Micelė: struktūra, schema, aprašymas ir cheminė formulė

2024 Autorius: Angel Austin | [email protected]. Paskutinį kartą keistas: 2023-12-17 05:34

Koloidinės sistemos yra nepaprastai svarbios bet kurio žmogaus gyvenime. Taip yra ne tik dėl to, kad beveik visi gyvo organizmo biologiniai skysčiai sudaro koloidus. Tačiau daugelis gamtos reiškinių (rūkas, smogas), dirvožemis, mineralai, maistas, vaistai taip pat yra koloidinės sistemos.

Tokių darinių vienetas, atspindintis jų sudėtį ir specifines savybes, laikomas makromolekule arba miceliu. Pastarosios struktūra priklauso nuo daugelio veiksnių, tačiau ji visada yra daugiasluoksnė dalelė. Šiuolaikinė molekulinė kinetinė teorija koloidinius tirpalus laiko ypatingu tikrų tirpalų atveju, kai tirpios medžiagos dalelės yra didesnės.

Koloidinių tirpalų gavimo metodai

Mikelės struktūra, susidariusi, kai atsiranda koloidinė sistema, iš dalies priklauso nuo šio proceso mechanizmo. Koloidų gavimo būdai skirstomi į dvi iš esmės skirtingas grupes.

Dispercijos metodai siejami su gana didelių dalelių malimu. Atsižvelgiant į šio proceso mechanizmą, išskiriami šie metodai.

1. Rafinavimas. Galima daryti sausa arbašlapias būdas. Pirmuoju atveju kieta medžiaga pirmiausia susmulkinama, o tik tada pilamas skystis. Antruoju atveju medžiaga sumaišoma su skysčiu ir tik po to paverčiama vienalyčiu mišiniu. Šlifavimas atliekamas specialiuose malūnuose.
2. Patinimas. Šlifavimas pasiekiamas dėl to, kad tirpiklio dalelės prasiskverbia į dispersinę fazę, kurią lydi jos dalelių išsiplėtimas iki atskyrimo.
3. Išsklaidymas ultragarsu. Šlifuojama medžiaga dedama į skystį ir apdorojama ultragarsu.
4. Elektros smūgio dispersija. Reikalingas metalo solų gamyboje. Tai atliekama į skystį įdedant iš disperguojamo metalo pagamintus elektrodus, o po to į juos įjungiant aukštą įtampą. Dėl to susidaro įtampos lankas, kuriame metalas purškiamas, o po to kondensuojasi į tirpalą.

Šie metodai tinka tiek liofilinėms, tiek liofobinėms koloidinėms dalelėms. Micelės struktūra atliekama tuo pačiu metu, kai sunaikinama pradinė kietosios medžiagos struktūra.

Kondensacijos metodai

Antroji metodų grupė, pagrįsta dalelių didinimu, vadinama kondensacija. Šis procesas gali būti pagrįstas fiziniais arba cheminiais reiškiniais. Fiziniai kondensacijos metodai apima šiuos metodus.

1. Tirpiklio pakeitimas. Tai susiję su medžiagos perkėlimu iš vieno tirpiklio, kuriame ji labai gerai tirpsta, į kitą, kuriame tirpumas yra daug mažesnis. Dėl to mažos dalelėssusijungs į didesnius agregatus ir atsiras koloidinis tirpalas.
2. Garų kondensacija. Pavyzdžiui, rūkai, kurių dalelės gali nusėsti ant š altų paviršių ir palaipsniui didėti.

Cheminės kondensacijos metodai apima kai kurias chemines reakcijas, kurias lydi sudėtingos struktūros nusodinimas:

1. Jonų mainai: NaCl + AgNO₃=AgCl↓ + NaNO₃.
2. Redokso procesai: 2H₂S + O₂=2S↓ + 2H_2O.
3. Hidrolizė: Al₂S₃ + 6H₂O=2Al(OH) ₃↓ + 3H₂S.

Cheminio kondensacijos sąlygos

Šių cheminių reakcijų metu susidariusių micelių struktūra priklauso nuo jose dalyvaujančių medžiagų pertekliaus ar trūkumo. Be to, norint atsirasti koloidiniams tirpalams, būtina laikytis tam tikrų sąlygų, kurios neleidžia nusodinti mažai tirpaus junginio:

• medžiagų kiekis mišriuose tirpaluose turi būti mažas;
• jų maišymo greitis turi būti mažas;
• vienas iš sprendimų turėtų būti vartojamas per daug.

