iwbe.ru → Российские политики

Физическая и коллоидная химия. Применение коллоидных пав Классификация поверхностно-активных веществ

Методическое пособие

Тема: Изучение коллоидных растворов.

Дисциплина : Химия

Курс : 2

Семестр : 3

Составила : Поливанова Т.В., преподаватель химии, первой квалификационной категории

Москва

2015

Содержание:

Мотивация темы ………………… …..стр.4

Цели и задачи..………………………. .стр. 4

Информационный блок ……………... стр.5

Контролирующий блок ……………….стр. 18

1.Мотивация темы

Коллоидные системы широко распространены в природе. Белки, кровь, лимфа, углеводы, пектины находятся в коллоидном состоянии. Многие отрасли производства (пищевая, текстильная, резиновая, кожевенная, лакокрасочная, керамическая промышленности, технология искусственного волокна, пластмасс, смазочных материалов) связаны с коллоидными системами. Производство строительных материалов (цемент, бетон, вяжущие растворы) основано на знании свойств коллоидов. Угольная, торфяная, горнорудная и нефтяная промышленность имеют дело с дисперсными материалами (пылью, суспензиями, пенами). Особое значение коллоидная химия приобретает в процессах обогащения полезных ископаемых, дробления, флотации и мокрого обогащения руд. Фото- и кинематографические процессы также связаны с применением коллоидно-дисперсных систем.

К объектам коллоидной химии следует отнести все многообразие форм растительного и животного мира, в частности, типичными коллоидными образованиями являются мышечные и нервные клетки, клеточные мембраны, волокна, гены, вирусы, протоплазма, кровь. Поэтому ученый-коллоидник И.И.Жуков констатировал, что «человек по существу – ходячий коллоид». В свете этого, технологию лекарственных средств (мазей, эмульсий, суспензий, аэрозолей, порошков), действие различных лекарств на организм невозможно представить без знаний коллоидной химии.

2.Цели и задачи.

Цель: приобретение системных знаний о коллоидно-дисперсных системах в зависимости от признаков классификации, о методах получения, очистки и об устойчивости дисперсных систем и умение применять эти знания к конкретным системам, встречающиеся в биологических объектах.

Задачи:

образовательная:

ознакомить студентов с понятием дисперсные системы, коллоидные растворы.

ознакомить студентов с методами получения коллоидных растворов.

разъяснить студентам способы очистки коллоидных растворов, строение мицеллы.

ознакомить студентов со свойствами коллоидных растворов.

развивающая:

продолжить и расширить познавательную деятельность студентов, а также их представления о способах получения коллоидных растворов.

продолжить развивать и расширить представления студентов о диализе, электродиализе, ультрафильтрации, о составных частях коллоидной частицы, и их практическом значении в повседневной жизни.

воспитывающая:

продолжить воспитывать внимательность, наблюдательность, эстетические чувства, навыки работы с техникой.

Информационный блок.

Дисперсные системы – гетерогенные системы, в которых одно вещество (дисперсная фаза) равномерно распределено в другом (дисперсионная среда) . Свойства вещества в раздробленном (дисперсном ) состоянии значительно отличаются от свойств того же вещества, находящегося в виде твердого тела или некоторого объема жидкости.

Существует несколько различных классификаций дисперсных частиц: по размеру частиц, по агрегатному состоянию дисперсной фазы и дисперсионной среды, по характеру взаимодействия частиц дисперсной фазы с молекулами дисперсионной среды, по термодинамической и кинетической устойчивости.

В зависимости от размеров частиц дисперсной фазы а выделяют следующие дисперсные системы

Дисперсные системы

Размер частицы

Название

а ≤ 10 -9 м

Истинные растворы

а = 10 -9 –10 -7 м

Коллоидные системы

а ≥ 10 -7 –10 -5 м

Грубодисперсные системы

Классификация дисперсных систем по агрегатным состояниям дисперсной фазы и дисперсионной среды приведена в таблице

Классификация дисперсных систем

Дисперсная

фаза

Дисперсионная среда

Газ

Жидкость

Твердое тело

Газ

Не образуется

Пена

Твердая пена

Жидкость

Аэрозоль

Эмульсия

Твердая эмульсия

Твердое тело

Аэрозоль, порошок

Суспензия и золь

Твердый золь

Коллоидное состояние характерно для многих веществ, если их частицы имеют размер от 10ˉ 7 до 10ˉ 5 см. Суммарная их поверхность огромна, и она обладает поверхностной энергией, за счет которой может адсорбировать частицы из раствора. Образующаяся коллоидная частица называется мицеллой . Она имеет сложное строение и состоит из ядра, адсорбированных ионов, противоионов.

Если растворитель взаимодействует с ядром частицы, то образуются лиофильные коллоиды, если не взаимодействует – то лиофобные коллоиды.

Историческая справка

Обычно считают, что основателем коллоидной химии является английский ученый Томас Грэм(1805-1869), который в 50-60-е годы позапрошлого столетия ввел в обращение основные коллоидно-химические понятия. Однако не следует забывать, что у него имелись предшественники, и прежде всего – Яков Берцелиус, итальянский химик Франческо Сельми. В 30-е годы XIX века Берцелиус описал ряд осадков, проходящих при промывании через фильтр (кремниевая и ванадиевая кислоты, хлористое серебро, берлинская лазурь и др.). Эти проходящие через фильтр осадки Берцелиус назвал «растворами», но в то же время он указал на их близкое сродство с эмульсиями и суспензиями, со свойствами которых он был хорошо знаком. Франческо Сельми в 50-е годы XIX века продолжил работы в этом направлении, ища физико-химические различия между системами, образованными осадками, проходящими через фильтр (он назвал их «псевдорастворами») и обычными истинными растворами.

Английский ученый Майкл Фарадей (*) в 1857 г. синтезировал коллоидные растворы золота – взвесь Au в воде размерами частиц от 1 до 10 нм. и разработал методы их стабилизации.

Эти «псевдорастворы» рассеивают свет, растворенные в них вещества выпадают в осадок при добавлении небольших количеств солей, переход вещества в раствор и осаждение из него не сопровождаются изменением температуры и объема системы, что обычно наблюдается при растворении кристаллических веществ.

Томас Грэм развил эти представления о различии между «псевдорастворами» и истинными растворами и ввел понятие «коллоид». Грэм обнаружил, что вещества, способные к образованию студнеобразных аморфных осадков, такие как гидроокись алюминия, альбумин, желатина, диффундируют в воде с малой скоростью по сравнению с кристаллическими веществами (NaCl , сахароза). В то же время кристаллические вещества легко проходят в растворе через пергаментные оболочки («диализируют»), а студнеобразные вещества не проходят через эти оболочки. Принимая клей за типичный представитель студнеобразных не диффундирующих и не диализирующих веществ, Грэм дал им общее название «коллоид», т.е. клееобразный (от греческого слова колла – клей). Кристаллические вещества и вещества, хороши диффундирующие и диализирующие он назвал «кристаллоидами».

Мицелла и её строение

Коллоидная частица представляет собой ядро из малорастворимого вещества коллоидной дисперсности, на поверхности которого адсорбируются ионы электролита раствора. Ионы электролита обеспечивают устойчивость золя, поэтому данный электролит называют ионным стабилизатором. Значит, коллоидная частица представляет собой комплекс, состоящий из ядра, вместе с адсорбционным слоем противоионов. Агрегат частицы или ядро представляет собой вещество кристаллического строения, состоящий из сотен или тысячи атомов, ионов или молекул, окружённый ионами. Ядро вместе с адсорбированными ионами называется гранулой. Так гранула имеет определённый заряд. Вокруг неё собираются противоположно заряженные ионы, придающие ей в целом электронейтральность. Вся система, состоящая из гранулы и окружающих её ионов называется мицеллой и является электронейтральной. Жидкая фаза, окружающая мицеллу, называется интермицелярной жидкостью. Это можно представить в виде следующей краткой схемы:

гранула, т.е. коллоидная частица = ядро + адсорбционный слой + противоионный слой + диффузный слой

мицелла = гранула + противоионы

золь = мицеллы + интермицеллярная жидкость.

