Aplicarea chimiei coloidale în produse farmaceutice. Prelegere de chimie pe tema „soluții coloidale”. Semne ale obiectelor de chimie coloidală

Înțelegerea ce este protecția coloidală și cum se raportează ea la omul obișnuit nu este ușoară. World Wide Web este plin de o varietate de articole științifice din domeniul chimiei și anatomiei. Cu toate acestea, ar fi util ca fiecare dintre noi să înțelegem această problemă dificilă, deoarece ne confruntăm în fiecare zi cu acest fenomen.

Protecția coloidă este proprietatea de a proteja sistemele coloidale de coagulare. Pentru a înțelege această definiție, este necesar să înțelegeți toți termenii în ordine.

Sistemele coloidale și ce sunt acestea

În primul rând, este necesar să înțelegem ce este un sistem coloidal. Aceasta este o formațiune sau o substanță care conține mai multe componente. Particulele componentelor ajung în diferite faze sau stări. Există trei stări principale în natură: solid, lichid, gazos.

Există mai multe tipuri de sisteme coloidale:

aerosoli lichizi (de exemplu, ceață);
aerosoli solizi (nori cirrus);
spumă (spunuri de săpun);
spumă tare (spumă);
emulsie (lapte);
pastă tare (perle);
soluri sau soluții (pastă de dinți);
suspensie solidă (plastic).

Adesea, în natură, sistemele coloidale sunt prezentate ca soluții lichide care conțin particule solide.

O soluție este un amestec omogen care constă din mai multe componente. Toate ajung în aceeași fază sau stare de agregare. Soluția se caracterizează printr-o stare lichidă de agregare. O soluție coloidală este o substanță care conține particule solide. Dimensiunea lor este atât de mică încât nu depășește 0,1 microni. Deși, dacă se dorește, chiar și o persoană obișnuită poate vedea particulele. Trebuie doar să puneți soluția într-un recipient transparent în lumina directă a soarelui. Ele vă vor ajuta să vedeți eterogenitatea structurii. Pentru a rezuma, putem spune că o soluție coloidală este un lichid care constă din mai multe componente, dintre care unul este particule solide.

Coagulare misterioasă

Următorul termen neclar din definiție este coagularea. Traducerea acestui cuvânt din latină nu înseamnă altceva decât îngroșare sau coagulare. Pentru a simplifica pe cât posibil sensul științific, coagularea este procesul de combinare sau lipire a particulelor solide în timpul contactului. Impulsul pentru începerea unei astfel de reacții poate fi o coliziune naturală în momentul mișcării browniene a particulelor, influența unui câmp electric sau un efect mecanic (de exemplu, vibrație sau amestecare activă).

Majoritatea dintre noi nici nu se gândesc cât de des întâlnim procesul de coagulare în viața de zi cu zi. Văzând lapte acru, unei gospodine bune nu i-ar trece prin minte că observă procesul de coagulare. Principalele semne de coagulare sunt:

apariția sedimentului;
creșterea turbidității lichidului;
formațiuni floculante.

Coagularea este utilizată pe scară largă în medicină. De exemplu, aceasta este o modalitate excelentă de a combate venele păianjen de pe față și corp. Cosmetologii moderni acționează asupra vasului cu un laser, ceea ce face ca acesta să se lipească împreună. În timp, se dizolvă complet.

Trebuie remarcat faptul că coagularea este un fenomen natural și nu o invenție a omenirii. Oamenii de știință moderni au găsit doar o aplicație pentru acest miracol.

Această tehnică este utilizată pe scară largă în industrie. De exemplu, v-ați întrebat vreodată cum funcționează filtrele noastre de purificare a apei? Filtrul constă dintr-o substanță care este capabilă să atașeze particule contaminante nedorite la moleculele sale, fără a reacționa cu moleculele de apă.

În această etapă, este foarte posibil să se tragă linia conform căreia protecția coloidală este proprietatea mai multor componente ale unei soluții, inclusiv a particulelor solide, să nu se lipească și să se unească unele cu altele, ci să rămână independente.

Trebuie remarcat faptul că există o condiție în care protecția coloidală își păstrează proprietățile - prezența unei cantități mici de substanțe cu molecul mare. Aceasta înseamnă că, pentru ca particulele să nu se combine între ele, este necesar să existe în soluție substanțe de protecție, adică cele care vor împiedica aderența. De exemplu, acestea sunt proteine, amidon, agar-agar și altele.

Protecție coloidală în corpul uman

În esență, o persoană este formată în întregime din sisteme coloidale, care există numai dacă există protecție coloidă. Exemple excelente ale acestor sisteme sunt sângele și o celulă mică obișnuită.

Fiecare celulă a corpului nostru este formată dintr-un nucleu, lizozom, ribozom, complex Golgi, hialoplasmă și membrană. O substanță protectoare care împiedică lipirea componentelor celulare este o proteină, a cărei sinteză este responsabilă pentru nucleu. Hialoplasma este baza sistemului coloidal, simplu spus, lichid. Toate celelalte componente pot fi numite în mod convențional particule solide. Ei își îndeplinesc în mod eficient funcțiile numai dacă sunt independenți unul de celălalt.

Al doilea exemplu izbitor de sistem coloid este sângele. În acest caz, mediul lichid este plasma, care constă din apă, proteine, aminoacizi, poli- și monozaharide și multe altele. Particulele care nu ar trebui să se lipească împreună sunt celulele roșii din sânge, trombocitele și leucocitele.

De asemenea, proteina conținută în plasmă împiedică unirea picăturilor de grăsime de colesterol. Dacă protecția coloidală a sistemului circulator slăbește, colesterolul se va acumula, se va combina și se va depune pe pereții vaselor de sânge și ai organelor interne.

Desigur, din punctul de vedere al oamenilor de știință, această descriere este destul de arbitrară și îndoielnică. Cu toate acestea, va ajuta omul obișnuit să înțeleagă principiile de bază ale acțiunii protecției coloidale.

Protecție coloidală în produse farmaceutice. Argint coloidal

După cum am menționat mai devreme, oamenii de știință folosesc pe scară largă fenomenul protecției coloidale în industrie, medicină, cosmetologie, industria alimentară și produse farmaceutice. Cea mai populară dezvoltare a acestuia din urmă este argintul coloidal.

Din cele mai vechi timpuri, medicii și chimiștii știu despre proprietățile antibacteriene ale argintului. Profitând de fenomenul protecției coloidale, oamenii de știință au dezvoltat soluții alimentare cu adaos de ioni de argint, a căror combinație este împiedicată de substanțe protectoare. Astfel, a devenit posibilă administrarea de argint pe cale orală. Argintul coloidal este folosit ca antibiotic natural. Există experimente folosind argint în lupta împotriva cancerului, SIDA, tuberculozei și bolilor sistemului genito-urinar.

Nu uitați că argintul este un metal greu, deci este eliminat din corpul uman destul de lent și are, de asemenea, un efect cumulativ. Ionii de argint sunt absorbiți ușor în sistemul circulator, pătrunzând în tractul gastrointestinal. Ficatul, pielea, mucoasele, rinichii, splina, măduva osoasă, pereții capilare, glandele endocrine, cristalinul și corneea ochiului tind să acumuleze și să depună ioni de argint. În timp, acumularea excesivă de argint în corpul uman poate provoca „argioză”. Această boală se manifestă prin modificări ale culorii ochilor, pielii și mucoaselor.

În prezent, utilizarea pe cale orală și intravenoasă a argintului coloidal este interzisă în majoritatea țărilor. În ciuda proprietăților vindecătoare pe care natura le-a înzestrat cu argint, acesta este periculos pentru organismul uman. Deoarece argintul coloidal este absolut disponibil pe piața farmaceutică, rămâne la latitudinea dvs. să decideți dacă îl consumați sau vă abțineți.

CAPITOLUL 1

CARACTERISTICI DE STRUCTURĂ ALE STRATULUI DE SUPRAFAȚĂ. TENSIUNEA DE SURFACE

1.1. Energia Gibbs de suprafață. Tensiune superficială

Suprafața interfațală poate exista doar dacă există o fază lichidă sau solidă în sistem. Ele determină forma și structura stratului de suprafață - regiunea de tranziție de la o fază la alta.

În cel mai simplu caz, orice substanță solidă sau lichidă constă din molecule de un singur tip. Cu toate acestea, starea acelor molecule care se află la suprafață diferă de starea moleculelor care se află în cea mai mare parte a fazei solide sau lichide, deoarece nu sunt înconjurate pe toate părțile de alte molecule similare. Moleculele de suprafață sunt atrase într-un lichid sau solid deoarece experimentează o atracție mai mare de la moleculele din cea mai mare parte a fazei condensate decât de la moleculele de gaz de pe cealaltă parte a suprafeței. Această atracție face ca suprafața să se contracte cât mai mult posibil și are ca rezultat o anumită forță în planul suprafeței numită forță tensiune superficială.