Micelės struktūra

Pagrindinė micelės dalis yra šerdis. Jį sudaro daugybė netirpių junginių atomų, jonų ir molekulių. Paprastai šerdis pasižymi kristaline struktūra. Branduolio paviršius turi laisvosios energijos rezervą, kuris leidžia selektyviai adsorbuoti jonus iš aplinkos. Šis procesaspaklūsta Peskovo taisyklei, kuri sako: kietojo kūno paviršiuje daugiausia adsorbuojami tie jonai, kurie gali sudaryti savo kristalinę gardelę. Tai įmanoma, jei šie jonai yra giminingi arba panašūs savo prigimtimi ir forma (dydžiu).

Adsorbcijos metu ant micelės šerdies susidaro teigiamai arba neigiamai įkrautų jonų sluoksnis, vadinamas potencialą lemiančiais jonais. Dėl elektrostatinių jėgų susidaręs įkrautas agregatas pritraukia iš tirpalo priešingus jonus (priešingo krūvio jonus). Taigi koloidinė dalelė turi daugiasluoksnę struktūrą. Micelė įgauna dielektrinį sluoksnį, sudarytą iš dviejų tipų priešingai įkrautų jonų.

Hydrosol BaSO4

Kaip pavyzdį patogu atsižvelgti į bario sulfato micelės struktūrą koloidiniame tirpale, paruoštame bario chlorido pertekliumi. Šis procesas atitinka reakcijos lygtį:

BaCl_2(p) + Na₂SO_4(p)=BaSO _4(t) + 2NaCl_(p).

Šiek tiek tirpus vandenyje bario sulfatas sudaro mikrokristalinį agregatą, sudarytą iš m-ojo BaSO molekulių skaičiaus₄. Šio agregato paviršius adsorbuoja n-ąjį Ba²⁺ jonų kiekį. 2(n - x) Cl^- jonai yra prijungti prie potencialą lemiančių jonų sluoksnio. O likusieji priešionai (2x) yra difuziniame sluoksnyje. Tai reiškia, kad šios micelės granulės bus teigiamai įkrautos.

Jei natrio sulfato vartojama per daug, tadapotencialą lemiantys jonai bus SO₄^2- jonai, o priešingi jonai bus Na⁺. Tokiu atveju granulės krūvis bus neigiamas.

Šis pavyzdys aiškiai parodo, kad micelės granulės krūvio ženklas tiesiogiai priklauso nuo jos paruošimo sąlygų.

Micelių įrašymas

Ankstesnis pavyzdys parodė, kad cheminę micelių struktūrą ir ją atspindinčią formulę lemia perteklinė medžiaga. Panagrinėkime būdus, kaip parašyti atskirų koloidinės dalelės dalių pavadinimus naudojant vario sulfido hidrozolio pavyzdį. Norėdami jį paruošti, natrio sulfido tirpalas lėtai pilamas į perteklinį vario chlorido tirpalo kiekį:

CuCl₂ + Na₂S=CuS↓ + 2NaCl.

CuS micelės struktūra, gauta viršijant CuCl₂, parašyta taip:

{[mCuS]·nCu²⁺·xCl^-}^{+(2n-x)·(2n-x)Cl}-.

Koloidinės dalelės struktūrinės dalys

laužtiniuose skliaustuose parašykite mažai tirpaus junginio formulę, kuri yra visos dalelės pagrindas. Paprastai jis vadinamas agregatu. Paprastai agregatą sudarančių molekulių skaičius rašomas lotyniška raide m.

Tirpale yra per daug potencialą lemiančių jonų. Jie yra agregato paviršiuje, o formulėje rašomi iškart po laužtiniais skliaustais. Šių jonų skaičius žymimas simboliu n. Šių jonų pavadinimas rodo, kad jų krūvis lemia micelės granulės krūvį.

Granulę sudaro šerdis ir dalispriešionai adsorbcijos sluoksnyje. Granulių krūvio reikšmė lygi potencialą lemiančių ir adsorbuotų priešionų krūvių sumai: +(2n – x). Likusi dalis priešionių yra difuziniame sluoksnyje ir kompensuoja granulės krūvį.

