Краткое теоретическое обоснование растворов

Растворы ВМС обладают свойствами истинных и коллоидных растворов, а также для них характерны некоторые специфические свойства, такие как:

Þ набухание (обязательная стадия растворения);

Þ застудневание (желатирование);

Þ аномально высокая вязкость;

Þ особенности осмотического давления;

Þ потеря устойчивости: коацервация, высаливание, денатурация.

Застудневание коллоидных растворов – следствие нарушения агрегативной устойчивости, приводящее к структурообразованию. Явление застудневания родственно коагуляции, и все факторы, обусловливающие коагуляцию, точно так же действуют и при застудневании, но за некоторыми исключениями, так как здесь не образуется осадка частиц коллоида, а вся масса коллоида, связывая растворитель, переходит в своеобразное полужидкое состояние, приобретая при этом некоторые свойства твердых тел.

На процесс застудневания оказывают влияние:

Þ концентрация раствора;

Þ форма частиц или молекул;

Þ температура;

Þ рН и природа вещества;

Þ действие электролитов и ПАВ.

Как и при коагуляции, различные электролиты по-разному влияют на процесс застудневания, где преимущество имеют анионы, тогда как катионы независимо от заряда почти не влияют на этот процесс. Влияние электролитов оценивают, измеряя время, прошедшее с момента прибавления их к раствору до его застудневания. Некоторые анионы задерживают застудневание, а другие наоборот ускоряют его. Действие анионов, замедляющих желатирование, проявляется тем сильнее, чем выше их концентрация. Электролиты способствуют частичной дегидратации макромолекул, причем анионы более активны, чем катионы, они связывают воду лучше, чем полярные группы полимера. Если на набухание электролиты влияют по «прямому» лиотропному ряду, то на застудневание – по «обратному». Высокие концентрации ПАВ препятствуют застудневанию, так как происходит полный разрыв связей между частицами.

Повышение концентрации коллоидного раствора увеличивает количество столкновений частиц при броуновском движении (хаотическое и непрерывное движение частиц дисперсной фазы под действием ударов молекулы растворителя, т.е. дисперсионной среды), что способствует структурообразованию и ускоряет процесс застудневания. Для застудневания целиком всего раствора нужна весьма значительная концентрация коллоида, так как он должен удерживать весь наличный растворитель. В этом отношении вещества, способные давать студни, сильно различаются. Так, желатин дает студень при концентрации 1-1,5% , а раствор агар-агара дает твердый студень уже с содержанием 0,25% .

Температура на застудневание оказывает также существенное влияние. Так, совершенно твердый при комнатной температуре 10%-ный желатиновый студень при нагревании в теплой / / воде быстро разжижается и переходит в раствор. Процесс застудневания не совершается мгновенно при достижении определенной температуры, требуется более или менее продолжительное время, необходимое для перегруппировки составных частей в вязкой системе. Это постепенное застудневание носит название созревания, и оно продолжается и после образования студня и выражается в приобретении им большей механической прочности.

Для наименования структурированных систем приняты термины гель и студень.

Студень – гомогенная система, состоящая из ВМС и растворителя. При образовании студней между макромолекулами полимера возникают молекулярные силы сцепления, приводящие к образованию пространственного сетчатого каркаса, ячейки которого заполнены жидким раствором или растворителем. Благодаря гибкости пространственной сетки студень при высушивании легко деформируется, сжимается, так что можно высушиванием получить сухой полимер, который сохраняет эластичность. Она снова способен набухать в подходящем растворителе, т.е. процесс обратим, и может быть повторен неоднократно. Студни в клетках – внешние слои цитоплазмы, а в организме – мозг, кожа, хрящи, глазное яблоко.

Наличие пространственной сетки в студнях препятствует перемешиванию. По этой причине химические реакции протекают в студнях с небольшой скоростью, их характер зависит от растворимости продуктов. Если образуются нерастворимые вещества, то они отлагаются слоями в виде окрашенных концентрических колец (колец Лизеганга), разделенных прозрачными прослойками, или в виде более сложных рисунков («лепестков» и т. п.). Такие реакции называют периодическими или ритмическими. Периодические реакции играют большую роль в образовании отложений в тканях живых организмов, геологических процессах. Этими реакциями обусловлены, например, слоистая узорчатость многих минералов, структура камней в почках и печени и т. п.

