бути розрахований по рівнянню:

                     

Величина коефіцієнта дифузії:

 Помітне осідання частинок в системі, високою кінетичною стійкістю, що володіє, можна викликати за допомогою центрифугування золя, використовуючи значні по величині відцентрові сили, що багато разів збільшує силу, що діє на частинку і сприяючу її осіданню (сучасні ультрацентрифуги працюють при прискореннях 400000g).

Методи седіментації і ультрацентрифугирования застосовуються для вивчення полідісперсності колоїдних систем, обумовленою існуванням в колоїдних системах частинок різних розмірів.

Особливі оптичні властивості колоїдних розчинів обумовлені їх головними особливостями: дисперсністю і гетерогенністю. На оптичні властивості дисперсних систем в значній мірі впливають розмір і форма частинок. Проходження світла через колоїдний розчин супроводжується такими явищами, як поглинання, віддзеркалення, заломлення і розсіяння світла. Переважання якого-небудь з цих явищ визначається співвідношенням між розміром частинок дисперсної фази і довжиною хвилі падаючого світла. У грубодисперсних системах в основному спостерігається віддзеркалення світла від поверхні частинок. У колоїдних розчинах розміри частинок порівнянні з довжиною хвилі видимого світла, що зумовлює розсіяння світла за рахунок дифракції світлових хвиль.

Світлорозсіяння в колоїдних розчинах виявляється у вигляді опалесценції – матового свічення (зазвичай голубуватих відтінків), яке добре помітно на темному фоні при бічному освітленні золя. Причиною опалесценції є розсіяння світла на колоїдних частинках за рахунок дифракції.

Процес дифракційного світлорозсіяння на частинках, розмір яких значно менше довжини хвилі описується рівнянням Релея:

              

З рівняння видно, що, чим менше довжина хвилі падаючого випромінювання, тим більше буде розсіяння. Отже, якщо на частинку падає біле світло, найбільше розсіювання матимуть сині і фіолетові компоненти. Тому в світлі, що проходить, колоїдний розчин буде забарвлений в червонуватий колір, а в бічному, відображеному – в блакитний.

На порівнянні інтенсивності світлорозсіяння золей, один з яких має відому концентрацію (ступінь дисперсності), заснований метод визначення концентрації або ступеня дисперсності золя, званий нефелометрієйю На використанні ефекту Тіндаля грунтується ультрамікроскоп – прилад, що дозволяє спостерігати колоїдні частинки розміром більше 3 нанометрів в розсіяному світлі (у звичайному мікроскопі можна спостерігати частинки з радіусом не меншого 200 нм із-за обмежень, пов’язаних з роздільною здатністю оптики).

Електричні властивості колоїдних систем зумовлені наявністю на поверхні частинок дисперсної фази подвійного електричного шару (ПЕШ) іонів. Подвійний електричний шар може утворитися внаслідок вибіркової адсорбції одного із іонів електроліту, який міститься в розчині, за рахунок поверхневої дисоціації функціональних груп або орієнтації полярних молекул на міжфазній межі.

Наприклад, при утворенні золю AgJ за реакцією між AgNO₃ і КJ на мікрокристаліках AgJ адсорбуються іони, які добудовують його кристалічну решітку. Це іони, які входять до її складу (Ag⁺, J^–), або ізоморфні (Cl^–, Br^–, CNS^–). Якщо в надлишку нітрат срібла, то адсорбуватися будуть іони срібла. При цьому тверда фаза заряджається позитивно. Надлишкові аніони  притягуються до адсорбованих іонів Ag⁺ внаслідок кулонівської взаємодії. Таким чином, на межі поділу фаз утворюється подвійний електричний шар, подібний конденсатору. Іони внутрішньої обкладки (Ag⁺) називаються потенціалвизначаючими, іони зовнішньої обкладки () — протиіонами. Якщо в надлишку KJ, то адсорбуються іони J^–, а іони К⁺ — протиіони.

Склад міцели виражають формулою. Наприклад, склад міцели йодиду срібла, утвореного при надлишку йодиду калію, виражається формулою

 

            агрегат

              ядро

 

         частинка(гранула)

 

                                міцела

 

 

Електрокінетичні явища

Електрокінетичними називають явища, які полягають в тому, що частинки або рідина рухаються під дією різниці потенціалів, або, навпаки, різниця потенціалів виникає внаслідок руху частинок або рідини.

Електрокінетичні явища класифікуються таким чином:

1) електрокінетичні явища першого роду — відносне переміщення фаз під дією різниці потенціалів, до них належать: а) електрофорез — рух частинок дисперсної фази в нерухомому дисперсійному середовищі; б) електроосмос — рух рідини відносно твердої поверхні пористих мембран;

2) електрокінетичні явища другого роду — виникнення різниці потенціалів внаслідок вимушеного відносного руху фаз, до них належать: а) потенціал седиментації — виникнення різниці потенціалів при русі частинок в нерухомій рідині; б) потенціал протікання — виникнення різниці потенціалів при русі рідини відносно нерухомої твердої поверхні.

Електрофорез

У 1808 році професор Московського університету Ф. Ф. Рейсс провів два цікавих експерименти, які лягли в основу дослідження електричних властивостей дисперсних систем. В першому досліді він у мокру глину занурив дві скляні трубки, заповнив їх водою і помістив в них електроди. При пропусканні сталого струму частинки глини рухались до позитивного електрода. Це явище назвали електрофорезом.

Механізм електрофорезу полягає в тому, що під дією електричного поля подвійний шар іонів розривається на межі сковзання, частинка набуває заряду і рухається до протилежно зарядженого електрода, протиіони дифузного шару рухаються у протилежний бік.            

Рис. Схема приладу Рейсса

                           

Однак при спостеріганні електрофорезу здається, що вся рідина рухається до одного електрода. Це тому, що для утворення подвійного шару потрібна дуже мала кількість електроліту. Так, наприклад, було встановлено, що при електрофорезі золю сульфіду миш’яку, стабілізованого сірководнем, на 0,67 г частинок, які виділилися на аноді, виявилося тільки 10^{–5 г водню, що виділився на катоді. Звідси свого часу був зроблений неправильний висновок про односторонність електрофорезу.}

Швидкість електрофорезу залежить від величини електрокінетичного     (ζ-дзета) потенціалу і визначається рівнянням Гельмгольца—Смолуховського:

 

                                                                              (16.6)

це u_о — лінійна швидкість руху фаз; ε — діелектрична проникність середовища; ε_о — діелектрична стала, що дорівнює 8,85 ^. 10^-12 Ф/м; Е — напруженість електричного поля; ζ–дзета-потенціал; η — в’язкість середовища.

Швидкість руху дисперсної фази, віднесена до одиниці напруженості електричного поля, називається електрофоретичною рухомістю і визначається

 

                                                            (16.7)

де h — шлях, пройдений дисперсною фазою (частинкою) за час t; l — відстань між електродами; V — прикладена різниця потенціалів.

Частіше рівняння Гельмгольца—Смолуховського записують відносно ζ–потенціалу (16.2).

Експериментальне електрофорез досліджують шляхом спостерігання за переміщенням окремих частинок в електричному полі при допомозі мікроскопа (мікроелектрофорез), або за зміщенням межі поділу колоїдна система—дисперсійне середовище до одного із електродів (макроелектрофорез). Останній метод  називається методом рухомої межі.