Prin urmare, corpurile lichide și solide dobândesc în mod spontan volumul minim posibil și practic nu sunt compresibile, iar întinderea și ruperea lor necesită o cheltuială semnificativă de energie.

Această energie transmisă stratului de suprafață și care determină stabilitatea acestuia este, conform lui J. W. Gibbs, așa-numita energie de suprafață liberă G S , proporțional cu aria interfeței:

G S =  S , (1.1)

Unde  - coeficient de proporționalitate, numit coeficient de tensiune superficială. Sensul fizic  - energia de suprafață liberă pe unitatea de suprafață de interfață sau, cu alte cuvinte, munca de formare izotermă reversibilă pe unitatea de suprafață de interfață. dimensiunea SI  - J/m2.

Tensiunea de suprafață poate fi considerată, de asemenea, ca o forță care acționează pe unitatea de lungime a conturului suprafeței și care tinde să reducă suprafața la minim pentru un raport de volum de fază dat. În acest caz, dimensiunea  este mai convenabil să o exprimăm în N/m.

Existența tensiunii superficiale explică următoarele fapte binecunoscute: picăturile de apă nu pătrund prin mici găuri și spații dintre firele țesăturilor de umbrelă sau cort; păianjenii de apă și insectele pot alerga pe suprafața apei, susținute de o peliculă de suprafață invizibilă, picăturile de ploaie sau ceață iau formă sferică etc.

Atunci când un corp solid sau lichid este zdrobit, suprafața totală a interfeței crește, datorită faptului că o parte din ce în ce mai mare a moleculelor sale ajunge la suprafață, iar proporția de molecule situate în volum scade. Prin urmare, cu cât particulele sunt mai mici, cu atât mai mare este proporția funcțiilor termodinamice, inclusiv energia Gibbs a particulei, aparține moleculelor de suprafață.
1.2. Modalități de reducere a energiei de suprafață liberă
Orice sistem, inclusiv cele dispersate, tinde spre echilibru. Din cursul chimiei fizice se știe că în acest caz există întotdeauna o tendință la o scădere spontană a energiei Gibbs. G . Acest lucru se aplică și energiei de suprafață liberă a sistemelor dispersate G S .

Mai mult, în conformitate cu ecuația (1.1), scăderea G S poate fi realizată în următoarele moduri:

O) La o tensiune superficială constantă prin reducerea interfeței interfațale:

G S =   S .

Reducerea suprafeței interfeței poate fi efectuată, la rândul său, în două moduri:

 Adoptarea spontană de către particule de formă geometrică care corespunde energiei minime de suprafață liberă. Astfel, în absența influențelor forțelor externe, o picătură de lichid ia forma unei mingi.

 Combinarea (agregarea) particulelor mici în altele mai mari (agregate). În acest caz, se obține un câștig de energie mult mai mare, deoarece la combinare interfața de fază scade foarte semnificativ.

Rezultă că, având o cantitate mare de energie de suprafață, sistemele dispersate sunt fundamental instabile agregativși se străduiesc să reducă în mod spontan gradul de dispersie prin combinarea particulelor fazei dispersate.

b) La o zonă de interfață constantă prin reducerea tensiunii superficiale:

G S = S  .

În multe cazuri, inclusiv în fabricarea formelor de dozare, când este necesar să se mențină dimensiunile constante ale particulelor fazei dispersate în sistem, reducerea tensiunii superficiale a interfeței este cea mai importantă și adesea singura modalitate de a menține gradul de dispersie.

O scădere a tensiunii superficiale se realizează prin introducerea în sistemul dispersat surfactanți (Surfactant), care au capacitatea de a se concentra (adsorb) la interfață și, prin prezența lor, reduc tensiunea superficială.

1.3. Surfactanți

Substanțe organice cu asimetrice, difilic molecule care conțin atât grupări polare (hidrofile) cât și nepolare (lipofile). Grupările hidrofile (-OH, -COOH, -SO 3 H, -NH 2 etc.) asigură afinitatea surfactantului în apă, în timp ce grupările hidrofobe (de obicei radicali hidrocarburi, atât alifatici cât și aromatici) asigură afinitatea surfactantului pentru medii nepolare. Tensiunea superficială proprie a surfactantului trebuie să fie mai mică decât cea a solidului sau lichidului dat. În stratul de adsorbție de la limita de fază, moleculele amfifile sunt orientate în modul cel mai favorabil energetic: grupări hidrofile - spre faza polară, hidrofobe - către faza nepolară.

Grafic, o moleculă de surfactant este reprezentată prin simbolul , în care un cerc desemnează o grupare hidrofilă, iar o linie desemnează una hidrofobă.

1.4. Clasificarea surfactanților
 După mărimea moleculară Surfactanții sunt împărțiți în greutate moleculară mare (de exemplu, proteine) și greutate moleculară mică (marea majoritate a agenților tensioactivi specificati în alte tipuri de clasificare).

 După tipul grupărilor hidrofile diferenţiaţi neionică (neionică) Și ionic (ionic) surfactant.

Substanțele neionice există în soluție sub formă de molecule nedisociate (de exemplu, Tweens sau sorbitali, alcooli).

Cei ionici se disociază în soluție în ioni, dintre care unii au de fapt activitate de suprafață, în timp ce alții nu. În funcție de semnul sarcinii ionului activ de suprafață, agenții tensioactivi se împart în cation-activ, anion-activŞi amfoter.

În practică, se folosesc cel mai des agenții tensioactivi anionici: acizii carboxilici și sărurile lor (săpunuri), alchil sulfați, alchil sulfonați, alchilaril sulfonați, fenoli, taninuri etc.

Al doilea loc în importanță îl ocupă agenții tensioactivi neionici - alcoolii alifatici, eterii lor polioxietilenici de diferite naturi, lipidele.

O pondere semnificativ mai mică, dar în continuă creștere în producția de agenți tensioactivi este reprezentată de agenții tensioactivi cationici (în principal derivați de alchilamine, primari, secundari și terțiari) și amfoteri (de exemplu, aminoacizi, proteine). Mulți alcaloizi aparțin și agenților tensioactivi cationici.

 Comportament în soluție toți agenții tensioactivi sunt împărțiți în adevărat-solubilși coloidal (sau formatoare de miceli, MPAV). Prima grupă include un număr mare de compuși organici amfifili foarte solubili cu radicali hidrocarburi mici (alcooli, fenoli, acizi carboxilici inferiori și sărurile acestora, amine). Substanțele de acest tip există în soluție ca molecule sau ioni individuali, până la concentrații corespunzătoare solubilității lor.

De interes deosebit sunt surfactanții coloidali. Acestea sunt cele mai utilizate în practică, inclusiv pentru stabilizarea sistemelor dispersate, și sunt înțelese în primul rând prin termenul de surfactant. Principala lor caracteristică distinctivă este capacitatea de a forma termodinamic stabil ( liofilă) sisteme dispersate eterogene - soluții de surfactant micelar. Numărul minim de atomi de C din moleculele MPAS este de 8-12, adică acești compuși au un radical de hidrocarbură destul de mare.
1.5. Aplicarea surfactanților

Surfactanții sunt utilizați ca agenți de flotație, dispersanți, emulgatori, detergenți, componente ale compozițiilor de stingere a incendiilor, cosmetice etc. Agenții tensioactivi joacă un rol important în procesele biologice.

În farmacie, agenții tensioactivi sunt utilizați în principal sub formă de săpunuri medicinale și stabilizatori pentru forme de dozare precum emulsii, suspensii, soluții coloidale și sisteme solubilizate.

Săpunurile medicale sunt folosite ca detergenți, dezinfectanți și agenți dermatologici. Sunt amestecuri de săpun obișnuit de sodiu și potasiu cu coloranți, parfumuri și anumiți dezinfectanți sau medicamente (de exemplu, săpun verde, gudron, ihtiol, carbolic, sulf, clorofenol, săpun sulsen).

Agenții tensioactivi naturali cu greutate moleculară mare precum proteinele (inclusiv gelatina), gumele, substanțele naturale cu greutate moleculară mică - saponine, palmitat, laurat de sodiu sau potasiu, precum și agenți tensioactivi sintetici - Tweens (sorbitali), etc. sunt utilizați ca stabilizatori pentru formele de dozare in farmacie.

Detergenții folosiți pe scară largă în viața de zi cu zi (săpunuri, șampoane, detergenți de spălat vase, praf de spălat etc.) sunt fabricați pe bază de agenți tensioactivi precum stearat, oleat și palmitat de sodiu (sau potasiu), precum și derivați de sulfanol ( pereche-dodecilbenzensulfonat de sodiu).

Twin-80 Sulfanol

1.6. Izoterma tensiunii superficiale. Ecuaţie

Şişkovski
Dependența tensiunii superficiale a soluțiilor de surfactant de concentrația lor este exprimată la fiecare temperatură constantă dată prin izoterme. Vederea generală a unei astfel de izoterme este prezentată în Fig. 1.1. Izoterma tensiunii superficiale părăsește punctul  0 pe axa y, care corespunde tensiunii superficiale a unui solvent pur. Odată cu creșterea concentrației de agent tensioactiv, tensiunea superficială scade treptat, tinzând spre o anumită valoare constantă minimă caracteristică fiecărui agent tensioactiv dat.