Рассмотрим в качестве примера золь As 2 S 3 (рис 7). Для получения данного золя на мышьяковую кислоту нужно подействовать сероводородом. Протекающую реакцию можно написать следующим образом:

2H 3 AsО 3 + 3H 2 S = As 2 S 3 + 6 H 2 О

Избыток H 2 S в данной системе играет роль ионного стабилизатора. H 2 S частично диссоциирует на ионы:

H 2 S↔ HS - + H +

Из этих ионов HS - ионы адсорбируются на поверхности ядра мицеллы As 2 S 3 , поэтому в этой системе:

[ As 2 S 3 ] n - агрегат

[ As 2 S 3 ] n , m HS - - ядро

{[ As 2 S 3 ] n , m HS - ,(m-x) Н + } - x - гранула

{[ As 2 S 3 ] n , m HS - ,(m-x) Н + } - x Н + - мицелла

Ядра мицелл имеют кристаллическое строение. Процесс образования коллоидных частиц был подробно исследован В.А. Каргиным и З.Я. Берестневой в 1953 году при помощи электронного микроскопа и создана новая теория. Согласно этой теории механизм образования коллоидной частицы происходит в два этапа: сначала образуются шарообразные частицы, находящиеся в аморфном состоянии, в дальнейшем же внутри аморфных частиц возникают мелкие кристаллы. Благодаря возникновению кристаллических структур внутри аморфных частиц создаётся напряжение и согласно минимуму внутренней энергии системы при соблюдении условий (∆Н<0, ∆S<0), |∆Н| >|Т∆S|, ∆G<0) происходит самопроизвольный процесс распада на множество мелких кристаллических частиц и эти кристаллы становятся центром мицеллы. Скорость кристаллизации для различных золей различна.

Методы получения коллоидных растворов

Коллоидные растворы могут быть получены:

1. Дисперсионными методами , основанными на дроблении, или диспергировании крупных частиц вещества до коллоидных размеров. Диспергирование можно проводить механическим измельчением, электрическим распылением и так далее.

К дисперсным методам относятся – процесс образования золей из гелей или рыхлых осадков при действии на них пептизаторов (в большинстве случаев электролитов), адсорбирующихся на поверхности коллоидных ядер и способствующих их взаимодействию с дисперсионной средой.

2. Конденсационными методами , основанными на агрегации молекул или ионов более крупные частицы. Агрегацию частиц можно осуществлять различными способами.

При конденсационном методе рост частиц прекращается задолго до образования термординамически устойчивой поверхности раздела. Поэтому коллоидные системы, независимо от способа получения, являются термодинамически неустойчивыми . Со временем, в результате стремления к термодинамически более выгодному состоянию, коллоидные системы прекращают существование вследствие коагуляции – процесса укрупнения частиц.

К физико-химической конденсации относится метод замены растворителя, который сводится к тому, что вещество, из которого предполагается получить золь, растворяют в соответствующем растворителе в присутствии стабилизатора (или без него) и затем раствор смешивают с избытком другой жидкости, в которой вещество нерастворимо. В результате образуется золь. Так получают золи серы, канифоли. За счет чего в данном случае возникает пресыщение.

Химический метод конденсации основан на реакциях, приводящих к возникновению твердого продукта.

а) Реакции восстановления.

Например, получение золей золота и серебра при взаимодействии солей этих металлов с восстановителями:

2KAuO2 + 3HCHO + K2CO3 → 2Au + 3HCOOK + KHCO3 + H2O.

{·nAuO2–·(n–x)К+}x–·xК+ – мицелла золя золота.

б) Реакции окисления.

Например, получение золя серы:

2Н2S + O2 → 2S + 2H2O.

Строение мицеллы полученного золя можно представить следующей формулой:

{ · nS5O62– · 2(n–x)H+} · 2xH+.

в) Реакции обмена. Например, получение золя сульфата бария.

При использовании реакций обмена состав мицелл зависит от того, в каком порядке сливают растворы реагентов!

г) Реакции гидролиза.

Например, красно-бурый золь гидроксида железа (III) получается, если в кипящую воду добавить небольшое количество хлорида железа (III): FeCl3 + H2O → Fe(OH)3 + 3HCl.

Строение мицеллы золя Fe(OH)3 в зависимости от того, какой ион является стабилизатором, может быть выражено формулами:

{ · nFeO+ · (n–x)Cl–}x+ · xCl–

или { · nFe3+ · 3(n–x)Cl–}3x+ · 3xCl–

или { · nH+ · (n–x)Cl–}x+ · xCl–.

Примером получения коллоидных систем кристаллизацией является кристаллизация из пересыщенного раствора сахарозы в производстве сахара. Процесс десублимации имеет место при образовании облаков, когда в условиях переохлажденного состояния из водяных паров образуются сразу кристаллики, а не капли воды.

Свойства коллоидных систем:

рассеивание света (опалесценция) (указывает на неоднородность, многофазность системы).

Опалесценция становится особенно заметной, если, как это делал Тиндаль ( через коллоидный раствор пропускать пучок сходящихся лучей, поставив между источником света и кюветой с раствором линзу. При этом растворы, прозрачные в проходящем свете, в боковом освещении проявляют все свойства мутных сред. В коллоидной жидкости, наблюдаемой сбоку, образуется яркий светящийся конус (конус Тиндаля).

медленная диффузия

малое осмотическое давление

коллоидные растворы способны к диализу, т.е. с помощью мембраны могут быть отделены от примесей

способны к коагуляции (разрушению) системы при: добавлении примесей, изменении Т, перемешивании и т.д.

иногда обнаруживают явление электрофореза, т.е. частицы в системе могут обладать зарядом.

Устойчивость коллоидных растворов

Различают кинетическую и агрегатную устойчивость коллоидных систем. Кинетическая устойчивость связана со способностью частиц дисперсной фазы к самопроизвольному тепловому движению в растворе, которое известно под названием броуновского движения. Такое хаотичное движение частиц препятствует их соединению. Обычно коллоидные растворы кинетически устойчивы, и разрушение их наступает только после того, как нарушается агрегатная устойчивость раствора.

Агрегатная устойчивость обусловлена тем, что на поверхности коллоидных частиц имеет место адсорбции ионов (молекул) из окружающей среды.

Вещество, адсорбирующееся на ядрах частиц и повышающее устойчивость коллоидных растворов, называется стабилизатором. При ионном стабилизаторе вокруг ядер мицелл возникают двойные электрические слои, затрудняющие их объединение. При молекулярном стабилизаторе на адсорбированных молекулах за счет межмолекулярных сил взаимодействия возникают сольватные оболочки (слои) из молекул дисперсионной среды, мешающие объединению частиц.

Разрушение коллоидных растворов

Процесс укрупнения коллоидных частиц, приводящий к уменьшению степени дисперсности диспергированного вещества, называется коагуляцией . Коагуляция, или слипание частиц, приводит к осаждению (седиментации) крупных агрегатов в виде осадка.

Снижение устойчивости коллоидных систем вызывают введением электролитов, которые изменяют структуру диффузного слоя ионов. Причем коагулирующим действием в электролите обладают только те ионы, (коагуляторы), которые несут заряд, по закону одноименной с зарядом противоиона коллоидной частицы. Коагулирующее действие иона коагулятора тем больше, чем больше его заряд.

Коагуляция – самопроизвольный процесс, возникающий из-за стремления системы перейти в состояние с более низкой поверхностной энергией и более низким значением изобарного потенциала. Процесс седиментации скоагулированного вещества также протекает самопроизвольно. Коагуляция может быть обусловлена различными причинами, наиболее эффективно действие электролитов. Минимальная концентрация электролита в растворе, вызывающая коагуляцию, называется порогом коагуляции. Коагуляция также возникает при смещении двух золей с различными знаками зарядов частиц. Это явление называется взаимной коагуляцией.

Способ очистки коллоидных растворов

методом диализа

При получении коллоидных систем в их составе кроме дисперсной фазы в большом количестве присутствуют кислоты, основания и соли. Для обеспечения устойчивости коллоидного раствора должно содержатся некоторое количество электролита в растворе, однако лишнее количество электролита следует удалить. Удаление лишнего количества электролита из коллоидного раствора называется очисткой коллоидного раствора от электролита. При очистке коллоидных растворов используются методы диализа, ультрафильтрации, электродиализа.