За цим методом електрофорез провадять в U-подібній градуйованій трубці, що має внизу кран  з’єднаний гумовим шлангом  зі скляною лійкою  в яку наливають досліджуваний золь. В U-подібну трубку наливають необхідну кількість (~ 1/3 трубки) бокової рідини (ультрафільтрат золю, або розчин електроліту з електричною провідністю, рівною провідності золю), вставляють електроди і, обережно відкриваючи кран, домагаються чіткої межі золь—бокова рідина. Після занурення електродів у рідину кран закривають і вимірюють час t, за який межа під дією електричного поля підніметься на певну відстань h.

 

Значення електрофорезу.

У біохімії за допомогою електрофорезу проводять аналіз, розділення й очищення біополімерів (головним чином білків), бактеріальних клітин, вірусів, а також амінокислот, вітамінів та ін.

Практичне використання електрофорезу розпочалося після того, як шведський учений А. Тізеліус створив у 1937 р. спеціальний апарат для фронтального або вільного електрофорезу білків у розчині. Найбільш поширені електрофоретичні методи з використанням інертних носіїв (паперу, гелів та ін.), які мають загальну назву зональний електрофорез, бо фракції речовин, що розділяються, утворюють у товщині носія окремі зони, які не змішую­ться.

Рис. Кварцова трубка для вимірювання електрорухливості в приладі для електрофорезу Тізеліуса

 

Електрофорез часто сполучається з іншими методами розділення біоорганічних сполук (напр. з хроматографією). Розроблена техніка електрофоретичних зон біополімерів у гелях — диск-електрофорез — значно підвищує розрізнювальну здатність методу. Новим високоефективним методом розділення й аналізу компонентів складних сумішей є капілярний електрофорезу, при якому пробу невеликого об’єму вводять у кварцовий капіляр, заповнений електролітом. Уздовж капіляра вмикають електричне поле високої напруги, яке викликає рух компонентів суміші з різною швидкістю залежно від їх структури, заряду та мол. м. та пасивний потік рідини, у результаті чого проба розділяється на індивідуальні компоненти. При цьому фактори збурення (дифузійні, сорбційні, конвекційні, гравітаційні та ін.) у капілярі значно послаблені, завдяки чому ефективність розділення дуже висока. Метод широко використовують для виявлення близьких за будовою речовин (білків, пептидів, амінокислот, вітамінів, наркотиків, барвників, іонів металів, аніонів); для контролю якості, технологічного контролю та ідентифікації ЛП і харчових продуктів.

Електрофорез білків придбав велике значення для препаративних та аналітичних робіт. Електрофоретичне дослідження білків сироватки крові (іноді і сечі, спинномозкової рідини, шлункового соку) в даний час – один із широко застосовуваних клінічних аналізів.

       Розрізняють вільний електрофорез та електрофорез в підтримуючих середовищах. При вільному електрофорезі досліджувану суміш білків поміщають в буферний розчин, що контактує з електродами. Установка для вільного електрофорезу складна; вона має фотооптичні систему для реєстрації результатів поділу суміші. Другий тип електрофорезу передбачає використання підтримуючих середовищ (спеціальної хроматографічного паперу, ацетатної целюлози, агарового або крохмального гелю), які спочатку просочують буферним розчином, а потім поміщають на них досліджувану білкову суміш. Кінці паперових смуг і т.п. контактують зазвичай з буферним розчином, в який занурені електроди, з’єднані з джерелом постійного струму (рис. 6.6).

 

Для фракціонування білків сироватки крові і багатьох інших біологічних рідин людини і тварин найчастіше використовують веронал-медіналовий буфер (барбітурова кислота і її натрієва сіль) з рН = 8,6 і іонною силою 0,05. При цьому значенні рН білки заряджаються негативно і рухаються до анода. Концентрація електроліту невисока, вона не робить коагулюючої дії на білок і не утворює дуже щільною іонної атмосфери, яка уповільнює його рух. У теж час створюється необхідна буферна ємність.

У зв’язку з відмінністю в розмірах глобул і у величині заряду швидкість руху білків крові виявляється неоднаковою. Найшвидше рухаються самі малі та мають найбільший заряд частки альбумінів, потім частинки глобулінів.

 Після поділу суміші білків, нанесеної на папір, форетограмму фіксують і забарвлюють барвником, що виявляє білки, наприклад, аміди-чорним і бромфенолом. Характер розташування та інтенсивність смуг визначаються якісним складом білків і їх співвідношенням в суміші.         Можна встановити зміст кожної білкової фракції в суміші, для чого зазвичай калориметричну визначають кількість витягнутого барвника, пов’язаного білками.Багато захворювання характеризуються зміною співвідношення різних білків в плазмі крові, що і дозволяє використовувати електрофорез в діагностиці, контролі за перебігом хвороби та ефективністю проведеного лікування.

 Роздільна здатність електрофоретичних методів значно підвищилася завдяки використанню в якості підтримують середовищ таких носіїв, як гель сефадексі, крохмальний, агар-агарових, або поліакриламідний гель.

 

Поряд з розділенням білків за величиною електрофоретичної рухливості при використанні зазначених носіїв має значення молекулярно-ситовий ефект гелю і розміри молекул білка при проходженні їх через пористу структуру гелю. Так, якщо при електрофорезі на папері білки сироватки поділяються на 4-5 чітких зон, то в поліакриламідному гелі виявляється 13-16 смуг, відповідних окремих білків.

Використання реакції антиген — антитіло разом з електрофорезом стало основою для створення методу імуно-електрофорез. Електрофоретичний аналіз біологічних рідин, напр. сироватки крові для дослідження головним чином білків, широко використовують при діагностиці багатьох захворювань

 

        

 

Методи електрофорезу застосовуються при діагностиці ряду захворювань і для контролю ефективності лікування шляхом порівнювання фракційного складу (по числу і інтенсивності зон на електрофореграмі) нормальних і патологічних рідин.

 Електрофорез і електроосмос відбуваються при проходженні струму через тканини живих організмів. На поверхні біологічних мембран знаходяться заряджені групи, що обумовлює утворення подвійного електричного шару, в якому фіксований негативний заряд клітинної поверхні врівноважується позитивним зарядом, створюваним іонами міжклітинної середовища. Тому метод електрофорезу дозволяє визначити величину x-потенціалу, а отже, і заряд еритроцитів, тромбоцитів, лейкоцитів та інших елементів крові. Досить добре вивчений електрокінетичний потенціал еритроцитів. Було встановлено, що для кожного виду тварин, у тому числі і для людини, характерна своя величина x-потенціалу.

Іонофорез. Іонофорез або лікарський електрофорез – це фізіотерапевтичний метод, що полягає у впливі на організм гальванічного струму і вводяться з його допомогою лікарських розчинів. Вперше для лікування хворих іонофорез був застосований в 1802 році.

В основі іонофорезу лежить здатність деяких хімічних речовин розділятися на позитивні і негативні іони, які направлено переміщуються в полі постійного електричного струму і можуть надходити в організм, минаючи шкірний бар’єр. При цьому з електродної прокладки вводяться лише ті іони, які мають однойменний знак з електродом.

 Під час процедури іонофорезу лікарські речовини проникають на невелику глибину в поверхневі і середні шари шкіри, і тільки невелика кількість лікарської речовини виявляється в глибоких шарах і підшкірній клітковині. Зі шкіри по дрібним кровоносних і лімфатичних судинах ліки розноситься по всьому організму, хоча переважно воно накопичується в тканинах і органах в місці впливу.