Orez. 1.1. Vedere generală a izotermei tensiunii superficiale
Izotermele tensiunii superficiale pot fi descrise folosind ecuația lui B. Shishkovsky (1908):

Unde  - tensiunea superficială a soluţiei de surfactant;  - scaderea tensiunii superficiale a solutiei de surfactant cu concentratie CU comparativ cu  0 - tensiunea superficială a unui solvent (de exemplu, apă) la o temperatură dată; O Şi b - constante. Constant O caracteristica fiecărei serii omoloage; coeficient b individual pentru fiecare surfactant individual.

1.7. Proprietăți surfactant: activitate de suprafață, hidrofil

echilibru lipofil

Capacitatea surfactanților de a reduce tensiunea superficială poate fi caracterizată activitate de suprafață, care depinde în principal de lungimea radicalului de hidrocarbură din molecula de surfactant. Activitatea de suprafață este derivata tensiunii superficiale a unei soluții de surfactant pe baza concentrației acesteia

Semnul minus arată că, pe măsură ce concentrația de surfactant crește, tensiunea superficială a soluției sale scade.

Pentru surfactanții cu adevărat solubili, activitatea de suprafață este determinată de porțiunea inițială a izotermei tensiunii superficiale (Fig. 1.2) la o concentrație care tinde spre zero.

Orez. 1.2. Determinarea activității suprafeței surfactantului prin izotermă

tensiune superficială

Pentru a-l găsi, se trasează o tangentă la izoterma tensiunii superficiale în punctul corespunzător  0 . Linia tangentă este extinsă până când intersectează axa concentrației. Activitatea de suprafață este calculată ca tangente a unghiului de înclinare a tangentei la axa absciselor:

Pentru agenții tensioactivi care formează micele, activitatea de suprafață poate fi calculată folosind formula

Unde  0 Şi  min - respectiv, tensiunea superficială a unui solvent pur și cea mai mică valoare constantă a tensiunii superficiale atunci când se atinge concentrația critică de micelizare (vezi paragraful 1.8).

Dependența activității suprafeței de structura moleculelor de surfactant este descrisă de regula lui P. E. Duclos - I. Traube:

Creșterea lungimii radicalului de hidrocarbură din molecula de surfactant cu o grupă -CH 2 duce la o creștere a activității de suprafață de 3-5 ori (de aproximativ 3,2 ori).

Această regulă este respectată în principal pentru soluțiile apoase de agenți tensioactivi cu adevărat solubili, cum ar fi acizii carboxilici inferiori și alcoolii alifatici. Pentru mediile organice, regula Duclos-Traube este inversată, adică activitatea de suprafață scade odată cu creșterea lungimii radicalului de hidrocarbură.

O altă caracteristică cantitativă importantă a unui surfactant este echilibru hidrofil-lipofil (GLB). Se exprimă în numere adimensionale  :

Unde ( b +  ) – afinitatea (energia de interacțiune Gibbs) a părții nepolare a moleculei de surfactant față de lichidul de hidrocarbură ( b – coeficient în funcție de natura surfactantului,  - afinitate pentru un grup CH 2 ,  - numărul de grupări CH 2  din radicalul hidrocarbură); O – afinitatea grupului polar pentru apă.

Cu cât hidrofilitatea unui agent activ de suprafață este mai mare, cu atât HLB a acestuia este mai mare. Există o scară de numere HLB (D. Davis, 1960; Griffin) care variază de la 1 la 40. Numărul HLB de pe această scară poate fi calculat din suma numerelor de grup atribuite fiecărui grup de atomi incluși în molecula de surfactant:

HLB =  numerele grupelor hidrofile +

+  numerele grupelor hidrofobe + 7

Iată câteva numere de grup conform lui Griffin:

grupări hidrofile
SOOC	COONa	COOH	OH	=O
21,1	19,1	2,4	1,9	1,3
grupări hidrofobe
=CH	CH 2 	CH 3	=C=
0,475	0,475	0,475	0,475

În determinarea practică a HLB se folosesc așa-numitele puncte de referință, care sunt numerele HLB ale unor agenți tensioactivi: acid oleic - 1, trietanolamină - 12, oleat de sodiu - 18.

Deși conceptul de HLB este destul de formal, acesta permite să se determine aproximativ domeniile de aplicare a agenților tensioactivi. De exemplu:

1.8. Formarea micelelor în soluții MPAS. Critic

concentrația micelare. Solubilizarea
Agenții tensioactivi care formează micele la concentrații scăzute există în soluții sub formă de molecule sau ioni individuali. Pe măsură ce concentrația soluției crește, moleculele lor (ionii) se asociază între ele, formând inițial dimeri, trimeri și alți asociați. După depășirea unei anumite concentrații caracteristice fiecărui agent activ de suprafață, numită concentrație micelică critică (CMC), MPAS există în soluție sub forma unui tip special de formațiuni numite micelii. Pentru majoritatea agenților tensioactivi, CMC se află în intervalul 10 - 5 - 10 - 2 mol/l.

O micelă de surfactant este un agregat de molecule amfifile, ale căror grupări liofile se confruntă cu solventul corespunzător, iar grupările liofobe sunt conectate între ele, formând miezul micelului. Procesul de micelizare este reversibil, deoarece atunci când soluția este diluată, miceliile se dezintegrează în molecule și ioni.

În soluțiile apoase la concentrații puțin mai mari decât CMC, se formează micelii sferici („micelii Hartley”). Interiorul micelilor Hartley constă din radicali de hidrocarburi împletite, iar grupele polare ale moleculelor de surfactant se confruntă cu faza apoasă. Diametrul unor astfel de micelii este aproximativ egal cu de două ori lungimea moleculelor de surfactant. Numărul de molecule dintr-o micelă (gradul de agregare) crește până la o anumită limită (de obicei 30 - 100 de molecule), după care nu se modifică odată cu creșterea suplimentară a concentrației, dar numărul micelilor crește.

La concentrații mai mari, miceliile Hartley interacționează între ele, ceea ce duce la deformarea lor. Ele pot lua forma cilindrice, în formă de disc, în formă de tijă, în formă de placă („micelii McBen”). La concentrații de aproximativ 10 - 50 de ori mai mari decât CMC (așa-numita CMC 2), miceliile capătă o orientare în lanț și, împreună cu moleculele de solvent, sunt capabile să formeze un corp gelatinos. Atunci când la astfel de soluții micelare concentrate de agenți tensioactivi se adaugă săruri neutre - NaCl, KCl, NH 4 NO 3 etc. - sărurile îndepărtează din micelii apa care intră în învelișul de hidratare (miceliile se deshidratează) și facilitează integrarea micelilor. . În acest caz, surfactantul, în funcție de densitate, precipită sau plutește la suprafață. Această separare a agenților tensioactivi de soluțiile micelare se numește sărând afară.

În mediile neapoase, în timpul formării micelelor, apar miceliile „inversate”, în partea centrală a cărora se află grupări polare, înconjurate la periferie de un strat de radicali hidrocarburi. Astfel de micelii conțin de obicei semnificativ mai puține molecule de surfactant (30 - 40) decât în mediile apoase.

Când se adaugă substanțe insolubile într-un mediu dat, în special cele lichide, la soluțiile micelare de agenți tensioactivi și cu agitare, este posibil solubilizarea, adică pătrunderea moleculelor acestor substanțe în micelii. Astfel, hidrocarburile și grăsimile sunt solubilizate cu soluții apoase de săpunuri și proteine (solubilizare directă), apă și substanțe polare - cu soluții micelare de agenți tensioactivi în solvenți organici nepolari (solubilizare inversă).

Fenomenul de solubilizare este utilizat în tehnologia medicamentelor pentru prepararea formelor de dozare lichide din substanțe insolubile în apă. Astfel de forme de dozare se numesc solubilizate, iar substanțele medicinale insolubile în apă (de exemplu, vitaminele liposolubile) incluse în micele se numesc solubilizați. Cu toate acestea, aceste forme de dozare trebuie utilizate cu prudență, deoarece atunci când sunt diluate, miceliile surfactantului se vor dezintegra, ceea ce va duce la eliberarea de picături mari sau boabe de solubilizat.

(specialitatea „Farmacie”)

Obiectivele studierii disciplinei „Chimie fizică și coloidală”
Disciplina fundamentală „Chimie fizică și coloidală” stă la baza studenților să stăpânească chimia analitică, organică, farmaceutică, chimia toxicologică, tehnologia formelor de dozare incluse în programa de pregătire a studenților la specialitatea 040500 „Farmacie”.