Jei Na₂S būtų paimta per daug, tada susidariusios koloidinės micelės struktūros schema atrodytų taip:

{[m(CuS)]∙nS^2–∙xNa⁺}^{–(2n – x)} ∙(2n – x)Na⁺.

Paviršinio aktyvumo medžiagų micelės

Jei paviršinio aktyvumo medžiagų (paviršinio aktyvumo medžiagų) koncentracija vandenyje yra per didelė, gali pradėti formuotis jų molekulių (arba jonų) sankaupos. Šios išsiplėtusios dalelės yra sferos formos ir vadinamos Gartley-Rebinder micelėmis. Reikėtų pažymėti, kad ne visos aktyviosios paviršiaus medžiagos turi šią savybę, o tik tos, kuriose hidrofobinių ir hidrofilinių dalių santykis yra optimalus. Šis santykis vadinamas hidrofiliniu-lipofiliniu balansu. Jų polinių grupių gebėjimas apsaugoti angliavandenilių šerdį nuo vandens taip pat vaidina svarbų vaidmenį.

Paviršinio aktyvumo medžiagų molekulių agregatai susidaro pagal tam tikrus dėsnius:

• skirtingai nuo mažos molekulinės masės medžiagų, kurių agregatuose gali būti skirtingas molekulių skaičius m, paviršinio aktyvumo medžiagų micelių egzistavimas įmanomas esant griežtai apibrėžtam molekulių skaičiui;
• jei neorganinėms medžiagoms micelizacijos pradžia nustatoma pagal tirpumo ribą, tai organinėms aktyviosioms paviršiaus medžiagoms ji nustatoma pagal kritinės micelizacijos koncentracijos pasiekimą;
• pirma, tirpale padaugėja micelių, o vėliau didėja jų dydis.

Koncentracijos poveikis micelės formai

Paviršinio aktyvumo medžiagų micelių struktūrai įtakos turi jų koncentracija tirpale. Pasiekusios kai kurias jo vertes, koloidinės dalelės pradeda sąveikauti viena su kita. Dėl to jų forma pasikeičia taip:

• sfera virsta elipsoidu, o paskui cilindru;
• didelė cilindrų koncentracija lemia šešiakampės fazės susidarymą;
• kai kuriais atvejais atsiranda sluoksninė fazė ir kietas kristalas (muilo dalelės).

Micelių tipai

Pagal vidinės sandaros organizavimo ypatumus išskiriami trys koloidinių sistemų tipai: suspensoidai, miceliniai koloidai, molekuliniai koloidai.

Suspensoidai gali būti negrįžtami koloidai, taip pat liofobiniai koloidai. Tokia struktūra būdinga metalų, taip pat jų junginių (įvairių oksidų ir druskų) tirpalams. Suspensoidų suformuotos dispersinės fazės struktūra nesiskiria nuo kompaktiškos medžiagos struktūros. Jis turi molekulinę arba joninę kristalinę gardelę. Skirtumas nuo suspensijų yra didesnė dispersija. Negrįžtamumas pasireiškia jų tirpalų gebėjimu po išgarinimo susidaryti sausas nuosėdas, kurių paprasčiausiai ištirpinant negalima paversti zoliu. Jie vadinami liofobiniais dėl silpnos dispersinės fazės ir dispersinės terpės sąveikos.

Miceliniai koloidai yra tirpalai, kuriuose susidaro koloidinės dalelėskai klijuojamos difilinės molekulės, kuriose yra polinių atomų grupių ir nepolinių radikalų. Pavyzdžiai yra muilai ir aktyviosios paviršiaus medžiagos. Molekules tokiose micelėse laiko dispersijos jėgos. Šių koloidų forma gali būti ne tik sferinė, bet ir lamelinė.

Molekuliniai koloidai yra gana stabilūs be stabilizatorių. Jų struktūriniai vienetai yra atskiros makromolekulės. Koloidinės dalelės forma gali skirtis priklausomai nuo molekulės savybių ir vidinės molekulinės sąveikos. Taigi linijinė molekulė gali sudaryti strypą arba ritę.