В отличие от студней, гели – это двухфазные гетерогенные системы, образованные из высокополимеров с жесткими макромолекулами или из лиофобных золей и они не обладают свойствами студней (т.е. при высушивании сокращаются сравнительно немного, постепенно растворитель в ячейках заменяется воздухом, после чего остается пористая масса, являются необратимыми системами после высушивания). К гелям относятся различные пористые и ионообменные адсорбенты (силикагель), ультрафильтры, искусственные мембраны.

При застудневании разделения на фазы не происходит, так как растворитель вместе с дисперсной фазой составляет одно целое – гель или студень.

Специфическим свойством коагуляционных структур является их способность к тиксотропным превращениям, т.е. к изотермическому переходу гель золь. Сущность этого явления состоит в том, что разрушенные при наложении сдвигающего усилия связи между частицами геля могут восстановиться и вновь образовать структуру. В живых системах тиксотропия может наблюдаться при сотрясении головного мозга и последующем его восстановлении в зависимости от степени тяжести.

Принцип метода. Метод основан на влиянии природы анионов на процесс застудневания биополимера.

Ход работы:

1. В шесть пронумерованных пробирок наливайте по 2,5 мл 1 М растворов электролитов, в последовательности определенной в таблице. Затем в каждую из шести пробирок добавьте по 2,5 мл подогретого на водяной бане 6%-ного раствора желатина. Далее пробирки поместите в горячую водяную баню на 10 минут и при истечении времени пробирки охладите под струей холодной воды. Внимательно наблюдайте за растворами, стараясь не пропустить начало застудневания.

2. Данные о времени студнеобразования заносите в табл. № 2.

Таблица № 1.6

№ пробирки
Электролит
Время застудневания

3. Выводы. По полученным результатам составьте лиотропный ряд анионов и сделайте вывод о степени влияния электролитов на процесс застудневания. Сравните полученные свои экспериментальные данные с лиотропным рядом Гофмейстера, приведенным в учебнике.

3. Контроль усвоения темы (тесты текущего уровня прилагаются).

Вопросы по теме для самостоятельного изучения их студентами.

1. Липидные бислои и липосомы в биологических объектах.

2. НИРС. Высокодисперсные наночастицы в медицинской практике. Биополимеры в нанобио- и бионанотехнологиях.

5. Практические навыки, которыми должен овладеть студент по теме занятия. Студент должен владеть навыками:

Þ идентификация, получения и очистки дисперсных систем; определение знака заряда гранулы; пептизация осадков и умения использовать эти знания применительно к конкретным системам, встречающиеся в биологических объектах.

Þ вычисление и интерпретации порога коагуляции и величины / / -потенциала применительно к биологии и медицинской практике.

Þ умения работать с учебной, научной и справочной литературой, а также. с сетью Интернет для постоянного усовершенствования свои знания, чтобы анализировать сложившуюся ситуацию и принимать решения в пределах своей профессиональной компетенции и полномочий.

Список литературы

Основная литература

1. Беляев, А.П. Физическая и коллоидная химия /А.П. Беляев, В.И. Кучук, К.И. Евстратова и др.- М.: ГЭОТАР – Медиа, 2008. – С. 83-90, 130-139.

2. Слесарев, В.И. Химия: Основы химии живого /В.И. Слесарев.-СПб: Химиздат, 2007. С. 123-152.

3. Попков, В.А.Общая химия /В.А.Попков, С.А. Пузаков. – М.: ГЭОТАР-Медиа, 2007.-С. 240-295.

4. Попков, В.А.Общая химия /В.А.Попков, С.А. Пузаков. – М.: ГЭОТАР-Медиа, 2007.-С. 240-295.

5. Попков, В.А. Общая и биоорганическая химия /В.А.Попков, А.С. Берлянд.– М.: Издательский центр «Академия», 2011.-368 с.