CHIMIE FIZICĂ

Subiectul, sarcinile și metodele de chimie fizică
Principalele etape ale dezvoltării chimiei fizice. Rolul oamenilor de știință autohtoni și străini în dezvoltarea chimiei fizice. Locul chimiei fizice printre alte științe și importanța sa în dezvoltarea farmaciei. M.V. Lomonosov, D.I., N.S. Kurnakov, V.F. Beketov.
Concepte de bază și legile termodinamicii chimice. Termochimie
Subiectul și metodele termodinamicii. Concepte de bază și definiții . Sisteme: izolate, închise și deschise. Starea sistemului. Funcția de stat. Procese: izobare, izoterme, izocorice și adiabatice. Energia internă a sistemului. Post. Căldură.
Prima lege a termodinamicii. Expresia matematică a primului început. Entalpie. Căluri izocorice și izobare ale procesului și relația dintre ele. legea lui Hess. Ecuații termochimice. Căldura standard de formare și ardere a substanțelor. Calcularea căldurii standard a reacțiilor chimice folosind căldura standard de formare și ardere a substanțelor. Căldura de neutralizare, dizolvare, hidratare. Diagrame entalpie. Dependența căldurii procesului de temperatură, ecuația lui Kirchhoff.
A doua lege a termodinamicii. Procese reversibile și ireversibile în sens termodinamic. Performanță maximă a procesului. Munca utila. Formularea entropiei celei de-a doua legi a termodinamicii. Entropia este o funcție a stării sistemului. Modificarea entropiei în sisteme izolate. Modificarea entropiei în timpul proceselor izoterme și schimbărilor de temperatură. Natura statistică a celei de-a doua legi a termodinamicii. Entropia și legătura ei cu probabilitatea termodinamică a stării sistemului. formula lui Boltzmann.
A treia lege a termodinamicii. Entropia absolută. Entropia standard.
Potențiale termodinamice. Energia Helmholtz. Gibbs Energy; legătura dintre ele. Modificări ale energiei Helmholtz și ale energiei Gibbs în procesele spontane. Potential chimic.
Termodinamica echilibrului chimic
Ecuația izotermei reacției chimice. Fundamentarea termodinamică a legii acțiunii masei pentru echilibru chimic omogen și eterogen. Constanta de echilibru chimic si metode de exprimare a acesteia.
Ecuații ale izobarelor și izocorilor unei reacții chimice. Consecințele care decurg din aceste ecuații. Constanta de echilibru chimic si principiul Le Chatelier-Brown. Calculul constantei de echilibru chimic folosind tabele de mărimi termodinamice.
Termodinamica echilibrelor de fază
Concepte de bază. Sisteme omogene și eterogene. Fază. Substante constituente. Componente. Transformări de fază și echilibre: evaporare, sublimare, topire, modificare în modificarea alotropică. Numărul de componente și numărul de grade de libertate. regula fazei Gibbs. Predicția tranzițiilor de fază atunci când condițiile se schimbă.
Sisteme cu o singură componentă. Diagrame de stare ale sistemelor monocomponente (apă, dioxid de carbon, sulf ecuația Clapeyron-Clausius). Legătura cu principiul Le Chatelier-Brown.
Sisteme bicomponente (binare).. Diagramele de fuzibilitate ale sistemelor binare. Analiza termica. Conceptul de analiză fizică și chimică (N. S. Kurnakov), aplicație pentru studiul formelor de dozare. Legea lui Raoult este o justificare prin metoda potențialelor chimice bazată pe legea generală de distribuție a unei substanțe între două faze. Soluții ideale și reale. Tipuri de diagrame „compoziție – presiunea vaporilor”, „compoziție – punct de fierbere”. Azeotropi. Prima și a doua lege Konovalov-Gibbs. Distilare fracționată și continuă (rectificare). Solubilitatea lichidelor în lichide. Temperaturi critice de dizolvare superioare și inferioare (V.F. Alekseev). Lichide insolubile reciproc. Bazele teoretice ale distilării cu abur .
Sisteme cu trei componente. Legea lui Nernst a distribuției substanțelor între două lichide nemiscibile. Coeficientul de distribuție. Principii de obținere a tincturilor și decocturii. Extracţie.
Termodinamica soluțiilor diluate
Relația dintre proprietățile coligative: o scădere relativă a presiunii vaporilor, o scădere a punctului de îngheț al solventului, o creștere a punctului de fierbere al solventului și a presiunii osmotice a soluțiilor diluate de neelectroliți nevolatili. Constante crioscopice și ebulioscopice și relația lor cu căldura de fierbere și topire a solventului.
Proprietățile osmotice ale soluțiilor de electroliți. Coeficientul izotonic.
Metode criometrice, ebuliometrice și osmometrice pentru determinarea maselor molare, coeficient izotonic .
Termodinamica soluțiilor electrolitice
Teoria soluțiilor electroliților puternici de Debye și Hückel. Conceptul de atmosferă ionică. Activitatea ionică și relația sa cu concentrarea. Coeficientul de activitate și dependența valorii acestuia de concentrația totală de electroliți în soluție. Forța ionică a soluției. Regula forței ionice. Dependența coeficientului de activitate de tăria ionică a soluției.
Sisteme și soluții tampon: acido-bazic, concentrare, redox. Mecanismul acțiunii lor. Tampoane acetat, fosfat, amoniac, carbonat, hemoglobină. Capacitatea tampon și factorii care o influențează. Importanța sistemelor tampon pentru chimie și biologie.
Electrochimie
Conductori de al doilea fel. Conductivitate electrică specifică, echivalentă și molară; modificarea acestora cu diluarea soluţiei. Conductivitate electrică molară la diluție infinită. legea lui Kohlrausch. Conductibilitatea electrică a soluțiilor neapoase. Viteza de mișcare și mobilitatea ionilor. Mobilitatea și hidratarea (solvatarea) ionilor.
Potențialele electrodului. Mecanismul de apariție. Ecuația Nernst. Potențial electrochimic. Potențialele standard ale electrodului. Clasificarea electrozilor. Electrod standard de hidrogen. Măsurarea potențialelor electrodului. Celule galvanice de concentrare. Surse de curent chimic.
Potențiale redox. Mecanismul de apariție. Electrozi redox. Potențial redox standard real .
Electrozi selectivi de ioni. Electrod de sticlă. Alte tipuri de electrozi ion-selectivi. Aplicație în biologie, medicină, farmacie. Metoda potențiometrică de măsurare a pH-ului. Titrare potențiometrică. Semnificația acestor metode în practica farmaceutică. Determinarea potențiometrică a energiei Gibbs standard a unei reacții și a constantei de echilibru chimic.
Cinetica reacțiilor chimice și a catalizei
Subiectul și metodele cineticii chimice. Concepte de bază. Reacțiile sunt simple (în o singură etapă) și complexe (în mai multe etape), omogene și eterogene. Viteza reacțiilor chimice omogene și metodele de măsurare a acesteia. Dependența vitezei de reacție de diverși factori. Legea acțiunii masei pentru viteza de reacție. Molecularitatea și ordinea de reacție.
Ecuații cinetice reacții ireversibile de ordinul zero, primul, al doilea. Perioada de înjumătățire. Metode de determinare a ordinii de reacție. Dependența vitezei de reacție de temperatură. Coeficientul de temperatură al vitezei de reacție. Teoria coliziunilor binare active. Energia de activare. Relația dintre viteza de reacție și energia de activare. Determinarea energiei de activare. Metode accelerate pentru determinarea datelor de expirare a medicamentelor. Elemente ale teoriei stării de tranziție (complex activat).
Reacții complexe: reversibil (bilateral), concurent (paralel), secvenţial, conjugat (N. A. Shilov). Transformări ale unei substanțe medicinale în organism ca un set de procese secvențiale; constanta de absorbtie si constanta de eliminare. Reacții în lanț (M. Bodenstein, N. N. Semenov). Etape individuale ale unei reacții în lanț. Reacții în lanț neramificate și ramificate. Reacții fotochimice. Legea lui Einstein a echivalenței fotochimice. Randamentul cuantic al reacției.
Procese catalitice. Cataliza pozitivă și negativă. Dezvoltarea doctrinei catalizei (A. A. Balandin, N. I. Kobozev). Cataliza omogenă. Mecanismul de acțiune al catalizatorului. Energia de activare a reacțiilor catalitice. Cataliza acido-bazică. Cataliza complexului metalic. Cataliza enzimatică. Inhibarea reacțiilor chimice. Mecanismul de acțiune al inhibitorilor.
Analiza termodinamică de adsorbție. Adsorbție Gibbs excesivă. Ecuația izotermei de adsorbție Gibbs. Măsurarea adsorbției la interfețele solid-gaz și solid-lichid. Factori care afectează adsorbția gazelor și a substanțelor dizolvate. Adsorbția monomoleculară, ecuația izotermei de adsorbție Langmuir și Freundlich. Adsorbția polimoleculară. Condens capilară, absorbție, chimisorbție.
Adsorbția electroliților. Adsorbția nespecifică (echivalentă) a ionilor. Adsorbția selectivă a ionilor. domnia Paneth-Fajans. Adsorbția prin schimb de ioni. Ioniții și clasificarea lor. Capacitate de schimb. Aplicarea schimbătoarelor de ioni în farmacie.
Cromatografia(M.S. Tsvet). Clasificarea metodelor cromatografice după tehnică și mecanism de proces. Aplicarea cromatografiei pentru producerea și analiza substanțelor medicamentoase. Filtrare pe gel.