Вплив самого гальванічного струму малої сили і низької напруги на органи і тканини полягає в тому, що він активізує тонус гладкої мускулатури, зміцнює судини, покращує кровообіг і обмін речовин в клітинах тканин. Гальванічний струм підвищує сприйнятливість тканин до вводиться косметичним засобам. Завдяки такому впливу струму лікувальний ефект вводяться за допомогою іонофорезу ліків посилюється, що дозволяє значно знижувати їх дозування. На тлі іонофорезу в клітинах тканин активізуються всі види обмінних процесів. У результаті такого впливу шкіра «оживає», наповнюється вологою, з неї видаляються токсини і продукти обміну. Шкіра молодшає, робиться більш гладкою та еластичною, розправляються зморшки.

 

Електроосмос

У другому досліді Рейсе заповнив середню частину U-подібної трубки товченим кварцем, налив води, занурив електроди і пропустив сталий струм. Через деякий час рівень води в коліні з негативним електродом підвищився, а в другому коліні — знизився. Це явище одержало назву електроосмосу.

Механізм елекроосмосу можна пояснити таким чином. На кнутрішній поверхні капілярів мембрани внаслідок поверхневої дисоціації утворюється подвійний електричний шар. При накладенні електричного поля дифузний шар протиіонів по межі ско-цзання рухається паралельно нерухомому адсорбційному шару до електрода відповідного знаку, при цьому з ним рухається і певна частина дисперсійного середовища, бо між гідратною оболонкою іона і оточуючою рідиною діють сили молекулярного тертя. До протилежного електрода рухаються ті іони з об’єму рідини, які мають знак, протилежний знаку протиіонів.

Швидкість руху дисперсійного середовища, віднесена до одиниці напруженості електричного поля, називається електроосмотичною рухомістю і визначається:

 

                        (16.8)

де  — об’ємна швидкість течії середовища ; S — площа поперечного перерізу капілярів; I— сила струму; R — електричний опір; к — питома електрична провідність.

В цьому випадку ζ–потенціал обчислюють за рівнянням:

 

                                                                    (16.9)

Експериментальне електроосмос досліджують за перенесенням рідини через мембрану (капілярно-пористі матеріали, діафрагму) до одного із електродів.

Рис. Прилад для електроосмосу

 

Електрофорез і електроосмос широко використовують в науці і практиці. В медицині електрофорез використовується коли потрібно цілеспрямовано ввести ліки іонногенної природи через шкіру або слизову оболонку в тканину чи внутрішні органи людини.

Велике практичне значення електрофорезу пов’язано з покриттям окремих деталей машин і механізмів захисними плівками.

Електроосмос використовують для осушки стін споруд, гребель, дамб, сипких будівельних матеріалів і ін.

 

Стійкість колоїдних розчинів. Фактори стійкості. Коагуляція і фактори, що її зумовлюють. Поріг коагуляції та його визначення. Правило Шульце-Гарді.

Стійкість колоїдної системи — це здатність її зберігати незмінною в часі структуру, тобто дисперсність і рівномірний розподіл дисперсної фази.

За М. П. Пєсковим розрізняють два види стійкості — кінетичну та агрегативну. Кінетична, або седиментаційна, стійкість — це здатність протистояти силі тяжіння. Основними умовами цієї стійкості є висока дисперсність та інтенсивний броунівський рух. Агрегативна стійкість — це здатність протистояти агрегації частинок. До факторів, які зумовлюють агрегативну стійкість, належать: електростатичний — електростатичне відштовхування частинок, пов’язане з наявністю на поверхні частинки подвійного електричного шару іонів; адсорбційно-сольватний — утворення на поверхні частинок сольватних шарів із молекул дисперсійного середовища або молекул чи іонів стабілізатора, які перешкоджають їх злипанню; структурно-механічний — стабілізація колоїду адсорбованими шарами (плівками) з колоїдних поверхнево-активних або високомолекулярних речовин.

Коагуляцією називають зменшення дисперсності системи в результаті злипання частинок дисперсної фази. Коагуляція може відбуватися внаслідок старіння системи, зміни температури, механічної дії, дії електромагнітного поля та ін. Однак найбільш важливе теоретичне і практичне значення має коагуляція під дією електролітів.

Про коагуляцію золів під дією електролітів було відомо ще першим дослідникам колодних систем (Ф. Сельмі, Т. Грем, М. Фарадей, Г. І. Бор-шов). У подальшому завдяки роботам Г. Шульце, У. Гарді, Г. Фрейндліха, М. П. Пєскова, А. В. Думанського, Б. В. Дерягіна та ін. були встановлені закономірності коагуляції електролітами, відомі під назвою правил коагуляції:

1. Коагуляцію викликають будь-які електроліти, але з помітною швидкістю вона починається при досягненні певної концентрації. Мінімальна концентрація електроліту, при перевищенні якої спостерігається коагуляція, називається «порогом коагуляції». Поріг коагуляції у виражають у ммоль/л:

                                                                              (17.1)

 

Величину, зворотну порогу коагуляції, називають «коагулюючою здатністю». Коагулююча здатність V_к— це об’єм золю, скоагульованого      1 моль електроліту. Початок коагуляції можна визначити за різними ознаками: за зміною забарвлення золю, виникненням каламуті, початком виділення осаду і т. д. Завжди необхідно вказувати умови, за яких визначений поріг коагуляції.

2. Коагулюючу дію має лише той іон електроліту, заряд якого протилежний заряду колоїдної частинки.

 

Коагулююча здатність іона тим більша, чим більший його заряд. Ця залежність називається правилом Шульце—Гарді, тому що вона вперше була встановлена Шульце у 1882 році і підтверджена Гарді у 1900 році, при вивченні коагуляції гідрозолей сульфіду миш’яку. Для цього золю Шульце знайшов таке співвідношення коагулюючої здатності одно-, дво- і тризарядних катіонів: 1:20:350. Отже, прямо пропорціональної залежності між зарядом іона і його коагулюючою здатністю немає; коагулююча здатність зростає набагато швидше, ніж заряд.

3. У неорганічних іонів з однаковим зарядом коагулююча дія зростає із зменшенням гідратації. Наприклад, в ряду одновалентних катіонів і аніонів коагулююча активність і гідратація змінюються таким чином:

 

 

Такі ряди, в яких іони однакового заряду розташовуються за зменшенням ступеня гідратації, називаються ліотропними. Ступінь гідратації зменшується, а коагулююча дія збільшується із зростанням радіуса іона.

4. У органічних іонів коагулююча дія зростає з підвищенням адсорбційної здатності.

5. Початку коагуляції відповідає зниження ζ-потенціалу до критичної величини (~ 30 мВ).

6. В осаді, утвореному при коагуляції, завжди присутні іони, які її викликали.

Правильний вибір дози коагулянту має першорядне значення для коагулювання домішок в колоїдних розчинах. Під дозою коагулянту мається на увазі певну кількість реагенту, яке додається до одиниці об’єму оброблюваної води. Доза коагулянту вимірюється в мг / л, г/м3.