Особенность диализа состоит в том, что коллоидный раствор и присутствующие в нём электролиты отделяются от чистого растворителя (воды) при помощи полупроницаемой мембраны (рис. 4). Молекулы и ионы, способные проходить через такую мембрану будут переходить в раствор, пока не установится равновесие между концентрациями молекул и ионов по обе стороны мембраны. Периодически меняя растворитель можно до определённой степени очистить золь от примесей. Для диализа обычно используют плёнки из коллодия, также перегородки, изготовленные из ацетилцеллюлозы, целлофана и других материалов. Наряду с этим используются и природные плёнки, например, стенки мочевого пузыря.

В сосуд, затянутый мембраной (В) наливают коллоидный раствор (А), после чего он погружается в сосуд, наполненный чистой водой (С). Вода в наружном сосуде перио-дически меняется, т.е. используется проточный диализатор с непрерывной сменой воды. Стенки мочевого пузыря или других мембран имеют очень мелкие отверстия (диаметр их 20-30 мкм). Сквозь эти отверстия могут проходить молекулы или ионы, но не коллоидные частицы. Электролиты, содержащиеся в золе диффундируя в воду, вымываются из коллоидного раствора через мембрану. Сменяя воду можно очистить до определённой степени коллоидный раствор.

методом электродиализа

При электродиализе диализ ускоряется действием электрического тока. Между двумя мембранами М 1 и М 2 помещают коллоидный раствор, который нужно очистить от электролитов (рис. 5). В боковых частях сосуда, в которых непрерывно пропускается чистая вода (растворитель), находятся электроды. При пропускании электрического тока, положительно заряженные ионы направляются к катоду, а отрицательно заряженные к аноду. Ионы электролита, пройдя через мембрану, собираются в той части сосуда, где установлены электроды. Очищенный золь остаётся в средней части сосуда между двумя мембранами. Этот метод используется в основном при очистке органических коллоидов. В промышленности он широко применяется для получения в чистом виде желатина, клея.

методом ультрафильтрации

Коллоидные растворы можно очистить путём фильтрации их через полупроницаемые мембраны. Ультрафильтр состоит из воронки Бюхнера (1), мембраны (2), колбы Бюнзена (3) и насоса (4) (рис.6). Для ускорения ультрафильтрацию проводят под давлением. Используя определённую мембрану можно очистить фильтрацией коллоидный раствор от электролита, а также золи друг от друга. Для этого диаметры отверстия мембраны должны быть крупнее частиц одного золя, и меньше частиц другого золя.

Использование в медицине

В медицине коллоидные растворы применяются повсеместно. Вот несколько примеров их использования. представляющее собой мелкие частицы металла, диспергированные в воде, применяется при лечении ожогов, и двенадцатиперстной кишки, для промывания слизистой носа в целях предотвращения распространения вирусных инфекций.

Фармацевтическая промышленность предлагает большой выбор коллоидных растворов для различных целей. Среди них встречают универсальные средства, которые можно применять как ранозаживляющие при ожогах, геморрое; противовоспалительные – при насморке, ангине, гайморите; анальгетики – для снятия зубной боли и не только. К таковым относится коллоидный раствор «Миллениум». В состав геля входит алоэ, белок пшеницы, женьшень, витамин Е и прочие полезные добавки. Многие фармацевтические средства для наружного применения на самом деле являют собой коллоидный раствор. Для суставов, например, используется "Артро Комплекс", содержащий такой полезный компонент, как акулий хрящ.

Применение в быту и промышленности

Коллоидные растворы составляют основу моющих и чистящих ПАВов. Загрязнения проникают внутрь мицеллы и таким образом удаляются с поверхности.

Другой важный аспект применения мицеллообразующих ПАВов – производство полимеров, в частности латексов, поливинилового спирта, клеев растительного происхождения. Различные пластмассы, кожзаменители получены на основе эмульсии. ПАВы применяются также при очистке и питьевой воды.

Преимущества косметики на основе коллоидных растворов заключаются в проникновении действующих веществ через кожные покровы человека и структуру волос. Такие средства эффективно используются против старения. К ним относится, в частности, гель «Миллениум Нео». Коллоидный раствор помогает содержащимся в нем компонентам достичь глубоких слоев кожи, минуя эпидермис.

Литература:

Пустовалова Л.М., Никанорова И.Е. Общая химия. – Ростов н/Д: Феникс, 2006. – 478 с.

Стромберг А.Г., Семченко Д.П. Физическая химия. – М.: Высшая школа, 2003. – 527 с.

Евстратова К.И., Купина Н.А., Малахова Е.Е. Физическая и коллоидная химия. – М.: Высшая школа, 1990. – 487 с.

Болдырев А.И. Демонстрационные опыты по физической и коллоидной химии. – М.: Высшая школа, 1976. – 256 с.

Контролирующий блок

Тест по теме: «Дисперсные системы»

Рассмотрите рисунок, изображающий дисперсную систему. Назовите ее основные компоненты:

Биологическим гелем является:

хрящ

воздух

облака

речная вода

3 .

Распределите дисперсные системы на отдельные группы в зависимости от агрегатного состояния дисперсной фазы и дисперсионной среды: жидкие среды организма, песчаные бури, воздух, попутный газ с капельками нефти, крем, пены, цветные стекла, текстильные ткани, шипучие напитки, медицинские и косметические средства, пористый шоколад, молоко, кирпич и керамика, природный газ, влажная почва, горные породы, строительные растворы, пасты, смог, порошки, нефть, пыль в воздухе, гели, дымы, сплавы, туман, золи.

Среда Фаза

Г – газообразное вещество; Ж – жидкое вещество; Т – твердое вещество

Сходство суспензий и эмульсий заключается в том, что:

это гетерогенные системы

частицы видны не вооруженным глазом

они легко осаждаются

все ответы верны

Эмульсией является:

молоко

пена

желе

туман

К грубодисперсным системам относится:

раствор

золь

суспензия

гель

Дисперсной фазой керамических изделий является:

1) твердое вещество

2) газ

3) жидкость

4) зависит от вида керамического изделия

К эмульсиям относится:

1) крем

2) речной ил

3) цветное стекло

4) текстильные ткани

Дисперсная фаза шипучих напитков:

1) азот

2) вода

3) углекислый газ

4) кислород

10.

Укажите рисунок, иллюстрирующий эффект Тиндаля в коллоидном и истинном растворах:

11.

Аэрозолем является:

1) пудра

2) пылевое облако

3) лак для волос

4) все ответы верны

12.

Хроматография – это:

способ разделения неоднородных смесей

вид дисперсной системы

дисперсионная среда

способ разделения однородных смесей

13.

Эмульсия - это система, образованная:

1) твердым веществом и газом

2) двумя различными жидкостями

3) жидкостью и газом

4) жидкостью и твердым веществом

14.

Установите соответствие между примерами дисперсных систем и их названием:

ДИСПЕРСНАЯ СИСТЕМА

ПРИМЕР

1) суспензия

А) молоко

2) эмульсия

Б) яичный белок

3) коллоидный раствор

В) взвесь ила

4) раствор

Г) раствор сахара

ЭТАЛОНЫ ОТВЕТОВ

ГЛАВА 1

ОСОБЕННОСТИ СТРОЕНИЯ ПОВЕРХНОСТНОГО СЛОЯ. ПОВЕРХНОСТНОЕ НАТЯЖЕНИЕ

1.1. Поверхностная энергия Гиббса. Поверхностное натяжение

Межфазная поверхность может существовать только при наличии в системе жидкой или твёрдой фазы. Именно они определяют форму и строение поверхностного слоя - переходной области от одной фазы к другой.

Любое твёрдое или жидкое вещество в простейшем случае состоит из молекул одного вида. Однако состояние тех молекул, которые находятся на поверхности, отличается от состояния молекул, находящихся в объёме твёрдой или жидкой фазы, поскольку они не со всех сторон окружены другими подобными им молекулами. Поверхностные молекулы втягиваются внутрь жидкости или твёрдого тела, потому что испытывают большее притяжение со стороны молекул, находящихся в объёме конденсированной фазы, чем со стороны молекул газа по другую сторону поверхности. Это притяжение заставляет поверхность сокращаться, насколько это возможно, и приводит к возникновению некоторой силы в плоскости поверхности, называемой силой поверхностного натяжения .