CHIMIA COLOIDULUI

Subiect, sarcini și metode de chimie coloidală
Etape principale în dezvoltarea chimiei coloidale. T. Graham și I.G Borschov sunt fondatorii chimiei coloide. Rolul oamenilor de știință autohtoni și străini în dezvoltarea chimiei coloidului (A. V. Dumansky, V. Ostwald, P. A. Rebinder). Importanța chimiei coloide în dezvoltarea farmaciei.
Sisteme dispersate
Structura sistemelor disperse. Fază dispersată, mediu de dispersie. Caracteristicile cantitative ale dispersității.
Clasificarea sistemelor disperse: prin starea de agregare a fazei dispersate și a mediului de dispersie, prin concentrație, după natura interacțiunii fazei dispersate cu mediul de dispersie. Conceptul de sisteme disperse liofile și liofobe. Caracteristicile stării coloidale (nanostat) a substanței. Universalitatea stării dispersate a materiei. Rolul decisiv al fenomenelor de suprafață în chimia coloidă.
Metode de obținere și purificare a soluțiilor coloidale. Dializa, electrodializa, ultrafiltrare.
Proprietățile molecular-cinetice și optice ale sistemelor coloidale
Mișcarea browniană (ecuația lui Einstein), difuzia (ecuațiile lui Fick), presiunea osmotică. Relația lor.
Sedimentare. Stabilitatea sedimentării și echilibrul sedimentării. Centrifuga și aplicarea ei pentru studiul sistemelor coloidale.
Difuzarea și absorbția luminii. Ecuația Rayleigh. Ultramicroscopia și microscopia electronică a sistemelor coloidale. Determinarea formei, dimensiunii și masei particulelor coloidale.
Termodinamica fenomenelor de suprafață
Termodinamica stratului de suprafață. Energia Gibbs de suprafață și tensiunea superficială. Metode de determinare a tensiunii superficiale. Dependența tensiunii superficiale de temperatură. Relația dintre energia Gibbs de suprafață și entalpia de suprafață. Unghiul de contact. Condiții termodinamice de umezire și răspândire Hidrofilitatea și hidrofobicitatea suprafeței solidelor.
Adsorbția agenților tensioactivi (agenților tensioactivi)
Termodinamica adsorbției. Derivarea ecuației lui Gibbs. Surfactanți și substanțe inactive la suprafață. Izoterma tensiunii superficiale. Ecuația Șishkovsky. Activitate de suprafață. regula Duclos-Traube. Ecuația Langmuir pentru adsorbția monomoleculară.
Orientarea moleculelor de surfactant în stratul de suprafață. Determinarea suprafeței ocupate de o moleculă de surfactant într-un strat de adsorbție saturat și a lungimii maxime a unei molecule de surfactant.
Adsorbția agenților tensioactivi pe suprafața lichidelor nemiscibile. Adsorbția agenților tensioactivi din soluții de pe suprafața solidelor.
Fenomene de electrosuprafață în sisteme dispersate.
Fenomene electrocinetice
Natura fenomenelor electrice în sisteme dispersate. Mecanismul apariției unei sarcini electrice la interfața dintre două faze. Structura stratului dublu electric. Micela, structura unei micele sol hidrofobe. Sarcina și potențialul electrocinetic al unei particule coloidale.
Influența electroliților asupra potențialului electrocinetic. Fenomenul de reîncărcare a particulelor coloidale.
Fenomene electrocinetice. Electroforeză. Relația dintre viteza electroforetică a particulelor coloidale și potențialul lor electrocinetic (ecuația Helmholtz-Smoluchowski). Mobilitate electroforetică. Metode de cercetare electroforetică în farmacie.
Electroosmoza . Metoda electroosmotică pentru măsurarea potențialului electrocinetic. Aplicarea practică a electroosmozei în farmacie.
Stabilitatea și coagularea sistemelor coloidale
Stabilitatea la sedimentare și agregare a sistemelor coloidale. Agregarea și sedimentarea particulelor de fază dispersată. Factorii de sustenabilitate. Coagularea și factorii care o cauzează. Coagulare lentă și rapidă. Pragul de coagulare, definiția lui. regula Schulze-Hardy. Alternarea zonelor de coagulare. Coagularea solurilor cu amestecuri de electroliți. Regula aditivității, antagonismul și sinergia ionilor. Protecție coloidală. Heterocoagulare. Peptizare.
Teorii ale coagulării.. Teoria Deryagin-Landau-Verwey-Overbeck. Utilizarea agenților tensioactivi pentru controlul proprietăților sistemelor dispersate.
Gelare (gelificare). Reologia sistemelor disperse structurate.
Diferite clase de sisteme coloidale
Aerosoli și proprietățile lor. Preparare, proprietăți cinetice moleculare. Proprietăți electrice. Stabilitatea agregativă și factorii care o determină. Distrugerea aerosolilor. Utilizarea aerosolilor în farmacie.
Pulberile și proprietățile lor. Proprietăți de aglomerare, granulare și atomizare ale pulberilor. Aplicație în farmacie.
Suspensiile și proprietățile lor. chitanta. Stabilitatea agregativă și factorii ei determinanți. Floculare. Analiza de sedimentare a suspensiilor. Spumă. Paste.
Emulsii, spume și proprietățile lor. chitanta. Tipuri de emulsii. Emulgatori, dispersanți și mecanismul lor de acțiune. Inversarea de fază a emulsiilor. Stabilitatea emulsiilor și spumei și încălcarea acesteia. Factori de stabilitate a emulsiilor și spumelor. Coalescenta. Proprietățile emulsiilor concentrate și foarte concentrate. Aplicarea spumelor și emulsiilor în farmacie.
Sisteme coloidale formate din surfactanți: solutii de sapunuri, detergenti, taninuri, coloranti. Sisteme coloidale micelare. Formarea micelelor în soluții de surfactant. Concentrația critică a micelizării, metode de determinare a acesteia. Lipozomi și vezicule. Solubilizare și microemulsii; utilizarea lor în farmacie. Sisteme coloidale micelare și lipozomale în farmacie.
Compuși cu greutate moleculară mare (HMC) și soluțiile acestora.
Sisteme coloidale moleculare. Metode de obținere a DIU. Clasificarea BMC-urilor, flexibilitatea lanțului polimeric. Rotația internă a unităților din macromoleculele DIU. Starea cristalină și amorfă a DIU.
Umflarea și dizolvarea DIU. Mecanismul de umflare. Termodinamica umflăturii și dizolvării DIU. Influența diverșilor factori asupra gradului de umflătură. Serii liotropice de ioni.
Vâscozitatea soluțiilor DIU. Abaterea proprietăților soluțiilor DIU de la legile lui Newton și Poiseuille. ecuația lui Bingham. Cauzele vâscozității anormale a soluțiilor polimerice.
Metode de măsurare a vâscozității soluțiilor DIU. Vâscozitate specifică, redusă și caracteristică. Ecuația Staudinger și modificarea acesteia. Determinarea masei molare a unui polimer prin metoda vâscometrică.
Neelectroliți și polielectroliți polimeri. Poliamfoliți. Punctul izoelectric al poliamfoliților și metodele de determinare a acestuia.
Proprietățile osmotice ale soluțiilor DIU. Presiunea osmotică a soluțiilor de neelectroliți polimeri. Abatere de la legea lui van't Hoff. Ecuația lui Haller. Determinarea masei molare a neelectroliților polimeri. Polielectroliți. Presiunea osmotică a soluțiilor de polielectroliți. Echilibrul membranei Donnan.
Factorii de stabilitate a soluțiilor DIU. Sărare, sărare praguri. Serii liotropice de ioni. Dependența pragurilor de sărare ale poliamfoliților de pH-ul mediului. Coacervarea - simplă și complexă. Microcoacervare. Semnificație biologică. Microîncapsulare. Formarea jeleului. Influența diverșilor factori asupra vitezei de gelificare. Tixotropia jeleurilor și gelurilor. Sinereza.

Principal

Gorshkov V.I., Kuznetsov I.A. Fundamentele chimiei fizice. - M., BIOM. Laboratorul de cunoștințe, 2006.
Eremin V.V., Kargov S.I., Uspenskaya I.A., Kuzmenko N.E., Lunin V.V. Fundamentele de chimie fizică. M., Examen, 2005.
Ershov Yu.A., Popkov V.A., Berlyand A.S., Knizhnik A.Z. Chimie biofizică. M., Şcoala Superioară, 2000.
Friedrichsberg D.A. Curs de chimie coloidă. - L., 1995.
Evstratova K.I., Kupina N.A., Malakhova E.E. Chimie fizică și coloidală. - M., Liceul, 1990.
Atelier de chimie fizică și coloidală (Bugreeva E.V. și colab.). - M., Liceul, 1990.