 Наочне уявлення про вплив дози коагулянту на про ¬ цеси освітлення і знебарвлення води дає коагуляційна крива (рис.). Її можна розбити на три зони. У першій зоні при малих дозах коагулянту ефект освітлення і знебарвлення розчину відстоюванням або фільтруванням незначний. У другій зоні збільшення дози коагулянту різко позначається на ефекті освітлення і знебарвлення розчину. Кордон між першою і другою зонами зветься порогом коагуляції. У третій зоні збільшення дози коагулянту не дає помітного поліпшення ефекту освітлення і знебарвлення розчину. Крива практично паралельна осі абсцис. Кордон між другою і третьою зонами носить назву оптимальної дози

.

Рис. 3. Коагуляційна крива: а – поріг коагуляції; б – оптимальна доза коагулянту.

 

Аналіз коагуляційної кривої дозволяє переконатися в тому, що величезне значення надає доза коагулянту на процеси освітлення і знебарвлення води. Всі характерні точки коагуляционной кривої (поріг коагуляції, оптимальна доза, розміри зон) залежать від якості і властивостей вихідної води. Не існує єдиної коагуляционной кривої, проте їх характер однаковий.

 Застосування коагулянтів, до складу яких входять гідроксихлориди алюмінію різного ступеня основності, дає такі переваги:

·                     прискорення утворення пластівців;

·                     підтримка концентрації залишкового алюмінію в очищеній воді в межах, необхідних ГОСТ;

·                     проведення ефективної коагуляції при низьких температурах;

·                     розширення робочого діапазону по рН і лужний резерв;

·                     відсутність жорстких вимог по дозуванні у зв’язку з низьким порогом коагуляції;

·                     висока міцність пластівців, що збільшує ефективність фільтрації і чіткість кордону освітленої зони при відстоюванні.

 

Стабілізація дисперсних систем

Стабілізатор – це речовина, додавання якого в дисперсну систему підвищує її агрегативну стійкість, т. е.препятствует злипанню частинок.

 Як стабілізатори суспензій застосовують:

·Низькомолекулярні електроліти;

·Колоїдні ПАР;

·ВМС.

Механізм їх стабілізуючої діі різний, в залежності від природи стабілізатора реалізується один, а частіше кілька факторів стійкості, аналогічно тому, як це відбувається в ліофобних золях. Можливі фактори стійкості: адсорбційно-сольватний, електростатичний, структурно-механічний, ентропійний, гідродинамічний.

Якщо стабілізатор є йоногенних речовиною, то обов’язково діє електричний фактор стійкості: на поверхні частинок утворюється подвійний електричний шар, виникає електрокінетичний потенціал і відповідні електростатичні сили відштовхування, що перешкоджають злипанню частинок. Якщо іоногенна речовина – низькомолекулярний неорганічний електроліт, то його стабілізуючу дію обмежується тільки цим чинником. Якщо ж іоногенна речовина – колоїдна ПАР або поліелектроліт, то реалізуються і інші фактори стійкості, розглянемо їх докладніше.
Стабілізуючу дію колоїдних ПАР визначається їх здатністю адсорбуватися на міжфазній поверхні, утворюючи адсорбційні плівки. Будова адсорбційного шару залежить від:

· Природи ПАР;

· Природи міжфазної поверхні (межі: «тверда частинка – рідка середовище»);

· Ступеня заповнення поверхні;

· Наявності у дисперсійному середовищі різних добавок.

Зміна будови адсорбційного шару відбивається на його захисні властивості.

Колоїдна ПАР, маючи дифільну будову, здатна адсорбуватися як на полярних, так і на неполярних поверхнях, ліофілізуючи їх.
Відповідно до правила зрівнювання полярностей Ребіндера стабілізуючу дію ПАР проявляється тим помітніше, чим більше первісна різниця в полярностях твердої частинки і рідкого дисперсійного середовища.
Але кращий стабілізуючий ефект досягається при більш специфічному виборі ПАР. Підбір ПАР для стабілізації суспензій різного типу схожий з підбором ПАР для стабілізації і прямих, зворотних емульсій.
У харчовій промисловості для цих цілей використовуються липоиди (лецитин), ланолін і т.д.

Максимум стабілізуючих властивостей спостерігається у ПАР з 14-16 атомами вуглецю (так званий максимум Доннана). У харчовій промисловості для цих цілей використовують пропіловий спирт, солі вищих карбонових кислот і т.д.

В якості стабілізаторів дисперсних систем, в тому числі і суспензій, можна використовувати тільки такі ВМС, які є поверхнево-активними речовинами. Ці речовини відрізняються від колоїдних ПАР тим, що для них характерне виникнення структурно-механічного фактора стійкості.
Таким чином, якщо в якості стабілізатора застосовуються ВМС, то механізм їх дії аналогічний механізму колоїдної захисту ліофобних золів.
У цих умовах істотно зростає роль ентропійного фактора стійкості. Якщо в якості ВМС використовують поліелектроліти, то до цих двох чинників додається третій – електростатичний.

Поліелектроліти застосовують для водних суспензій, тобто для стабілізації гідрофобних частинок в рідині. Найбільш поширені – альгінати, карбоксилетилцелюлоза, алкілполіамін.

Якщо до золю додавати електроліт невеликими порціями, то коагуляція настає при більшій концентрації електроліту, ніж при одноразовому його додаванні. Це явище називається звиканням золю. Причиною звикання золю може бути повільна адсорбція іонів, заряджених однойменне з частинкою, яка призводить до збільшення заряду останньої.

При додаванні до ліофобних золів високомолекулярних речовин стійкість їх значно підвищується. Це явище називається колоїдним захистом.

Механізм захисної дії полягає в утворенні адсорбційного шару з високомолекулярної речовини. Захисний шар забезпечує сольватацію частинки, сольватні шари створюють великий розклинюючий тиск і перешкоджають злипанню частинок. Захисна дія підсилюється при утворенні в дисперсійному середовищі достатньо міцної об’ємної структури.

Рис. Схема захисної дії ВМС

 

Іноді введення в систему дуже малих кількостей ВМС , недостатніх для забезпечення захисної дії , призводить не до захисту , а до флокуляції (особливий вид коагуляції , що супроводжується утворенням великих пухких пластівців дисперсної фази) , тобто поріг коагуляції виявляється нижче , ніж для вихідного золю . Це явище називається сенсибілізацією .

Можливо два механізми стабілізуючої дії ВМС : нейтралізація поверхневого заряду частинки протилежно зарядженим макроіоном і одночасна адсорбція макроіона або молекули на декількох частинках . При останньому механізмі молекула ( макроіон ) ВМС є ніби містком між частинками , пов’язуючи їх один з одним. Містковим механізмом, наприклад, пояснюється агрегація еритроцитів у крові.

Явище сенсибілізації , завдяки порівняльної дешевизні флокулянтів широко використовується для осадження суспензій і золів різної природи в процесах водоочистки, освітлення розчинів, закріплення грунтів, управління структуроутворенням грунтів.

Флокулянти підрозділяють на природні і синтетичні ; неорганічні і органічні ; іоногенні і неіоногенні . З неорганічних флокулянтів застосовується активна кремнієва кислота. До природних органічним флокулянтів відносяться крохмаль , карбоксиметилцелюлоза та ін Найбільше застосування отримав випускає промисловістю поліакриламід , що має молярну масу близько 106 і добре розчиняється у воді. У процесах водоочистки найбільш часто використовують полівініловий спирт. В якості катіонних флокулянтів використовують четвертинні амонієві солі на основі полістиролу і полівінілтолуолу .