Поэтому жидкие и твёрдые тела самопроизвольно приобретают минимальный возможный объём и практически не поддаются сжатию, а их растяжение и разрыв требуют значительных затрат энергии.

Эта энергия, придаваемая поверхностному слою и определяющая его устойчивость, представляет собой, согласно Дж. У. Гиббсу, так называемую свободную поверхностную энергию G S , пропорциональную площади поверхности раздела фаз:

G S =  S , (1.1)

где  - коэффициент пропорциональности, называемый коэффициентом поверхностного натяжения . Физический смысл  - свободная поверхностная энергия, приходящаяся на единицу площади поверхности раздела фаз или, иначе, работа обратимого изотермического образования единицы площади поверхности раздела фаз. Размерность СИ  - Дж/м 2 .

Поверхностное натяжение можно также рассматривать как силу, действующую на единицу длины контура поверхности, и стремящуюся сократить поверхность до минимума при данном соотношении объёмов фаз. В этом случае размерность  удобнее выражать в Н/м.

Существованием поверхностного натяжения объясняются такие хорошо известные факты: капли воды не проникают сквозь мелкие отверстия и промежутки между нитями зонтовых или палаточных тканей; водяные пауки и насекомые могут бегать по поверхности воды, поддерживаемые невидимой поверхностной пленкой, капли дождя или тумана приобретают шарообразную форму и т. п.

При дроблении твёрдого или жидкого тела возрастает суммарная межфазная поверхность, благодаря чему всё бóльшая часть его молекул оказывается на поверхности, а доля молекул, находящихся в объёме, уменьшается. Поэтому, чем меньше частицы, тем бóльшая доля термодинамических функций, в том числе и энергии Гиббса частицы, принадлежит поверхностным молекулам.
1.2. Пути уменьшения свободной поверхностной энергии
Любые системы, в том числе и дисперсные, стремятся к равновесию. Из курса физической химии известно, что при этом всегда имеется тенденция к самопроизвольному уменьшению энергии Гиббса G . Это относится и к свободной поверхностной энергии дисперсных систем G S .

При этом в соответствии с уравнением (1.1) уменьшение G S может достигаться такими путями:

а) При неизменной величине поверхностного натяжения за счёт уменьшения межфазной поверхности раздела:

G S =   S .

Уменьшение площади поверхности раздела может, в свою очередь, осуществляться тоже двумя способами:

 Самопроизвольное принятие частицами такой геометрической формы, которая отвечает минимуму свободной поверхностной энергии. Так, при отсутствии внешних силовых воздействий капля жидкости принимает форму шара.

 Объединение (агрегация) мелких частиц в более крупные (агрегаты). В этом случае достигается гораздо бóльший энергетический выигрыш, так как при объединении поверхность раздела фаз уменьшается очень значительно.

Отсюда следует, что, обладая большим запасом поверхностной энергии, дисперсные системы принципиально агрегативно неустойчивы и стремятся к самопроизвольному уменьшению степени дисперсности путём объединения частиц дисперсной фазы.

б) При неизменной площади поверхности раздела фаз за счёт уменьшения поверхностного натяжения:

G S = S  .

Во многих случаях, в том числе и при изготовлении лекарственных форм, когда требуется поддержание неизменных размеров частиц дисперсной фазы в системе, уменьшение межфазного поверхностного натяжения является наиболее важным, а часто единственным способом сохранения степени дисперсности.

Уменьшение поверхностного натяжения достигается введением в дисперсную систему поверхностно-активных веществ (ПАВ ), которые обладают способностью концентрироваться (адсорбироваться) на поверхности раздела фаз и своим присутствием уменьшать поверхностное натяжение.

1.3. Поверхностно-активные вещества

Способностью понижать поверхностное натяжение обладают органические вещества с несимметричными, дифильными молекулами, в которых имеются как полярные (гидрофильные), так и неполярные (липофильные) группы. Гидрофильные группы (-ОН, -СООН, -SO 3 H, -NH 2 и т. п.) обеспечивают сродство ПАВ в воде, гидрофобные (обычно углеводородные радикалы, как алифатические, так и ароматические)  сродство ПАВ к неполярным средам. Собственное поверхностное натяжение ПАВ должно быть меньше, чем у данного твёрдого тела или жидкости. В адсорбционном слое на границе фаз дифильные молекулы ориентируются энергетически наиболее выгодным образом: гидрофильные группы - в сторону полярной фазы, гидрофобные - в сторону неполярной.

Графически молекула ПАВ изображается символом  , в котором кружок обозначает гидрофильную группу, а черта - гидрофобную.

1.4. Классификация поверхностно-активных веществ
 По размерам молекул ПАВ подразделяют на высокомолекулярные (например, белки) и низкомолекулярные (подавляющее большинство ПАВ, указанных в других типах классификации).

 По типу гидрофильных групп различают неионные (неионогенные ) и ионные (ионогенные ) ПАВ.

Неионогеные существуют в растворе в виде недиссоциированных молекул (например, твины или сорбитали, спирты).

Ионогенные диссоциируют в растворе на ионы, одни их которых собственно и обладают поверхностной активностью, а другие - нет. В зависимости от знака заряда поверхностно-активного иона ПАВ делят на катион-активные , анион-активные и амфотерные .

На практике чаще всего используются анионактивные ПАВ: карбоновые кислоты и их соли (мыла), алкилсульфаты, алкилсульфонаты, алкиларилсульфонаты, фенолы, танниды и др.

Второе место по значению занимают неионные ПАВ - алифатические спирты, их полиоксиэтиленовые эфиры различной природы, липиды.

Значительно меньшая, но постоянно возрастающая доля в производстве ПАВ приходится на катионактивные (главным образом производные алкиламинов, первичных, вторичных и третичных) и амфотерные ПАВ (например, аминокислоты, белки). К катионактивным ПАВ относятся и многие алкалоиды

 По поведению в растворе все ПАВ делят на истинно-растворимые и коллоидные (или мицеллообразующие , МПАВ). К первой группе относится большое число хорошо растворимых в воде дифильных органических соединений с небольшими углеводородными радикалами (спирты, фенолы, низшие карбоновые кислоты и их соли, амины). Вещества этого типа существуют в растворе в виде отдельных молекул или ионоввплоть до концентраций, соответствующих их растворимости.

Особый интерес представляют коллоидные поверхностно-активные вещества. Именно они наиболее широко используются на практике, в том числе для стабилизации дисперсных систем и в первую очередь подразумеваются под термином ПАВ. Их главной отличительной особенностью является способность образовывать термодинамически устойчивые (лиофильные ) гетерогенные дисперсные системы - мицеллярные растворы ПАВ . Минимальное число атомов С в молекулах МПАВ – 8 – 12, т. е. эти соединения имеют достаточно большой углеводородный радикал.
1.5. Применение поверхностно-активных веществ

ПАВ используются как флотореагенты, диспергаторы, эмульгаторы, моющие средства, компоненты пожаротушащих составов, косметических средств и др. ПАВ играют важную роль в биологических процессах.

В фармации ПАВ используют главным образом в виде медицинских мыл и стабилизаторов таких лекарственных форм, как эмульсии, суспензии, коллоидные растворы, солюбилизированные системы.

Медицинские мыла применяются как моющие, дезинфицирующие и дерматологические средства. Они являются смесями обычного натриевого и калиевого мыла с красителями, отдушками и теми или иными дезинфицирующими или лекарственными средствами (например, зеленое мыло, дегтярное, ихтиоловое, карболовое, серное, хлорфеноловое, сульсеновое мыла).

В качестве стабилизаторов лекарственных форм в фармации используются такие высокомолекулярные природные ПАВ, как белки (в т. ч. желатин), камеди, низкомолекулярные природные вещества - сапонины, пальмитат, лаурат натрия или калия а также синтетические ПАВ - твины (сорбитали) и др.