Adiţional

Shchukin E. D., Pertsov A. V., Amelina E. A. Chimie coloidului. - M. 2007.
Frolov Yu G. Curs de chimie coloidă. Fenomene de suprafață și sisteme disperse. - M., Chimie, 2004
Zimon D. A., Leshchenko N. F. Chimia coloidului. - M. 1999.
Atelier și carte de probleme despre chimia coloidului, editată de Nazarov V.V., Grodsky A.S. - M. 2007.
Shur A. M. Substanțe cu moleculare înaltă. - M., 1981.
Zakharchenko V. N. Culegere de probleme și exerciții de chimie fizică și coloidă. - M., 1978.
Zakharchenko V. N. Chimie coloidală. - M., 1989.
Nikolsky B. P. (ed.) Chimie fizică. - L., 1987.
Soloviev Yu I. Eseuri despre istoria chimiei fizice. - M., 1984.

Programul a fost compilat
conf. univ. Kargov S.I.
conf. univ. Ivanova N.I.

Agenții tensioactivi coloidali sunt utilizați în industria de panificație, pastele și cofetărie. Acest lucru vă permite să îmbunătățiți calitatea produselor, să creșteți durata de valabilitate datorită reținerii umidității și să reduceți consumul de materii prime. Datorită utilizării agenților tensioactivi coloidali, forma pastelor este păstrată în timpul gătirii.

În industria de prelucrare a cărnii, agenții tensioactivi coloidali sunt utilizați pentru a îmbunătăți gustul produselor, pentru a crește rezistența la factorii adversi în timpul depozitării și ca acoperiri biologic inerte pe produsele din carne.

În industria concentratelor alimentare, agenții tensioactivi coloidali sunt utilizați pentru a îmbunătăți structura produsului și pentru a elimina aglomerarea și lipirea.

Agenții tensioactivi coloidali sunt folosiți și la producerea înghețatei, datorită cărora procesul de topire încetinește, iar gustul și consistența produsului se îmbunătățesc.

Colectarea uleiului cu soluții de surfactant. Surfactanții colectează filmele de surfactant într-o picătură, care este ușor de îndepărtat de pe suprafață.

Datorită efectului de solubilizare al agenților tensioactivi, aceștia sunt utilizați în medicină și farmacie pentru a transforma medicamentele insolubile în apă într-o stare solubilă.

Agenții tensioactivi sunt utilizați ca inhibitori de coroziune, deoarece sunt capabili să formeze o peliculă aproape monomoleculară pe suprafață care protejează metalul de influențele mediului.

7.3. Emulsii

Emulsiile sunt sisteme dispersate în care faza de dispersie și mediul de dispersie sunt lichide reciproc insolubile sau slab solubile (lapte, unt, maioneză).

Particulele fazei dispersate a emulsiei au o formă sferică, deoarece particulele sferice, în comparație cu particulele de alte forme, au o suprafață minimă și, prin urmare, o energie de suprafață minimă (Gsur = σ·S).

Mediul de dispersie al emulsiilor poate fi polar sau nepolar. Orice lichid polar este de obicei notat cu litera „B” (apă), iar un lichid nepolar cu „M” (ulei).

Formarea, stabilitatea și distrugerea emulsiilor este determinată de caracteristicile interfeței lichid-lichid.

7.3.1. Clasificarea emulsiilor

Pe baza concentrației fazei dispersate (C df), se disting:

diluat (C df 0,1% vol.);

concentrat (0,1 С df< 74% об.);

foarte concentrat (C df >74% vol.).

Pe baza polarității fazei dispersate și a mediului de dispersie, acestea se disting:

emulsii de primul fel (directe) – O/W (lapte);

emulsii de tip II (invers) – W/O (unt).

Într-o emulsie directă, picăturile de lichid nepolar (ulei) sunt distribuite într-un mediu polar (apă); în emulsie inversă este invers.

7.3.2. Metode de producere a emulsiilor

Emulsiile, ca orice alte sisteme dispersate, pot fi obținute prin două grupe de metode:

Metode de condensare. De exemplu, condensarea vaporilor. Vaporii unui lichid (faza dispersată) sunt injectați sub suprafața altuia (mediu de dispersie). În astfel de condiții, aburul devine suprasaturat și se condensează sub formă de picături cu dimensiunea de 1 µm. Ca rezultat, se formează o emulsie.

Metode de dispersie, care se bazează pe zdrobirea fazei dispersate. Sunt:

dispersie mecanică (agitare, amestecare, omogenizare).

Industria produce mixere de diferite modele cu mixere tip elice și turbină, mori coloidale și omogenizatoare.

În omogenizatoare, faza dispersată este trecută prin găuri mici sub presiune mare. Aceste dispozitive sunt utilizate pe scară largă pentru omogenizarea laptelui, ceea ce duce la reducerea diametrului mediu al picăturilor de grăsime din lapte la 0,2 microni. Acest lapte nu se depune.

Chimia coloidală studiază proprietățile fizico-chimice ale sistemelor dispersate - sisteme, una dintre fazele cărora este o colecție de particule foarte mici. Astfel de sisteme sunt larg răspândite în natură, în viața de zi cu zi, în tehnologie, construcții și în alte domenii de activitate și, de asemenea, important, în farmacie. Legile chimiei coloidale stau la baza proceselor de preparare a formelor de dozare, depozitarea și îmbătrânirea acestora. Prin urmare, cunoașterea elementelor de bază ale chimiei coloidale este necesară pentru farmaciștii generali, precum și pentru tehnologii din producția chimică și farmaceutică, producția de produse utilizate în parfumerie, cosmetică și în viața de zi cu zi.

Acest „Curs” folosește același sistem modular de prezentare ca și în volumul dedicat chimiei fizice. Același lucru este valabil și pentru designul textului și motorul de căutare. Datorită faptului că materialul inclus în fiecare secțiune este un singur întreg, cartea nu este împărțită în prelegeri.

Autorul exprimă profundă recunoștință tuturor angajaților Academiei Farmaceutice de Stat Pyatigorsk și în special angajaților Departamentului de Chimie Fizică și Coloidală a Facultății de Fizică de Stat Perm, ale căror sfaturi, comentarii critice și asistență au fost folosite în pregătirea cursului de prelegeri și scrierea acestei publicații și mulțumiri sincere față de recenzenți pentru analiza minuțioasă a manuscrisului și pentru comentariile lor constructive înainte de a merge la tipărire.

NOTAȚII ACCEPTATE

O – valoarea de adsorbție

O - 1) dimensiunile liniare ale particulelor

2) activitate termodinamică

C – 1) concentrația molară

2) concentrația de volum

D – 1) gradul de dispersie

d – diametru

2) energie

F - rezistenţă

G.S. - energie de suprafață liberă

g – accelerația datorată gravitației

2) entalpie

eu – intensitatea luminii

j diff - flux de difuzie

K - 1) constantă de adsorbție

echilibru

2) constantă de schimb

3) constanta vitezei de coagulare

K ’ – coeficientul de turbiditate molar

k - 1) constanta Boltzmann

l - lungime

M - masa molara

m - greutate

N / A. - numărul lui Avogadro

n – 1) cantitatea de substanță (mol)

2) indicele de refracție

3) numărul de particule

P – capacitatea de coagulare

p - presiune

Q – viteza de curgere volumetrica

R - constanta universală a gazului

r - raza

S – 1) zonă

2) entropia

S sed - constanta de sedimentare

S sp – suprafață specifică

T - temperatura

t - timp

V - volum

v – viteză

w - Iov

z – sarcina ionică

o – gradul de umflare

b - raportul de spuma

G - exces de suprafață

g - pragul de coagulare

D X – deplasarea medie a particulelor la

Mișcarea browniană

d - grosimea dublei electrice

e - constanta dielectrica

e 0 – constantă electrică

z - potenţialul electrocinetic

j - 1) concentrație în volum

2) electrotermodinamic

potenţial

h - viscozitate

q - 1) unghi de contact

2) puterea de curgere

l - 1) hidrofil-lipofil

2) lungimea de undă

n - concentrare parțială

p - 1) constantă geometrică

2) presiunea osmotică

r - densitate

S - suma

s - 1) tensiune superficială

2) densitatea de sarcină

w - viteza unghiulara de rotatie

CONSTANTE FIZICE DE BAZĂ

numărul lui Avogadro N / A. 6,02252´1023 mol-1

Numărul Faraday F 96487 C/mol-echiv

constanta Boltzmann k 1.3804´10-23 J/K

Constanta universală de gaz R 8,314 J/mol K =

1,98725 cal/mol K =

0,082057 l atm/mol K

Constanta electrica e 0 8.´1012 F/m

INTRODUCERE

1. Tema chimiei coloidale, locul ei în științele naturii

discipline și implicații pentru farmacie, medicină și biologie

Chimia coloidului- o știință care studiază sistemele dispersate și fenomenele de suprafață. Soluțiile de substanțe cu moleculare înaltă sunt în multe privințe similare ca proprietăți cu sistemele dispersate, deci sunt luate în considerare și în cursul chimiei coloidale.