Захисна дія кількісно характеризується захисним числом, яке дорівнює числу міліграмів високомолекулярної речовини, яке захищає 10 мл золю від коагуляції при додаванні до нього 1 мл 10%-ного розчину NaCl.

Захисне число називають «золотим», «срібним», «рубіновим», «залізним» і т.д. в залежності від того, який золь приймають за стандарт. Але ні «золоте», ні «рубінове», ні будь-яке інше число не можуть бути однозначною характеристикою стабілізатора, бо захисна дія його на той чи інший золь дуже специфічна і залежить від цілого ряду факторів: дисперсності золю, рН системи, молярної маси стабілізатора та ін.

 

 

Найбільшу захисну дію чинять білки (желатин, казеїнат натрію, альбумін), менше вона виражена у крохмалю, декстрину, сапонінів.

 

 

Велике значення має колоїдний захист для біології та фармації. Білки крові захищають гідрофобні речовини, які містяться в ній, від коагуляції. При послабленні захисної дії білків холестерин відкладається на стінках судин, утворюються камені в нирках, печінці і т. д. Колоїдний захист використовують при виготовленні лікарських препаратів. Прикладом можуть бути протаргол і коларгол — колоїдні препарати срібла, захищені білками.

Якщо кількість високомолекулярної речовини, доданої, до золю, дуже мала, то можливе не підвищення, а зниження стійкості. Це явище одержало назву сенсибілізації. Сенсибілізацію можна пояснити нейтралізацією поверхневого заряду частинки протилежно зарядженим макроіоном або одночасною адсорбцією макроіона на кількох частинках, при цьому молекула білка як місток зв’язує їх. Містковим механізмом пояснюють агрегацію еритроцитів крові.

 

Гелі

Гель – це структура у формі просторових сіток, яку утворюють колої-дні частинки або макромолекули полімерів. Якщо гелі утворені твер-дими колоїдними частинками типу Fe2O3, SiO2, SnO2 тощо, то вони називаються крихкими гелями. Якщо просторова сітка утворена макромолекулами ВМС, то гелі називають еластичними або драглями. Крихкі гелі мають двофазну гетерогенну структуру, а еластичні – гомогенну.

Гелі відіграють важливу роль у живій природі. До них належать м’ясо тварин і риб, оболонки клітин, волокна м’язових тканин, волосся тощо. Шкіра і тканини з природних і штучних волокон, хліб – все це гелі різної консистенції.

Крихкі гелі. Крихкі гелі утворюються в основному неорганічни-ми колоїдами. Структура крихких гелів характеризується великою кількістю капілярів діаметром 2…4 нм. Висушені зневоднені крихкі гелі міцно адсорбують стінками капілярів воду або інші рідини, які його змочують. При досить великому тиску пари в капілярах відбувається капілярна конденсація. Капілярна конденсація не має вибіркового характеру, її природа суто фізична. Після висушування гель стає крихким, жорстким. При контакті з водою він не набухає, залишаючись твердим і крихким і його об’єм мало змінюється. Такі гелі називають також ненабухаючими.

Крихкі гелі можуть поглинати будь-яку рідину, яка змочує гель. Цей процес супроводжується специфічним явищем, яке отримало назву гістерезису. Його суть полягає в тому, що в гелях при однако-вих умовах досліду обводнення і зневоднення проходять не за однією й тією ж схемою, як це властиво зворотнім процесам. Поглинання і втрата води гелем є циклічним процесом, але криві обводнення і обе-зводнення не збігаються. Причина гістерезису полягає або в незворо-тних змінах, які відбуваються в системі під час прямого процесу, або великому інтервалі часу встановлення в системі рівноважного стану. Так, при зневодненні вузькі капіляри здатні швидко зменшувати свій об’єм (висихати) і значно повільніше відновлювати його при обвод-ненні.

Еластичні гелі (драглі). Найбільш характерною властивістю драглів є їх пружність, еластичність. Розчини ВМС, які мають слабкі міжмолекулярні зв’язки, характеризуються великою текучістю. Драглі здатні протидіяти текучості і до певної межі поводять себе як еластичне тверде тіло. Ступінь еластичності залежить від концентрації. Зі збільшенням числа міжмолекулярних зв’язків в одиниці об’єму зростає жорсткість утвореного гелю.

Деякі драглі мають тиксотропні властивості. Під впливом механічної дії можуть руйнуватись зв’язки між макромолекулами і вся система стає текучою. Через певний час ці зв’язки відновлюються і знову утворюються драглі.

Швидкість дифузії іонів і молекул у драглях визначається скла-дністю їх структурної просторової сітки. Якщо концентрація драглів невисока, то дифузія низькомолекулярних речовин проходить практично з тією ж швидкістю, що і в чистому розчиннику. Це явище обумовлене наявністю досить великих проміжків між макромолекулами. У концентрованих драглях рухливість іонів і молекул стає значно меншою внаслідок великої в’язкості структурованої системи. Якщо розмір частинок речовин, які дифундують, буде настільки великим, що вони не зможуть пройти через макромолекулярну сітку, то дифузія не буде відбуватись. На цьому явищі ґрунтується дія мембран. В органі-змах тварин і рослин різні білкові і білково-ліпідні мембрани сприяють селективному поглинанню і транспортуванню різних речовин. Слід також відмітити, що затримка пористими мембранами різних частинок пояснюється не лише розмірами пор, а й адсорбцією і зарядом частинок. Велике значення мають мембрани, які вибірково затримують іони. У таких мембранах стінки пор мають певну кількість фіксованих іоногенних груп з відповідними компенсуючими іонами. Компенсуючи іони внаслідок обмінної адсорбції можуть замінюватись іншими іонами. Такі мембрани виконують функції іонообмінників. Якщо пори в мембранах вузькі, то їх можна використовувати для фільтрації солей з розчинів.

Процес отримання драглів зумовлений утворенням структурної сітки. Драглі – це гомогенна система, яка складається з ВМС і розчинника. Суцільна просторова сітка утворюється внаслідок утворення хімічних і водневих зв’язків. Драглі можна розглядати як розчини ВМС, які під дією зовнішніх факторів втратили текучість. У процесі драглювання в’язкість зростає і після закінчення процесу досягає певної величини. В’язкість, пов’язана з утворенням структурної сітки, називається структурною. Якщо структурна сітка утворюється у всьому об’ємі, то рух макромолекул припиняється і драглі набувають властивостей твердого тіла. На процес утворення драглів впливають температура, величина рН, природа і концентрація ВМС, присутність електролітів.

Характерною властивістю драглів є їх пружність. Якщо міцних зв’язків між макромолекулами досить багато, то полімер практично не набухає і за своїми властивостями наближається до склоподібних тіл.

Якщо зв’язки між макромолекулами слабкі, то драглі набухають і мо-жуть розчинятись у розчиннику.