Моющие средства, широко применяющиеся в быту (собственно мыла, шампуни, средства для мытья посуды, стиральные порошки и т. п.) изготавливаются на основе таких ПАВ, как стеарат, олеат и пальмитат натрия (или калия), а также производные сульфанола (пара -додецилбензолсульфоната натрия).

Твин-80 Сульфанол

1.6. Изотерма поверхностного натяжения . Уравнение

Шишковского
Зависимость поверхностного натяжения растворов ПАВ от их концентрации выражается при каждой данной постоянной температуре изотермами. Общий вид такой изотермы показан на рис. 1.1. Изотерма поверхностного натяжения выходит из точки  0 на оси ординат, которая отвечает поверхностному натяжению чистого растворителя. С повышением концентрации ПАВ поверхностное натяжение плавно снижается, стремясь к некоторому минимальному постоянному значению, характерному для каждого данного ПАВ.

Рис. 1.1. Общий вид изотермы поверхностного натяжения
Изотермы поверхностного натяжения могут быть описаны с помощью уравнения Б. Шишковского (1908):

где  - поверхностное натяжение раствора ПАВ;  - понижение поверхностного натяжения раствора ПАВ с концентрацией С по сравнению с  0 - поверхностным натяжением растворителя (например, воды) при данной температуре; а и b - константы. Константа а характерна для каждого гомологического ряда; коэффициент b индивидуален для каждого отдельного ПАВ.

1.7. Свойства ПАВ: поверхностная активность , гидрофильно-

липофильный баланс

Способность поверхностно-активных веществ понижать поверхностное натяжение может быть охарактеризована поверхностной активностью , которая зависит, главным образом, от длины углеводородного радикала в молекуле ПАВ. Поверхностная активность представляет собой производную поверхностного натяжения раствора ПАВ по его концентрации

Знак «минус» показывает, что при увеличении концентрации ПАВ поверхностное натяжение его раствора уменьшается.

Для истинно-растворимых ПАВ поверхностная активность определяется по начальному участку изотермы поверхностного натяжения (рис. 1.2) при концентрации, стремящейся к нулю.

Рис. 1.2. Определение поверхностной активности ПАВ по изотерме

поверхностного натяжения

Для её нахождения проводится касательная к изотерме поверхностного натяжения в точке, соответствующей  0 . Касательная продлевается до пересечения с осью концентраций. Поверхностная активность вычисляется как тангенс угла наклона касательной к оси абсцисс:

Для мицеллообразующих ПАВ поверхностная активность может быть рассчитана по формуле

где  0 и  мин - соответственно поверхностное натяжение чистого растворителя и наименьшее постоянное значение поверхностного натяжения при достижении критической концентрации мицеллообразования (см. п. 1.8).

Зависимость поверхностной активности от строения молекул поверхностно-активных веществ описывается правилом П. Э. Дюкло  И. Траубе:

Увеличение длины углеводородного радикала в молекуле ПАВ на одну группу -СН 2 приводит к возрастанию поверхностной активности в 3 – 5 раз (приблизительно в 3,2 раза) .

Это правило соблюдается в основном для водных растворов истинно растворимых ПАВ, таких, как низшие карбоновые кислоты и алифатические спирты. Для органических сред правило Дюкло - Траубе обращается, т. е. поверхностная активность с увеличением длины углеводородного радикала снижается.

Другой важной количественной характеристикой ПАВ является гидрофильно-липофильный баланс (ГЛБ ). Он выражается безразмерными числами  :

где (b +  ) – сродство (энергия Гиббса взаимодействия) неполярной части молекулы ПАВ к углеводородной жидкости (b – коэффициент, зависящий от природы ПАВ,  - сродство в расчёте на одну группу СН 2 ,  - число групп СН 2  в углеводородном радикале); а – сродство полярной группы к воде.

Чем выше гидрофильность ПАВ, тем больше его ГЛБ. Существует шкала чисел ГЛБ (Д. Дэвис, 1960-е гг.; Гриффин) в пределах от 1 до 40. Число ГЛБ по этой шкале может быть вычислено по сумме групповых чисел, приписываемых каждой группе атомов, входящей в молекулу ПАВ:

ГЛБ =  гидрофильных групповых чисел +

+  гидрофобных групповых чисел + 7

Приведём некоторые групповые числа по Гриффину:

гидрофильные группы
СООК	COONa	COOH	OH	=O
21,1	19,1	2,4	1,9	1,3
гидрофобные группы
=CН	СН 2 	СН 3	=С=
0,475	0,475	0,475	0,475

При практическом определении ГЛБ используют так называемые реперные точки, которыми являются числа ГЛБ некоторых ПАВ: олеиновая кислота - 1, триэтаноламин - 12, олеат натрия - 18.

Хотя понятие ГЛБ и является достаточно формальным, оно позволяет ориентировочно определять области применения ПАВ. Например:

1.8. Мицеллообразование в растворах МПАВ . Критическая

концентрация мицеллообразования. Солюбилизация
Мицеллообразующие ПАВ при малых концентрациях существуют в растворах в виде отдельных молекул или ионов. При увеличении концентрации раствора их молекулы (ионы) ассоциируют друг с другом, образуя вначале димеры, тримеры и другие ассоциаты. После превышения некоторой, характерной для каждого данного ПАВ, концентрации, называемой критической концентрацией мицеллообразования (ККМ), МПАВ существуют в растворе в виде особого рода образований, называемых мицеллами. Для большинства ПАВ ККМ лежит в пределах 10  5  10  2 моль/л.

Под мицеллой ПАВ понимают агрегат дифильных молекул, лиофильные группы которых обращены к соответствующему растворителю, а лиофобные соединяются друг с другом, образуя ядро мицеллы. Процесс мицеллообразования обратим, так как при разбавлении раствора мицеллы распадаются на молекулы и ионы.

В водных растворах при концентрациях, ненамного превышающих ККМ, образуются сферические мицеллы ("мицеллы Гартли"). Внутренняя часть мицелл Гартли состоит из переплетающихся углеводородных радикалов, а полярные группы молекул ПАВ обращены в водную фазу. Диаметр таких мицелл приблизительно равен удвоенной длине молекул ПАВ. Число молекул в мицелле (степень агрегации) растёт до какого-то предела (обычно 30 - 100 молекул), после чего с дальнейшим ростом концентрации не изменяется, но число мицелл увеличивается.

При более высоких концентрациях мицеллы Гартли взаимодействуют друг с другом, что приводит к их деформации. Они могут принимать цилиндрическую, дискообразную, палочкообразную, пластинчатую форму (“мицеллы Мак-Бена”). При концентрациях примерно в 10 - 50 раз больше ККМ (т. н. ККМ 2) мицеллы приобретают цепочечную ориентацию и вместе с молекулами растворителя способны образовывать студнеообразное тело. При добавлении к таким концентрированным мицеллярным растворам ПАВ нейтральных солей - NaCl, КCl, NH 4 NO 3 и т. п., - соли отнимают у мицелл воду, входящую в гидратную оболочку (дегидратируют мицеллы), и облегчают объединение мицелл. При этом ПАВ в зависимости от плотности выпадает в осадок или всплывает на поверхность. Такое выделение ПАВ из мицеллярных растворов называется высаливанием .

В неводных средах при мицеллообразовании возникают "обращённые" мицеллы, в центральной части которых находятся полярные группы, окружённые по периферии слоем углеводородных радикалов. Такие мицеллы обычно содержат значительно меньше молекул ПАВ (30 - 40), чем в водных средах.

При добавлении к мицеллярным растворам ПАВ нерастворимых в данной среде веществ, в особенности жидких, и при перемешивании возможна солюбилизация , то есть проникновение молекул этих веществ внутрь мицелл. Так, углеводороды и жиры солюбилизируются водными растворами мыл и белков (прямая солюбилизация), вода и полярные вещества - мицеллярными растворами ПАВ в неполярных органических растворителях (обратная солюбилизация).

Явление солюбилизации используется в технологии лекарств для приготовления жидких лекарственных форм из веществ, нерастворимых в воде. Такие лекарственные формы называются солюбилизированными, а нерастворимые в воде лекарственные вещества (например, жирорастворимые витамины), входящие в состав мицелл – солюбилизатами. Однако применять таки лекарственные формы следует с осторожностью, так как при их разбавлении мицеллы ПАВ будут распадаться, что приведёт к выделению крупных капель или крупинок солюбилизата.

Понять что собой представляет коллоидная защита и какое отношение она имеет к простому человеку довольно не просто. Всемирная сеть переполнена разнообразными научными статьями в отрасли химии и анатомии. Однако разобраться в этом непростом вопросе было бы полезно каждому из нас, ведь мы ежедневно сталкиваемся с данным явлением.

Коллоидная защита это свойство предохранения коллоидных систем от коагуляции. Для того чтобы понять данное определение необходимо разобраться во всех терминах по порядку.

Коллоидные системы и что это такое

Во-первых, необходимо понять, что представляет собой коллоидная система. Это образование либо вещество, которое имеет в своём составе несколько компонентов. Частицы компонентов прибывают в разных фазах либо состояниях. В природе существует три основных состояния: твердое, жидкое, газообразное.

Существует несколько типов коллоидных систем:

жидкие аэрозоли (к примеру, туман);
твердые аэрозоли (перистые облака);
пена (мыльная пена);
твердая пена (пенопласт);
эмульсия (молоко);
твердая паста (жемчуг);
золи либо растворы (зубная паста);
твердая суспензия (пластмасса).

Зачастую в природе коллоидные системы представлены как жидкие растворы, в которых есть твердые частицы.

Раствором является однородная смесь, которая состоит из нескольких компонентов. Все они прибывают в одной фазе либо агрегатном состоянии. Для раствора присуще жидкое агрегатное состояние. Коллоидным раствором называют вещества, которые имеют в своем составе твердые частицы. Их размер настолько мал, что не превышает 0,1 микрона. Хотя при желании, частицы может увидеть даже простой человек. Необходимо всего лишь поднести раствор в прозрачном сосуде под прямые солнечные лучи. Именно они помогут увидеть неоднородность структуры. Подводя итог, можем сказать, что коллоидный раствор – это жидкость, которая состоит из нескольких компонентов, одним из которых являются твердые частицы.

Загадочная коагуляция

Следующий непонятный термин в определении — коагуляция. Перевод данного слова с латыни означает ни что иное, как сгущение либо свёртывание. Если максимально упростить научное значение, то коагуляцией является процесс объединения либо слипания твердых частичек во время соприкосновения. Толчком для начала подобной реакции может быть естественное соударение в момент броуновского движения частиц, влияние электрического поля, либо механическое воздействие (к примеру, вибрация либо активное перемешивание).

Большинство из нас даже не задумывается, как часто сталкивается с процессом коагуляции в повседневной жизни. Видя прокисшее молоко, хорошей хозяйке и в голову не придёт, что она наблюдает процесс коагуляции. Основными признаками коагуляции являются:

появление осадка;
увеличение мутности жидкости;
хлопьевидные образования.

Коагуляция широко применяется в медицине. К примеру, это прекрасный способ борьбы с сосудистыми звездочками на лице и теле. Современные косметологи воздействуют на сосуд лазером, что становиться причиной его слипания. Со временем он вовсе рассасывается.

Необходимо отметить, что коагуляция является природным явлением, а не изобретением человечества. Современные ученые лишь нашли применение этому чуду.

Широко используется данная методика в промышленности. К примеру, вы никогда не задумывались над тем как работают наши фильтры для очистки воды? Фильтр состоит из вещества, способного присоединять к своим молекулам нежелательные частицы загрязнений, при этом, не вступая в реакцию с молекулами воды.

На данном этапе вполне можно подвести черту, что коллоидная защита это свойство нескольких компонентов раствора, в том числе и твердых частиц, не склеиваться и объединятся между собой, а оставаться независимыми.

Необходимо заметить, что есть одно условие, при котором коллоидная защита сохраняет свои свойства – наличие небольшого количества высокомолекулярных веществ. Это значит, что для того чтобы частицы не объединялись между собой необходимо наличие защитных веществ, то есть тех которые будут препятствовать слипанию, в составе раствора. К примеру, таковыми являются белки, крахмал, агар-агар и другие.

Коллоидная защита в организме человека

По своей сути человек всецело состоит из коллоидных систем, которые существуют только при условии наличия коллоидной защиты. Прекрасными примерами данных систем является кровь и обычная маленькая клетка.

Каждая клеточка нашего организма состоит из ядра, лизосомы, рибосомы, комплекса Гольджи, гиалоплазмы и мембраны. Защитным веществом, которое предотвращает склеивание компонентов клетки между собой, является белок, за синтез которого отвечает ядро. Гиалоплазма это основа коллоидной системы, попросту говоря жидкость. Все остальные компоненты можно условно назвать твердыми частицами. Они эффективно выполняют свои функции только при условии независимости друг от друга.

Вторым ярким примером коллоидной системы является кровь. В данном случае жидкой средой выступает плазма, которая состоит из воды, белка, аминокислот, поли- и моносахаридов, а также многое другое. Частицы, которые не должны слипнуться – это эритроциты, тромбоциты, лейкоциты.

Также белок, который содержится в плазме, предотвращает объединение капелек жиров холестерина. В случае если коллоидная защита кровеносной системы ослабнет, холестерин будет скапливаться, объединятся и откладывается на стенках сосудов и внутренних органов.

Конечно, с точки зрения ученых, данное описание довольно условно и сомнительно. Однако оно поможет разобраться обычному человеку в основных принципах действия коллоидной защиты.

Коллоидная защита в фармацевтике. Коллоидное серебро

Как уже было сказано ранее, учеными широко используется явление коллоидной защиты в промышленности, медицине, косметологии, пищевой отрасли, а также фармацевтике. Наиболее популярной разработкой последней является коллоидное серебро.

С давних времен лекарям и химикам известно об антибактериальном свойстве серебра. Воспользовавшись явлением коллоидной защиты, ученые разработали пищевые растворы с добавлением ионов серебра, объединению которым препятствуют защитные вещества. Таким образом, появилась возможность перорально применять серебро. Коллоидное серебро используется в качестве природного антибиотика. Существуют эксперименты применения серебра в борьбе с раком, СПИДом, туберкулезом, при заболеваниях мочеполовой системы.

Не стоит забывать, что серебро – это тяжелый металл, потому оно достаточно медленно выводится из организма человека, а также обладает накопительным эффектом. Ионы серебра с легкостью всасываются в кровеносную систему, попадая в желудочно-кишечный тракт. Печень, кожные покровы, слизистые, почки, селезенка, костный мозг, стенки капилляров, эндокринные железы, хрусталик и роговица глаза имеют свойство накапливать и откладывать ионы серебра. Со временем чрезмерное скопление серебра в организме человека может вызвать «аргиоз». Данное заболевание проявляется в изменении цвета глаз, кожи и слизистых.

На данный момент в большинстве стран запрещено пероральное и внутривенное употребление коллоидного серебра. Несмотря на лечебные свойства, которыми наделила природа серебро, оно является опасным для человеческого организма. Так как коллоидное серебро абсолютно доступно на фармацевтическом рынке, только вам решать употреблять его либо воздержаться.

Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже

Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Министерство здравоохранения Российской Федерации

Государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования

Пермская государственная фармацевтическая академия

Кафедра Фармацевтическая Технология

Курсова я работа

На тему: «Применение высокомолекулярных веществ в фармации»

Выполнила: студентка 4 курса 44 группы

Осав Ифуеко Франсес

Руководитель: Кожухарь Вячеслав Юрьевич

г. Пермь, 2015

Введение

1. Классификация высокомолекулярных веществ

2. Применение ВМB в фармации

3. Характеристика ВМB

4. Свойства растворов ВМB

5. Факторы, вызывающие нарушение устойчивости растворов ВМВ. Виды неустойчивости

6. Блок-схема технологии и контроля качества растворов ВМВ и защищенных коллоидов

7. Технология растворов ВМВ

8. Характеристика коллоидных растворов

9. Свойства коллоидных растворов

10. Факторы, вызывающие нарушение устойчивости растворов защищенных коллоидов

11. Характеристика защищенных коллоидов

12. Технология растворов защищенных коллоидов

13. Растворы полуколлоидов

14. Оценка качества и хранение растворов ВМВ и защищенных коллоидов

15. Совершенствование растворов ВМВ и защищенных коллоидов

Литература

Введение

Стремительное развитие химии высокомолекулярных веществ (ВМВ) в последнее время способствует их широкому использованию в различных отраслях промышленности. Особый интерес представляет применение ВМВ в фармации.