În 1861, chimistul englez T. Graham, continuând lucrările lui F. Selmi (1845), a propus împărțirea tuturor substanțelor chimice în două clase în funcție de capacitatea lor de a forma soluții cu proprietăți net diferite. Soluțiile de substanțe din aceeași clasă - „cristaloizi” în terminologia lui Graham - sunt stabile, trec fără modificări prin membranele vegetale și animale, la evaporare dau de obicei precipitate cristaline, difuzia în ele are loc relativ rapid, în majoritatea cazurilor sunt transparente (aceste sunt așa-numitele soluții adevărate). Soluțiile de substanțe din altă clasă sunt cel mai adesea instabile (labile), atunci când trec prin membrane se separă sau își schimbă adesea proprietățile, când se evaporă, se formează precipitate amorfe, care adesea nu pot fi redizolvate, difuzia în astfel de soluții are loc foarte lent. , iar în majoritatea cazurilor sunt tulburi . T. Graham a numit această clasă de substanțe, după numele grecesc al reprezentanților lor tipici - gume de plante și cleiuri animale, coloizi (din grecescul kolla - lipici), iar soluțiile formate de acestea - soluții coloidale. Și, deși mai târziu a devenit clar că împărțirea substanțelor în cristaloizi și coloizi este incorectă, deoarece aceleași substanțe pot forma atât soluții adevărate, cât și coloidale în condiții diferite, termenul „soluții coloidale”, precum și numele derivat al științei „ chimia coloidală”” au fost păstrate. Cu toate acestea, acum aceste concepte au un conținut diferit, care va fi discutat mai jos.

Majoritatea corpurilor reale din jurul nostru sunt formate din particule mici - variaţiile scufundat în orice mediu (lichid, solid sau gazos). Dispersiile includ particule de cele mai variate forme - boabe, bulgări, pelicule, fire, bule de aer, picături de lichid, capilare etc. Totalitatea acestor dispersii, împreună cu mediul în care sunt distribuite, formează sistem dispersat. Astfel, sistemele disperse constau dintr-un continuu mediu de dispersieŞi faza dispersata- totalitatea tuturor variațiilor.

Exemple de sisteme naturale dispersate includ roci, soluri, nisip, praf, fum, nori și ceață; țesuturile vegetale și animale, celulele și formațiunile intracelulare ale plantelor, animalelor, microorganismelor, precum și microorganismele în sine - bacterii și viruși. Multe produse industriale sunt, de asemenea, sisteme dispersate, de exemplu, materiale de construcție, aliaje metalice, hârtie, țesături, produse alimentare și multe forme de dozare (pulberi, emulsii, suspensii, aerosoli)
etc.). Rezultă că procesele tehnologice de medicamente nu pot fi controlate în mod expert fără cunoașterea proprietăților de bază ale sistemelor dispersate.

În ciuda dimensiunii mici a dispersiilor, suprafața totală care le separă de mediul de dispersie este foarte mare. Din acest motiv, în sistemele dispersate, ele sunt deosebit de vizibile. fenomene de suprafaţă, care determină în mare măsură proprietățile lor. Fenomenele de suprafață includ procese care au loc la limita care separă fazele de contact (conjugate). Astfel, procesele biochimice din organismele vii au loc pe o varietate de interfețe, cum ar fi membranele care formează membranele celulelor, nucleelor, mitocondriilor etc. Pentru o examinare detaliată a acestor procese în condiții normale și patologice, precum și a proceselor care implică substanțe medicinale , cunoașterea este necesară teoriile fenomenelor de suprafață.

Chimia coloidului are un alt obiect de studiu - substanțele cu greutate moleculară mare (HMW) și soluțiile acestora. Faptul este că macromoleculele EMV au dimensiuni comparabile cu dimensiunile multor dispersii mici. Prin urmare, soluțiile lor au multe proprietăți în comun cu sistemele dispersate. Necesitatea studierii EMV se datorează și faptului că compoziția țesuturilor și celulelor corpului, citoplasmei, sângelui etc. include substanțe naturale cu moleculare înaltă - proteine, polizaharide, acizi nucleici. Soluțiile diferitelor EMV sunt utilizate ca medicamente, prin urmare, atât farmacologul, cât și farmacistul trebuie să cunoască proprietățile și caracteristicile structurale ale unor astfel de sisteme și să stăpânească metodele de studiere a acestora.

Având ca obiecte de cercetare în principal obiecte reale în toată diversitatea proprietăților lor, chimia coloidală completează educația chimică generală. În același timp, există toate motivele pentru a numi știința sistemelor dispersate și a fenomenelor de suprafață chimia fizică a corpurilor reale.

2. Semne ale obiectelor de chimie coloidală

Obiectele chimiei coloidale sunt caracterizate de două trăsături comune - eterogenitate și dispersie. Toate proprietățile speciale inerente acestora sunt consecințe sau funcții ale eterogenității și dispersității.

Eterogenitate(multifază) - un semn care indică prezența unei interfețe interfazate. Spre deosebire de alte sisteme eterogene, sistemele dispersate au un grad ridicat de fragmentare și un număr mare de particule de fază dispersată.

Dispersitate(fragmentarea) este determinată de mărimea particulelor fazei dispersate. Cu cât dimensiunile liniare ale particulelor de fază sunt mai mici, cu atât dispersitatea acesteia este mai mare. Cantitativ, dispersitatea poate fi exprimată prin următoarele caracteristici:

1) dimensiuni liniare particule O . Dimensiune O în sistemul SI - m În cazul unei forme de particule izometrice - cubice sau sferice, dimensiunile liniare înseamnă diametrul sau marginea cubului, iar în cazul firelor, capilarelor, filmelor și altor particule neizometrice - aceasta este lungimea celei mai mici axe a particulei.

2) gradul de dispersie D , numită adesea pur și simplu dispersie. D este reciproca dimensiunilor liniare ale particulelor D = 1/o . Dimensiune D în sistemul SI – m-1. D poate fi considerat ca fiind numărul de particule care se potrivesc pe unitatea de lungime, adică pe 1 m.

3) suprafata specifica Sud , determinată de raportul dintre suprafața interfazei și volumul sau masa particulelor fazei dispersate. Există două tipuri de suprafață specifică:

- Suprafața specifică în volum:

Unde n - numărul de particule, S - suprafața unei particule, V - volumul unei particule. Dimensiune S bate V m2/m3 (sau mai puțin corect m-1).

În multe cazuri, dispersiile capătă în mod spontan o formă apropiată de sferică sau cubică. Acest lucru se datorează faptului că dintre toate corpurile geometrice, sfera și cubul au cea mai mică suprafață pentru același volum. Prin urmare, există formule simple de calcul S bate V :

Unde r - raza particulelor, d - diametrul acestuia;

- pentru sisteme cu particule cubice

Unde A - lungimea muchiei cubului.

- Suprafața specifică după masă:

Unde m - masa unei particule. Deoarece m = r V , Unde r este densitatea particulelor de materie, atunci putem scrie: . Mijloace,

- pentru sisteme cu particule sferice

;

- pentru sisteme cu particule cubice:

Toate cele trei caracteristici ale dispersității sunt interconectate: cu o scădere O dispersia crește D si suprafata specifica Sud .

Odată cu scăderea caracteristicii cantitative - dimensiunea particulelor - cu atingerea unui anumit grad de dispersie, are loc o modificare calitativă a proprietăților sistemului eterogen și anume: dintre numeroasele proprietăți fizice și chimice, fenomenele de suprafață preiau rolul principal. . Această originalitate calitativă începe să se manifeste atunci când dimensiunea particulelor fazei dispersate scade la 10-4 ¸ 10-6 m și este exprimată în mod deosebit în sistemele cu particule de 10-7 ¸ 10-9 m sisteme care sunt de fapt obiectele de studiu ale chimiei coloide ( sisteme coloidale). Prin urmare, se obișnuiește să se vorbească despre particule dimensiuni coloidaleși despre special stare coloidală substanțe, subliniind astfel unicitatea sistemelor cu particule extrem de mici.

3. Scurtă schiță istorică

Fondatorul chimiei coloidale este considerat a fi T. Graham, care a jucat în anii 60 ai secolului al XIX-lea. primele studii sistematice ale soluțiilor coloidale. Ulterior, chimia coloidală a absorbit rezultatele obținute în alte domenii ale fizicii și chimiei la sfârșitul secolului al XIX-lea și începutul secolului al XX-lea. V. format într-o ramură independentă a chimiei.