Набухання драглів має вибірковий характер. Наприклад, желатин вбирає воду і зовсім не вбирає етанол; каучук вбирає бензол і зовсім не вбирає воду. Набухання визначається характером фізико-хімічної взаємодії між полімером і рідиною. Розрізняють обмежене і необмежене набухання. При обмеженому набуханні драглі вбирають певну кількість рідини, після чого встановлюється рівновага і набу-хання припиняється. При необмеженому набуханні рідина, проникаю-чи в драглі, послаблює зв’язки між окремими макромолекулами. Це призводить до руйнування драглів і утворення розчину. Наприклад, папір, який теж належить до драглів, при набуханні втрачає міцність і легко розповзається. Обмежене набухання може переходити в необмежене при підвищенні температури чи зміні складу рідини. При кімнатній температурі желатин обмежено набухає у воді, але при нагріванні до 40…42° С набухання стає необмеженим і утворюється роз-чин.

Сухий гель при набуханні збільшується в об’ємі, але його об’єм менший, ніж сума об’ємів сухого гелю і поглиненої рідини. Таке змен-шення загального об’єму гелю і поглиненої рідини називається контракцією. Зменшення об’єму супроводжується відповідним збіль-шення осмотичного тиску. Сили, які спричиняють набухання, можуть бути більшими за осмотичні. Тому, наприклад, сухі зерна пшениці на-бухають у водному розчині електроліту з великим осмотичним тиском.

Самовільне виділення з гелю рідини при його зберіганні називається синерезисом. Це явище пояснює виділення сироватки з кислого молока, черствіння хліба тощо.

Для драглів амфотерних білків найбільш яскраво синерезис спостерігається в ізоелектричній точці. При відхиленні рН середовища від ізоелектричної точки синерезис буде зменшуватись, оскільки фрагменти макромолекул будуть набувати однакового заряду, а це призведе до взаємного відштовхування ланцюгів макромолекул і стабілізації просторової сітки. У цьому разі об’єм драглів збільшується і, як наслідок, зменшується синерезис. Додавання електролітів, які сприяють процесу набухання, як правило, теж зменшує синерезис.

 

Загальна характеристика ВМС

До високомолекулярних речовин (ВМР) відносять сполуки з молекулярною масою 10⁴-10⁶ і вище.

Високомолекулчрні речовини мають важлмве значення у різних галузях науки і техніки. Особливо велика їх роль у процесах життєдіяльності. До високомолекулярних сполук належать білки (казеїн, желатин, крохмаль та ін.), які складають основу харчування, нуклеїнові кислоти і інші біополімери.

У техніці і побуті знаходять широке застосування такі ВМР, як целюлоза та її похідні, шерсть, натуральний шовк, бавовна, різноманітні синтетичні смоли, пластмаси, натуральні і синтетичні каучуки, плівкоутворюючі матеріали, синтетичні волокна (капрон, нітрон, поліестер) та ін. певне використання знайшли ВМР у медицині  іфармації. З полімерів виготовляють інструментарій, предмети догляду за хворими, протези для заміни втрачених органів. У фармації полімери використовують для виготовлення оболонок капсул, у які поміщують лікарські речовини, як покриття і складові частини таблеток, як допоміжні речовини для створення мазей і пластирів. З модифікованої целюлози, наприклад, виготовляють бинти і вату з кровозупиняючими властивостями. І це далеко не повний перелік щастосування ВМР у фармації.

ВMP класифікують за різними ознаками. За походженням вони розділяються на природні і синтетичні. До природних належать білки (протеїни), вищі полісахариди (крохмаль., целюлоза), натуральний каучук.

Синтетичні BMP отримують у процесах полімеризації і поліконденсації. До них належать синтетичні каучуки (полібутадієн, поліхлоропрен та ін.) і різні синтетичні полімери (поліетилен, полівінілхлорид, поліаміди і т. д.).

Органічні BMP за складом головного ланцюга макромолекул розділяють на такі три групи:

1. Карболанцюгові BMP, основні полімерні ланцюги яких побудовані виключно з атомів вуглецю. Наприклад, поліетилен:

2. Гетероланцюгові BMP, полімерні ланцюги їх окрім атомів вуглецю містять також гетероатоми (кисень, азот, фосфор, сірку та ін.). Наприклад, полігліколі:

3. Елементоорганічні BMP, вони містять у головних ланцюгах макромолекул атоми елементів, що не входять до складу природних органічних сполук — кремнію, алюмінію, титану, свинцю, сурми та ін. Наприклад, кремнійорганічні полісиланові сполуки:

Крім органічних існують також і неорганічні BMP. До них можна віднести одну з модифікацій сірки (пластична сірка).

Важливе значення має структура полімерного ланцюга. За структурою полімерного ланцюга BMP розділяють на лінійні, розгалужені і просторові (сітчасті або тривимірні).

У лінійних BMP макромолекули — це довгі ланцюги.  Макромолекули розгалужених полімерів мають довгий ланцюг (головний) з боковими розгалуженнями. Просторовими, або сітчастими, називаються BMP, побудовані з довгих ланцюгів, з’єднаних у тривимірну сітку поперечним хімічним зв’язком.

За формою макромолекул розрізняють глобулярні і фібрилярні BMP. У глобулярних макромолекулами є звернуті кульовидні утворення — глобули. Представники таких BMP — рослинний білок, кров’яні тільця. Під впливом зовнішніх дій глобулярні BMP можуть розвертатися і переходити у фібрилярну форму.

Природні BMP містяться в різних рослинних і тваринних організмах і можуть бути виділені з них за допомогою екстракції, фракційного осадження та інших методів.

Синтетичні BMP одержують з низькомолекулярних речовин методами полімеризації та поліконденсації.

Полімеризація — це реакція сполучення великого числа молекул низькомолекулярних речовин (мономерів), які мають кратні зв’язки. Реакція не супроводжується виділенням побічних продуктів. Цим методом отримують поліетилен, полівінілхлорид, поліізобутилен та інші BMP.

Поліконденсацією називається процес сполучення молекул однакової або різної будови, який супроводжується, як правило, виділенням низькомолекулярних речовин. Вихідні мономери повинні містити у молекулі не менше двох функціональних груп (—ОН, —СООН, —NНз та ін.).

 

Набрякання і розчинення ВМС

Механізм розчинення полімерів відрізняється від механізму розчинення низькомолекулярних речовин. При розчиненні останніх частинки їх дифундують в об’єм розчинника. У випадку розчинення полімерів полімер виконує роль розчинника, а низькомолекулярна рідина — розчиненої речовини. Тобто відбувається дифузія молекул розчинника в об’єм полімеру. У початковий період молекули розчинника проникають у «порожнини» між макроланцюгами полімеру.  При цьому відбувається зменшення загального об’єму системи. Це явище називається контракцією

В залежності від будови макроланцюга і характеру взаємодії макромолекул між собою і молекулами розчинника розрізняють обмежене і необмежене набухання.

Необмежене набухання — це набухання, яке самодовільно переходить у розчинення, при цьому утворюється однофазна гомогенна система.

Обмеженим набуханням називається процес взаємодії полімеру з низькомолекулярною, рідиною, обмежений стадією набухання. Самодовільне розчинення полімеру не відбувається, тобто ланцюги полімеру повністю не відділяються один від одного.

         Процес набухання кількісно характеризується ступенем і швидкістю набухання. Ступінь набухання (а) виражається кількістю рідини, поглиненої одиницею маси або об’єму полімеру.

Ступінь набухання може бути визначений ваговим або об’ємним методом. Ваговий метод полягає у зважуванні зразку до і після набухання. Ступінь набухання розраховується за формулою:

,де m₀— маса вихідного полімеру; m – маса набухлого полімеру

Об’ємний метод визначення ступеня набухання оснований на вимірюванні об’єму полімеру до і після набухання:

, де V₀ – об’єм вихідного полімеру; V— об’єм набухлого полімеру.

 

Властивості розчинів ВМС

У роботах В.А. Каргіна і інших вчених однозначно доведено, що розчини ВМС не є золями, а утворюють гомогенні (однорідні) істинні розчини, у яких розчинені речовини розподілені в розчиннику не як тверді чи рідкі частинки, а як молекули чи іони. Таким чином, розчини ВМС не відрізняються від розчинів низькомолекулярних сполук, але через гігантські розміри своїх молекул за деякими властивостями нагадують золі. До таких властивостей належать: нездатність розчинених речовин проникати через напівпроникні перегородки, доступні для низькомолекулярних речовин, мала швидкість дифузії, уповільнене протікання деяких хімічних процесів, невелике значення осмотичного тиску. Розчини ВМС близькі до колоїдних також за своїми оптичними властивостями: вони мають підвищену мутність, у них спостерігається конус Тіндаля.

Про подібність розчинів ВМС і низькомолекулярних сполук свідчать: самовільне утворення розчину і оберненість процесу «тверда фаза – розчин», висока стійкість утворених розчинів, можливість отримання розчинів високих концентрацій. Внаслідок термодинамічної стійкості розчинів ВМС процеси, які відбуваються в них при зміні температури, тиску і концентрації, повністю обернені, тоді як колоїдні системи при незначних змінах зовнішніх умов звичайно руйнуються.

                   Одна із важливих особливостей розчинів полімерів полягає в тому, що їх в’язкість значно більша за в’язкість розчинів низькомолекулярних речовин. Навіть розбавлені розчини їх малотекучі в порівнянні з чистим розчинником.

Розчини BMС з анізометричними частинками не підпорядковуються основним законам в’язкої течії (законам Ньютона і Пуазейля), виявляючи так звану аномальну в’язкість. В’язкість їх завжди дуже велика (навіть для дуже розбавлених розчинів) і залежить від діючої сили.

Штаудінгер показав, що для розбавлених розчинів полімерів з жорсткими молекулами питома в’язкість розчину описується рівнянням:

                                                   

де К — константа для даного полімергомологічного ряду в даному розчиннику; М — молекулярна маса полімеру; с — масова концентрація розчину полімеру.

До розчинів полімерів закон Вант-Гоффа не застосовний. Експериментальне доведено, що осмотичний тиск розчинів полімерів вищий, ніж потребує закон Вант-Гоффа, і описується більш складною залежністю:

де А — константа, що залежить від природи полімеру і розчинника.

Вимірюючи осмотичний тиск в ряді розчинів різних концентрацій, розраховують молекулярну масу полімеру.

Поліелектроліти – полімери, у макромолекулах яких містяться іоногенні групи. У розчині макромолекула поліелектроліту – полііон, оточений еквівалентною кількістю протиіонів (малих іонів із зарядами протилежного знаку). Розміри полііона на кілька порядків більше, ніж протиоінів.

Розрізняють полікислоти, поліоснови і поліамфоліти. Сильні поліелектроліти у водних розчинах повністю іонізовані незалежно від значення рН.

 

Ізоелектричний стан ВМС

При набуханні желатину, крохмалю і інших біополімерів суттєвий вплив виявляє рН середовища. Білки, як відомо, складаються з амінокислотних залишків, тобто містять дві iоногенні групи: карбоксильну –СООН з кислотними властивостями і аміногрупу –NH2 з основними властивостями.

Тобто, білки є амфотерними електролітами (амфолітами), які дисоціюють в лужному середовищі з відщепленням iону H+:

H2N—R—COOH = H2N—R—COO– + H+,

а в кислому середовищі, навпаки, приєднують йон Н+:

HООС—R—NH2 + H+ = HООС —R— NH3+.

 

Таким чином, залежно від реакції середовища молекули білків набувають позитивного чи негативного заряду, який впливає на форму молекул. Набуття заряду молекулами призводить до зміни їх властивостей: зростає швидкість набухання, збільшується в’язкість розчинів, підвищується їх електропровідність тощо. Природно, що заряд молекул білків визначається реакцією середовища. Якщо число позитивних зарядів стає рівним числу негативних, то сумарний заряд молекул – нулю. Такий стан білкових молекул називається ізоелектричним. Значення рН середовища, при якому досягається ізоелектрич-ний стан, називається ізоелектричною точкою (ІЕТ). Число карбоксильних і аміногруп, а також розташування їх у молекулах різних білків значно відрізняються. Це призводить до суттєвої різниці їх ІЕТ (від ~4 до ~12). В ІЕТ білки не мають електрофоретичної рухливості, характеризуються мінімальною стійкістю, в’язкістю, електропровідністю, ступенем і швидкістю набухання.

 

 

ІЕТ можна визначити за ступенем набрякання ВМС:

 

Властивості розчинів білків залежать не лише від концентрації іонів Н+, а й від вмісту інших речовин, які знаходяться в розчині.

 

Руйнування розчинів ВМС

Денатура́ція — зміна високорівневої структури макромолекул (зазвичай білків або нуклеїнових кислот) у результаті екстремальних умов навколишнього середовища, наприклад, обробки кислотами або основами, високими концентраціями неорганічних солей або органічних розчинників (спирт, хлороформ), нагрівання. У результаті макромолекула втрачає нативний стан та необхідні властивості для функціонування в клітині. Денатуровані білки проявляють широкий ряд характеристик, від втрати розчинності до агрегації.

Денатурація білка — це руйнування третинної і вторинної структури білка. Вона може бути викликана нагріванням, дією радіації, струшуванням. Денатурація білка відбувається при варінні яєць, приготуванні їжі .

Типовими ознаками денатурації є зниження гідрофільності і розчинності білків, збільшення оптичної активності, зміна ізоелектричної точки, зменшення стійкості білкових розчинів і молекулярної маси та зміна форми білкових молекул, збільшення в’язкості і посилення здатності до розщеплення ферментами, перехід молекули в хаотичний стан, при якому спостерігається агрегація білкових частинок і випадання їх в осад.

         →                      

Схема денатурації білка: а — нативна молекула; б — розгортання поліпептидного ланцюга; в — стадія нитки; г — випадковий ­клубок

 

При нетривалій дії денатуруючого агента (напр. органічні розчинники) можливе відновлення нативної структури білка. Цей процес називається ренатурацією. При ренатурації відновлюється не лише структура, а й біологічні функції білка. З денатурацією пов’язані процеси переробки продуктів харчування, виготовлення одягу, взуття, консервування та сушіння овочів і фруктів. Результатом денатурації є втрата здатності до проростання насіння при тривалому зберіганні, особливо за несприятливих умов. Процес денатурації білків широко використовується в клініці, фармації і біохімічних дослідженнях для осадження білка в біологічному матеріалі з метою подальшого визначення в ньому небілкових і низькомолекулярних сполук, для встановлення наявності білка і його кількісного визначення, для знезараження шкіри і слизових покривів, для зв’язування солей важких металів під час лікування отруєнь солями ртуті, свинцю, міді тощо або для профілактики таких отруєнь на підприємстві. Процес денатурації білків має місце під час прийому фармпрепаратів таніну і танальбіну, на чому ґрунтується їх в’яжуча і протизапальна дія. В’яжуча дія таніну зумовлена його здатністю осаджувати білки з утворенням щільних альбумінатів, які захищають від подразнення чутливі нервові закінчення тканин.