В фармацевтической практике ВМВ применяются в качестве лекарственных (белки, гормоны, ферменты, полисахариды, растительные слизи и т.д.), и вспомогательных веществ, таро-укупорочных материалов. Вспомогательные вещества широко используются в качестве стабилизаторов, эмульгаторов, формообразователей, солюбилизаторов для создания более стойких дисперсных систем при производстве различных лекарственных форм: суспензий, эмульсий, мазей, аэрозолей и т.д. Введение в технологию новых ВМВ позволило создать новые лекарственные формы: многослойные таблетки длительного действия, спансулы (гранулы, пропитанные раствором ВМВ) микрокапсулы; глазные лекарственные пленки; детские лекарственные формы и т.д.

Растворы ВМВ - устойчивые системы, однако, при определенных условиях возможно нарушение устойчивости, что приводит к высаливанию, коацервации, застудневанию. Поэтому для технолога очень важны знания об интенсивности взаимодействия между частицами дисперсной фазы и дисперсионной среды, так как это существенно влияет на выбор способа приготовления лекарственного препарата.

В современной фармацевтической практике находят применение лекарственные вещества, представляющие собой защищенные коллоиды, которые состоят из коллоидного компонента и высокомолекулярного вещества. Поэтому растворы этих групп лекарственных препаратов рассматриваются в одной теме.

1. Классификация высокомолекулярных веществ

Высокомолекулярными веществ называются природные или синтетические вещества с молекулярной массой от нескольких тысяч (не ниже 10-15 тысяч) до миллиона и более.

2. Применение ВМ B в фармации

Особое значение имеет использование ВМВ в качестве вспомогательных веществ. По влиянию ВМВ на технологические характеристики лекарств их классифицируют на отдельные группы.

высокомолекулярный коллоидный раствор фармация

3. Характеристика ВМ B

Молекулы ВМВ имеют дифильный характер, так как содержат полярные (-COOH, -NH2, -OH и др.) и неполярные (-CH3, -CH2, -C6H5) функциональные группы.

Чем больше полярных радикалов в молекуле ВМВ, тем лучше оно растворимо.

Растворимость ВМВ зависит от величины и формы их молекул.

Процесс растворения ВМВ происходит в 2 стадии

4. Свойства растворов ВМ B

Объединяющие их с истинными растворами:

Отличающие их от истинных растворов:

5. Факторы, вызывающие нарушение устойчивости растворов ВМВ . Виды неустойчивости

6. Блок-схема технологии и контроля качества растворов ВМВ и защищенных коллоидов

7. Технология растворов ВМВ

При приготовлении растворов неограниченно набухающих веществ руководствуются общими правилами приготовления растворов низкомолекулярных веществ, учитывая свойства лекарственных веществ и растворителей.

Rp.: Pepsini2,0

Acidi hydrochlorici 5 ml

Aquae purificatae 200 ml

Misce. Da. Signa. По 1-2 столовых ложки 2-3 раза в день во время еды.

Активность пепсина проявляется при рН 1,8-2,0. В сильнокислой среде пепсин инактивируется, что обуславливает особую технологию его растворов: вначале готовят раствор кислоты, в котором растворяют

В подставку отмеривают 155 мл очищенной воды, добавляют 50 мл раствора кислоты хлористоводородной (1:10) и в полученном растворе растворяют 2,0 г пепсина, размешивают до полного его растворения. Раствор, при необходимости, процеживают через сложенную в несколько слоев марлю (лучше через стеклянный фильтр № 1 или № 2) во флакон для отпуска.

Растворение ограниченно набухающих веществ требует использования дополнительных технологических приемов, способствующих переходу стадии набухания в стадию растворения.

Rp.: Solutionis Gelatinae 5% 50,0

Da. Signa. По 1 столовой ложке через 2 часа.

Отвешивают 2,5 г сухого желатина, помещают в тарированную фарфоровую чашку, заливают 10-кратным количеством холодной воды и оставляют набухать на 30-40 минут. Затем добавляют остальную воду, смесь ставят на водяную баню (температура 60-70°С) и растворяют при перемешивании до получения прозрачного раствора. Доводят водой до требуемой массы. Полученный раствор при необходимости процеживают во флакон для отпуска.

Перед применением раствор желатина следует подогреть, т.к. раствор может уплотниться

Rp.: Mucilaginis Amyli 100,0

Da. Signa. На 2 клизмы.

Раствор готовят по массе следующим образом: 2 части крахмала смешивают с 8 частями холодной воды и при перемешивании добавляют к 90 частям кипящей воды. Помешивают, нагревая до кипения. В случае необходимости можно процедить через марлю.

Если не указана концентрация, то готовят 2% раствор по прописи: крахмала - 1 ч;

воды холодной - 4 ч;

воды горячей - 45 ч.

Для предотвращения высаливания электролиты следует добавлять к раствору ВМВ в виде водных растворов

Приготовление раствора метилцеллюлозы :

1. Метилцеллюлозу заливают горячей водой (80-90°С) в количестве 1/2

от требуемого объема получаемого раствора.

2. Охлаждают до комнатной температуры.

3. Добавляют остальную холодную воду и оставляют в холодильнике на 10-12 часов.

4. Процеживают через стеклянный фильтр № 2.

8. Характеристика коллоидных растворов

Коллоидные растворы представляют собой ультрамикрогетерогенную систему, в которой структурной единицей является комплекс молекул, атомов и ионов, называемых мицеллами.

Мицелла является частицей дисперсной фазы, окруженная двойным электрическим слоем. Размер мицелл находится в пределах от 1 до 100 нм.

Строение мицеллы

9. Свойства коллоидных растворов

· элементарная структурная единица - мицелла;

· характерно броуновское движение;

· малая диффузионная способность;

· низкое осмотическое давление;

· малая способность к диализу;

· способность рассеивать свет во все стороны при рассматривании растворов в отраженном свете (образуется характерный конус Тиндаля);

· мицеллы в коллоидном растворе находятся в хаотическом движении, для них характерно броуновское движение;

· седиментационно устойчивые системы;

· агрегативно и термодинамически неустойчивые системы, существующие благодаря стабилизации за счет возникновения двойного электрического слоя.

10. Факторы, вызывающие нарушение устойчивости растворов защищенных коллоидов

11. Характеристика защищенных коллоидов

Защищенные коллоидные препараты не проходят через физиологические мембраны, поэтому они проявляют только местное действие.

12. Технология растворов защищенных коллоидов

Rp .: Solutionis Protargoli 2% 100 ml

Da . Signa . Для промывания полости носа.

100 мл воды в широкогорлой подставке и оставляют в покое. Препарат набухает, и частички протаргола, постепенно растворяясь, опускаются на дно подставки, давая доступ следующим порциям воды к препарату.

Растворы защищенных коллоидов нельзя фильтровать через бумажный фильтр, т.к. содержащиеся в бумаге ионы железа, кальция, магния вызывают коагуляцию с потерей лекарственного препарата на фильтре.

При необходимости эти растворы процеживают через стеклянные фильтры № 1 и № 2 или фильтруют через беззольную фильтровальную бумагу.

Если в составе раствора, кроме воды, прописан глицерин, то протаргол сначала растирают в ступке с глицерином и после его набухания постепенно добавляют воду

При прописывании колларгола в концентрациях до 1% его растворы готовят в подставке или флаконе для отпуска, растворяя колларгол в воде очищенной

В стеклянный флакон для отпуска фильтруют (можно процедить) воду очищенную, высыпают колларгол и содержимое склянки встряхивают до полного перехода колларгола в раствор.

При прописывании колларгола в концентрациях более 1% его растворы готовят в ступке, растирая колларгол с водой очищенной

Rp.: Solutionis Collargoli 2% 200 ml

Da. Signa. Для спринцеваний.