Bazat pe teoria mecanică a capilarității, dezvoltată la începutul secolului al XIX-lea.
T. Young și P. Laplace, și termodinamica fenomenelor de suprafață create
J. W. Gibbs a formulat în anii 1870 principalele direcții de cercetare în chimia coloidală: studiul proceselor de formare a unei noi faze în sisteme omogene, stabilitatea termodinamică a sistemelor coloidale și o descriere cantitativă a adsorbției la interfață. Ideile despre structura stratului dublu electric dezvoltate în 1853 de G. Helmholtz au făcut posibilă explicarea fenomenelor electrocinetice și capilare. Crearea teoriei împrăștierii luminii de către J. Rayleigh a contribuit la studiul cantitativ al proprietăților optice ale sistemelor coloidale. Studiu
J. Perrin, T. Svedberg și R. Zsigmondy ale mișcării browniene bazate pe teoria creată în 1905 de A. Einstein și M. Smoluchowski, au făcut posibilă demonstrarea realității existenței moleculelor și corectitudinea conceptelor cinetice moleculare. În 1903, a descoperit fenomenul cromatografiei și a dezvoltat o metodă cromatografică pentru separarea și analiza amestecurilor de substanțe. Pe baza teoriei cinetice a adsorbției propusă în 1917 de I. Langmuir, au fost dezvoltate metode pentru studierea stării moleculelor de surfactant în straturile de adsorbție monomoleculară. În 1928, a descoperit reducerea rezistenței la adsorbție („efectul Rehbinder”) iar în anii 1940 – 50, pe baza dezvoltării acestei direcții și a studiilor de formare a structurii în sisteme disperse, a creat mecanica fizico-chimică. Teoria fizică a stabilității sistemelor coloidale a fost dezvoltată în 1937 împreună cu și independent de acestea de E. Verwey și J. Overbeck („Teoria DLVO”).

Principalele domenii de cercetare în chimia coloidală modernă sunt termodinamica fenomenelor de suprafață, studiul adsorbției substanțelor, proprietățile sistemelor dispersate, structura stratului dublu electric, crearea și îmbunătățirea metodelor coloido-chimice de analiză și cercetare. , etc.

I. FENOMENE CONFIDENTIALE

CAPITOLUL 1

CARACTERISTICI DE STRUCTURĂ ALE STRATULUI DE SUPRAFAȚĂ. TENSIUNEA DE SURFACE

1.1. Energia Gibbs de suprafață. Tensiune superficială

Această energie transmisă stratului de suprafață și care determină stabilitatea acestuia este, conform lui J. W. Gibbs, așa-numita energie de suprafață liberă G.S. , proporțional cu aria interfeței:

G.S. = s S , (1.1)

Unde s - coeficient de proporționalitate, numit coeficient de tensiune superficială. Sensul fizic s - energia de suprafață liberă pe unitatea de suprafață de interfață sau, cu alte cuvinte, munca de formare izotermă reversibilă pe unitatea de suprafață de interfață. dimensiunea SI s - J/m2.

1.2. Modalități de reducere a energiei de suprafață liberă

Orice sistem, inclusiv cele dispersate, tinde spre echilibru. Din cursul chimiei fizice se știe că în acest caz există întotdeauna o tendință la o scădere spontană a energiei Gibbs. G . Acest lucru se aplică și energiei de suprafață liberă a sistemelor dispersate G.S. .

Mai mult, în conformitate cu ecuația (1.1), scăderea G S poate fi realizată în următoarele moduri:

O) La o tensiune superficială constantă prin reducerea interfeței interfațale:

D G S = s D S .

Reducerea suprafeței interfeței poate fi efectuată, la rândul său, în două moduri:

Adoptarea spontană de către particule de formă geometrică care corespunde energiei minime de suprafață liberă. Astfel, în absența influențelor forțelor externe, o picătură de lichid ia forma unei mingi.

Combinație (agregare) de particule mici în altele mai mari (agregate). În acest caz, se obține un câștig de energie mult mai mare, deoarece la combinare interfața de fază scade foarte semnificativ.

b) La o zonă de interfață constantă prin reducerea tensiunii superficiale:

D G S = S D s .

1.3. Surfactanți

Substanțe organice cu asimetrice, difilic molecule care conțin atât grupări polare (hidrofile) cât și nepolare (lipofile). Grupările hidrofile (-OH, -COOH, - SO3H, - NH2 etc.) asigură afinitatea surfactanților în apă, în timp ce grupările hidrofobe (de obicei radicali hidrocarburi, atât alifatici cât și aromatici) asigură afinitatea surfactanților pentru mediile nepolare. Tensiunea superficială proprie a surfactantului trebuie să fie mai mică decât cea a solidului sau lichidului dat. În stratul de adsorbție de la limita de fază, moleculele amfifile sunt orientate în modul cel mai favorabil energetic: grupări hidrofile - spre faza polară, hidrofobe - către faza nepolară.

Grafic, o moleculă de surfactant este reprezentată de simbolul ¡¾¾¾, în care un cerc denotă o grupare hidrofilă și o linie desemnează una hidrofobă.

1.4. Clasificarea surfactanților

- După mărimea moleculară Surfactanții sunt împărțiți în greutate moleculară mare (de exemplu, proteine) și greutate moleculară mică (marea majoritate a agenților tensioactivi specificati în alte tipuri de clasificare).

- După tipul grupărilor hidrofile diferenţiaţi neionică (neionică) Și ionic (ionic) surfactant.

Substanțele neionice există în soluție sub formă de molecule nedisociate (de exemplu, Tweens sau sorbitali, alcooli).

Al doilea loc în importanță îl ocupă agenții tensioactivi neionici - alcoolii alifatici, eterii lor polioxietilenici de diferite naturi, lipidele.

- Comportament în soluție toți agenții tensioactivi sunt împărțiți în adevărat-solubilși coloidal (sau formatoare de miceli, MPAV). Prima grupă include un număr mare de compuși organici amfifili foarte solubili cu radicali hidrocarburi mici (alcooli, fenoli, acizi carboxilici inferiori și sărurile acestora, amine). Substanțele de acest tip există în soluție ca molecule sau ioni individuali, până la concentrații corespunzătoare solubilității lor.

1.5. Aplicarea surfactanților

Twin-80 Sulfanol

1.6. Izoterma tensiunii superficiale. Ecuaţie

Şişkovski

Dependența tensiunii superficiale a soluțiilor de surfactant de concentrația lor este exprimată la fiecare temperatură constantă dată prin izoterme. Vederea generală a unei astfel de izoterme este prezentată în Fig. 1.1. Izoterma tensiunii superficiale părăsește punctul s 0 pe axa y, care corespunde tensiunii superficiale a unui solvent pur. Odată cu creșterea concentrației de agent tensioactiv, tensiunea superficială scade treptat, tinzând spre o anumită valoare constantă minimă caracteristică fiecărui agent tensioactiv dat.

Orez. 1.1. Vedere generală a izotermei tensiunii superficiale

Izotermele tensiunii superficiale pot fi descrise folosind ecuația lui B. Shishkovsky (1908):

https://pandia.ru/text/78/117/images/image012_28.gif" width="204" height="29 src=">,

Unde s - tensiunea superficială a soluţiei de surfactant; D s - scaderea tensiunii superficiale a solutiei de surfactant cu concentratie CU comparativ cu s 0 - tensiunea superficială a unui solvent (de exemplu, apă) la o temperatură dată; O Şi b - constante. Constant O caracteristica fiecărei serii omoloage; coeficient b individual pentru fiecare surfactant individual.

1.7. Proprietăți surfactant: activitate de suprafață, hidrofil

echilibru lipofil

Semnul minus arată că, pe măsură ce concentrația de surfactant crește, tensiunea superficială a soluției sale scade.

Orez. 1.2. Determinarea activității suprafeței surfactantului prin izotermă

tensiune superficială

Pentru a-l găsi, se trasează o tangentă la izoterma tensiunii superficiale în punctul corespunzător s 0 .Linia tangenta se prelungeste pana intersecteaza axa concentratiei. Activitatea de suprafață este calculată ca tangente a unghiului de înclinare a tangentei la axa absciselor:

Pentru agenții tensioactivi care formează micele, activitatea de suprafață poate fi calculată folosind formula

https://pandia.ru/text/78/117/images/image017_20.gif" width="108" height="49 src="> ,

Unde ( b + Y n ) – afinitatea (energia de interacțiune Gibbs) a părții nepolare a moleculei de surfactant față de lichidul de hidrocarbură ( b – coeficient în funcție de natura surfactantului, Y - afinitate pe grup - CH2-, n - numărul de grupări - CH2- în radicalul hidrocarbură); O – afinitatea grupului polar pentru apă.

HLB = å numere de grup hidrofile +

+ å numerele grupelor hidrofobe + 7

Iată câteva numere de grup conform lui Griffin:

grupări hidrofile


grupări hidrofobe

În determinarea practică a HLB se folosesc așa-numitele puncte de referință, care sunt numerele HLB ale unor agenți tensioactivi: acid oleic - 1, trietanolamină - 12, oleat de sodiu - 18.

Deși conceptul de HLB este destul de formal, acesta permite să se determine aproximativ domeniile de aplicare a agenților tensioactivi. De exemplu: