Мицеллярная вода коллоидная химия

Мицелла: строение, схема, описание и химическая формула

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.

1. 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.
2. Набухание. Измельчение достигается благодаря тому, что частицы растворителя проникают внутрь дисперсной фазы, что сопровождается раздвиганием ее частиц вплоть до отрыва.
3. Диспергирование ультразвуком. Материал, подверженный измельчению, помещают в жидкость и действуют на него ультразвуком.
4. 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.

1. 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.
2. 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:

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.

Источник

Химия красоты. Как работает мицеллярная вода

В разделе красота появилась новая рубрика – Химия Красоты. Вести ее буду я, Оля Сергеева. С самого детства, как и все дети, я мучила родителей вопросами: “Почему небо синее? Почему деревья зеленые? Почему машина едет?” У многих это проходит, но в моем случае это стало профессией. Я занялась наукой, защитила кандидатскую диссертацию по химии и сейчас работаю научным сотрудником. В рубрике «Химия красоты» мы с вами попробуем разобраться в составах и действии косметических средств, которые используем каждый день, понять, что для нас хорошо, а что, может быть, не очень. И помните, «Нет токсичных веществ, а есть токсичные дозы» (Парацельс).

Есть ли смысл в мицеллярной воде?

​Не так давно в линейке косметических средств для очищения кожи появилось понятие “мицеллярная вода”. Как говорят, эта новинка поможет удалить любой макияж и загрязнение кожи, не вызывая раздражения. На полках магазинов можно найти мицеллярную воду практически от всех производителей косметических средств: Bioderma, Lancome, Laroche Posay, Darphin, Kenzo, L’Oreal, Nivea, Garnier. Давайте разберемся, что скрывается за этим понятием, есть ли в этом смысл, и стоит ли пробовать “чудо-водичку”.

​Начнем с названия: мицеллярная вода.

В названии явно присутствует научное понятие, поэтому нам следует немного ознакомиться с химической терминологией. В мире науки такого понятия нет, так что это просто рекламный ход и красивое словосочетание. Правильно было бы назвать данное средство мицеллярной дисперсией или водным мицеллярным раствором поверхностно-активных веществ, но это – слишком сложно, и такое точно никто не купит .

Но мы с вами не ищем легких путей, и, чтобы разобраться в сути вопроса, нам придется понять смысл всех этих терминов.

Итак, все, что нас окружает, можно разделить на две группы по отношению к воде: хорошо смачивается водой (гидрофильное) и плохо (гидрофобное). Отличить одно от другого просто: в одном случае капля воды будет растекаться, в другом – нет.

Если правильное название мицеллярной воды – мицеллярная дисперсия, то что же такое дисперсия? Дисперсия – это система, состоящая из двух или больше компонентов, не растворимых друг в друге, при этом один из компонентов существует в виде отдельных частичек. Почти каждый день на кухне мы с вами сталкиваемся с примером дисперсии , – это перемешанное подсолнечное масло в воде. В случае мицеллярной воды один из компонентов – это вода, а второй компонент – поверхностно-активное вещество (ПАВ).

ПАВ можно назвать посредником между гидрофобными и гидрофильными жидкостями, так как ПАВ состоит из двух частей: одна любит воду, другая – масло, жир и т.п. Сейчас ПАВ присутствует во всех чистящих средствах: шампунях, стиральных порошках, средствах для мытья посуды и в косметике.

​Но не стоит думать, что ПАВ – это “фу, химия, и жутко вредно”, как любят сейчас говорить. Все вокруг нас – химия! Есть очень много природных ПАВ, и именно их в основном используют производители косметических средств. ​

В случае мицеллярной воды ПАВ образует в воде мицеллы – частички, состоящие из нескольких молекул ПАВ. Если попробовать представить себе мицеллу, то она выглядит как сфера, где части ПАВ, которые любят воду, окружают части ПАВ, которые не любят воду. Помимо мицелл в воде есть и отдельные молекулы ПАВ.

Как же все это взаимодействует с нашей кожей?

​Кожа человека плохо смачивается водой, то есть она гидрофобна. Любое загрязнение кожи и косметика тоже гидрофобны, именно поэтому очищение чистой водой неэффективно. Мицеллярная вода работает в два этапа: сначала отдельные молекулы ПАВ обеспечивают смачивание кожи водой (взаимодействуют с гидрофобной кожей своими гидрофобными частями). Это обеспечивает доступ к месту загрязнения. Потом подключаются мицеллы, которые впитывают в себя загрязнение, предотвращая его возвращение на кожу. А поверхность мицеллы, состоящая из водолюбивой части ПАВ, и молекулы воды осуществляют увлажнение поверхности кожи. Таким образом, достигается двойной эффект: очищение + увлажнение.

​Так что реклама не врет, и “мицеллярная вода” – действительно новое средство в мире косметологии и ухода за кожей. Конечно, стоит отметить, что мицеллярная вода подбирается индивидуально для каждого типа кожи, так как ПАВ везде разные и могут вызывать аллергию и раздражение. Но попробовать точно стоит.

Источник