При цьому зменшуються больові відчуття і відбувається безпосереднє ущільнення клітинних мембран, що зменшує вияв запальної реакції. Препарат танальбін — продукт взаємодії таніну з білком казеїном — на відміну від таніну не чинить в’яжучої дії на слизову оболонку рота і шлунка. Лише після надходження в кишечник він розщеплюється, виділяючи вільний танін. Застосовується як в’яжучий засіб при гострих і хронічних захворюваннях кишечнику, особливо у дітей.

У фармацевтичній практиці використання процесів денатурації білка дозволяє контролювати якість білкових препаратів, напр. в ампулах.

Коацервація (лат. coacervatio — накопичення) — виділення нової фази у вигляді дрібних краплинок у розчинах високомолекулярних речовин (ВМР), яке відбувається при зміні температури, рН або при додаванні до розчину низькомолекулярних речовин. Утворена двофазна система — це розчин ВМР у розчиннику та розчин розчинника у ВМР. У концентрованих розчинах ВМР Коацервації. передує утворення асоціатів макромолекул, розмір і тривалість існування яких визначається концентрацією і температурою розчину. У всіх випадках коацервація виникає як результат обмеженої взаємної розчинності компонентів розчину.

Збагачену полімером фазу називають коацерватом. Коа­церват є термодинамічно нерівноважною системою, тому явище коацервації зазвичай оборотне. Проте, якщо між макромолекулами у краплинах виникають складні структурні перетворення, то коацервація необоротна. Частинки ВМР, які входять до краплин коацервату, відділені одна від одної гідратними оболонками. При зміні умов (зниженні концентрації електроліту, зміні рН і температури) коацерватні краплини можуть зникати, і система знову повертається до однофазної. Водночас при активізації процесу дегідратації макромолекул ВМР спостерігаються пошкодження коацерватних крапель і повний осад розчиненої речовини.

Схема коацервації

 

Так, альбумін після проведення кількох циклів утворення і пошкодження коацервату денатурує і випадає в осад. Краплини коацервату мають високу в’язкість, здатні змінювати свою форму під впливом фізичних факторів. Коацерватний шар може накопичувати у собі проникаючі в нього речовини, напр., барвники, лікарські речовини та ін.

При додаванні неелектролітів спостерігається ущільнення чи розрідження коацервату, що відіграє велику роль у біологічних системах. Наприклад, при додаванні холестерину до біологічних мембран його молекули розміщуються між вуглеводневими радикалами фосфо­ліпідів та жирних кислот, що змінює такі фізико-хімічні характеристики мембран, як жорсткість, проникність до різних іонів тощо. коацервація існує у двох- та багатокомпонентних розчинах органічних та неорганічних речовин.

Розрізняють просту та складну (комплексну) коацервацію. Проста коацервація — це результат взаємодії розчиненої речовини з низькомолекулярним розчинником і спостерігається у розчинах ВМР, напр., у водних розчинах желатину, крохмалю, ацетилцелюлози, у спиртових розчинах білків, водних та органічних розчинах фенолу, аніліну, ліпідів та ін.

 Коацервація, яка виникає при взаємодії двох полімерів, макромолекули яких при певному значенні рН мають протилежні заряди, називається комплексною. Явище комплексної коацервації виникає, напр., при змішуванні 5% розчину желатину з 5% розчином крохмалю, при взаємодії розчинів желатину та лецитину, желатину та гуміара­біку тощо. Коацервація., особливо комплексна, відіграє велику роль у перебігу біологічних процесів у протоплазмі клітин, які супроводжуються утворенням нуклеопротеїнів, ліпопротеїнів та інших комплексів.

У фармації коацервація набула практичного значення у зв’язку з розвитком технології мікрокапсулювання. Мікрокапсули — це тверді, рідкі чи газоподібні лікарські речовини, вкриті оболонкою із адсорбованих крапель полімеру, злитих у суцільну плівку, спеціальною обробкою переведену у твердий стан.

Висолювання — процес виділення в осад розчиненої ВМС шляхом додавання електролітів. В. обумовлене зниженням розчинності ВМС при введенні електролітів.

Так, при введенні у розчини білків значних кількостей електролітів відбувається їх висолювання. Ззовні цей процес нагадує коагуляцію: розчин мутніє, з’являються частинки, які випадають в осад. Але механізм цих явищ принципово різний. При коагуляції золів відбувається стиснення ПЕШ, міцели починають «прилипати» одна до одної, золь руйнується. Зменшення розчинності ВМС пов’язане з «відніманням» молекулами чи іонами висолюючої речовини молекул води з гідратної оболонки, яка оточує молекули ВМС. Можна сказати, що відбувається ― боротьба за воду між макромолекулами ВМС і іонами солі, які звичайно мають більшу здатність до гідратації. Критичні концентрації висолювання (поріг висолювання) в тисячі раз перевищують пороги коагуляції, і висолювання звичайно чітко фіксується при додаванні сухих солей.

Висолювання принципово відрізняється від явища коа­гуляції золів електролітами. Коагуляція золів відбувається при введенні порівняно невеликої кількості електроліту і є необоротним процесом. Висолювання ВМС — оборотний процес, після видалення з осаду електроліту ВМС знову можна розчинити з утворенням істинного розчину. Механізми цих явищ різні. Коагуляція золів відбувається в результаті стиснення подвійного електричного шару і зменшення чи зникнення електричного заряду на поверхні колоїдної частинки. Виділення ВМС з її розчину за допомогою електроліту пояснюється зменшенням їх розчинності ВМС у розчині електроліту. Частина молекул розчинника, яка була у сольватному зв’язку з макромолекулами ВМС, сольватує молекули введеного електроліту. Таким чином, висолююча дія солі полягає у її сольватації за рахунок десольватації молекул ВМС. За висолюючою дією катіони та аніони утворюють ліотропні ряди, що відповідають ступеню їх гідратації:

Li⁺ > Na⁺ > K⁺ > Rb⁺ > Cs⁺

SO₄^2– > Cl^– > NO₃^–> Br^– > I^– > CNS^–.

Чим більше іон здатен зв’язувати розчинник, тим більшу висолюючу дію він має. Висолювання лежить в основі одного з методів фракціювання ВМС. Використовуючи солі, зазвичай сульфат амонію або сульфат натрію у різних концентраціях, осаджують фракції білків з різною молекулярною масою, які мають різні фізіологічні властивості. Наприклад, при нижчих концентраціях солі осаджуються глобуліни, при вищих — альбуміни.

Висолювання білків використовують у медицині при проведенні аналізу сироватки крові, а також у фармації при виготовленні лікувально-профілактичних сироваток.

 

Джерела інформації:

1.                Фізична та колоїдна хімія / Кабачний В.І., Осипенко Л.К., Грицан Л.Д. та ін. – Х.: Прапор, В-во УкрФА, 1999. – С. 368.

2.                Мороз А.С., Ковальова А.Г. Фізична та колоїдна хімія. – Львів: Світ, 1994. – С. 280.

3.                Каданер Л.І. Фізична та колоїдна хімія. – К.: Вища школа, 1983. – С. 287.

4.                Евстратова К.И., Купина И.А., Малахова Е.Е. Физическая химия. – М.: Высшая школа, 1990. – С. 487.