Колларгол помещают в ступку, добавляют небольшое количество воды очищенной, смесь оставляют на 2-3 минуты для набухания, растирают, а затем понемногу при помешивании добавляют оставшееся количество воды.

В случае необходимости раствор колларгола фильтруют через стеклянный фильтр № 1 или № 2 или процеживают через рыхлый комочек ваты, промытый горячей водой.

Ихтиол не совместим:

· с кислотами (выпадает осадок сульфоихтиоловой кислоты)

· с солями кальция, аммония, меди, ртути, серебра, свинца и цинка (образуются нерастворимые соли сульфоихтиоловой кислоты)

· с солями алкалоидов и других азотсодержащих органических оснований (образуются нерастворимые сульфоихтиоловые соли алкалоидов и других азотсодержащих органических оснований)

· с электролитами (калия бромид; аммония, натрия и кальция хлориды; калия йодид) (происходит коагуляция)

· с натрия тетраборатом, с едкими и углекислыми щелочами (выпадает осадок и выделяется аммиак)

Rp.: Solutionis Ichthyoli 1% 200 ml

Da. Signa. Для примочек.

Отвешивают 2,0 г ихтиола в старированную фарфоровую чашку, постепенно добавляют 200 мл воды при непрерывном помешивании стеклянной палочкой, затем при необходимости процеживают во флакон для отпуска.

Rp .: Solutionis Ichthyoli 2% 100 ml

Glycerini 10,0 Misce .

Da. Signa. Для тампонов.

В тарированную подставку отвешивают 10,0 г глицерина и туда же отмеривают 100 мл воды очищенной, взбалтывают до однородности. 2,0 ихтиола отвешивают в тарированную фарфоровую чашечку, добавляют по частям раствор глицерина в воде и растирают до полного растворения, оставив в подставке часть водно-глицеринового раствора. Полученный раствор ихтиола при необходимости процеживают во флакон для отпуска. Фарфоровую чашку ополаскивают остатком водно-глицеринового раствора и процеживают во флакон для отпуска.

13. Растворы полуколлоидов

Растворы полуколлоидов - это такие системы, которые при определенных условиях являются истинными растворами, а при смене концентрации дисперсной фазы становятся золями в коллоидном состоянии.

К ним относятся растворы танидов, мыл, некоторых органических оснований (этакридина лактат).

Приготовление растворов полуколлоидов проводят по общим правилам приготовления растворов.

Rp.: Tannini3,0 Aquae purificatae 100 ml

Misce. Da. Signa. Для смачивания кожи при ожогах.

В подставку отмеривают 98,2 мл теплой очищенной воды и в ней растворяют 3,0 г танина (КУО = 0,61 мл/г). Раствор процеживают через ватный тампон во флакон для отпуска.

14. Оценка качества и хранение растворов ВМВ и защищенных коллоидов

Контроль качества растворов ВМВ и коллоидов осуществляют согласно:

· действующей веществ;

· инструкций и приказов МЗ РФ

Проверка качества включает все виды внутриаптечного контроля:

· письменный;

· опросный;

· органолептический (цвет, вкус, запах), а также однородность и отсутствие механических примесей;

· физический (общий объем или массу, которые после приготовления лекарственного препарата не должны превышать норм допустимых отклонений);

· химический контроль (выборочно);

· контроль при отпуске.

Условия хранения растворов ВМВ и защищенных коллоидов зависят от свойств лекарственных веществ, входящих в состав прописи. Если нет особых указаний, экстемпоральные растворы ВМВ и защищенных коллоидов хранят в прохладном, защищенном от света месте 10 дней.

Растворы ВМВ и коллоидные растворы отпускают во флаконах из оранжевого стекла с дополнительными этикетками «Перед употреблением взбалтывать», «Хранить в прохладном, защищенном от света месте», «Беречь от детей».

15. Совершенствование растворов ВМВ и защищенных коллоидов

Литература

1. Биофармация: Учеб. для студ. фармац. вузов и фак./ А.И. Тихонов,Т.Г. Ярных, И.А. Зупанец и др.; Под ред. А.И. Тихонова. - Х.: Изд-во НФаУ; Золотые страницы, 2003.- 240 с.

2. Гельфман М.И. Коллоидная химия / Гельфман М.И., Ковалевич О.В., Юстратов В.П. - С.Пб. и др.: Лань, 2003. - 332 с.

3. Державна Фармакопея України / Державне підприємство “Науково-експертний фармакопейний центр”. - 1-е вид. - Х.: РІРЕГ, 2001.-556 с.

4. Допоміжні речовини та їх застосування в технології лікарських форм: Довідковий посібник / Ф.Жогло, В.Возняк, В. Попович, Я.Богдан. - Львів, 1996.- 96 с.

5. Евстратова К.И., Купина Н.А., Малахова Е.Е. Физическая и коллоидная химия: Учеб. для фармац. вузов и факультетов / Под ред. К.И. Евстратовой. - М.: Высш. шк., 1990. - 487 с.

6. Екстемпоральна рецептура (технологія, застосування). Рідкі лікарські форми: Довідник/ О.І. Тихонов, В.П. Черних, Т.Г. Ярних та ін.; За ред. О.І. Тихонова.- Х.: Вид-во НФАУ, 2000.- 208с.

7. Машковский М.Д. Лекарственные средства: В 2 т.- 14-е изд., перераб., испр. и доп. - М.: ООО «Издательство Новая Волна», 2000. - Т. 1.- 540 с.

8. Наказ МОЗ України від 07.09.93 № 197 “Про затвердження Інструкції по приготуванню в аптеках лікарських форм з рідким дисперсійним середовищем”.

9. Наказ МОЗ України від 30.06.94 № 117 “Про порядок виписування рецептів та отпуску лікарських засобів і виробів медичного призначення з аптек”.

10. Полимеры медицинского назначения /Под ред. Сэноо Манабу. - М.: Медицина, 1991. - 248 с.

11. Справочник экстемпоральной рецептуры / Под ред. А.И.Тихонова. - К.: МОРИОН, 1999. - 496 с.

12. Технология и стандартизация лекарств. Сб. науч. трудов. / Под ред. В.П. Георгиевского и Ф.А. Конева - Х.: «Рирег», 1996, - С. 606-698.

13. Тихонов О.І., Ярних Т.Г. Аптечна технологія ліків / Під ред О.І.Тихонова. - Х.: РВП “Оригінал”,1995. - 600 с.

14. Тихонов А.И., Ярных Т.Г. Технология лекарств: Учеб. для фармац. вузов и фак.: Пер. с укр. / Под ред. А.И. Тихонова. - Х.: Изд-во НФаУ; Золотые страницы, 2002. - 704 с.: 139 ил.

15. Тихонов О.І., Ярних Т.Г. Технологія ліків: Підручник для студентів фармацевтичних факультетів ВМНЗ України ІІІ-IV рівнів акредитації: Переклад з російської / Під редакцією О.І.Тихонова. - Вінниця: Вид-во „Нова книга”, 2004. - 640 с.

16. Фридрихсберг Д.А. Курс коллоидной химии: Учебник для вузов. - 2-е изд., перераб. и доп. - Л.: Химия, 1984. - 368 с.

17. Фармацевтические и медико-биологические аспекты лекарств. Учеб. для слушателей ин-тов, фак. повышения квалификации специалистов фармации: В 2

т./ И.М. Перцев, И.А. Зупанец, Л.Д. Шевченко и др.; Под. ред. И.М. Перцева, И.А. Зупанца. - Х.: Изд-во НФАУ, 1999.- Т.1.- 448 с.

18. Экстемпоральная рецептура (технология, применение). Жидкие лекарственные формы: Справочник / А.И.Тихонов, В.П.Черных, Т.Г.Ярных и др.; Под ред. академика А.И.Тихонова. - Х.: Изд-во НФАУ, 2000. - 208 с.

19. Enciclopaedia of Pharmaceutical Technology / Ed. J. Swarbrick, I.C. Boylan. - 2-nd - New-York, Basel: Marcek Dekker, Inc., 2002. - Vol. 3. - 3032 p.

20. European Pharmacopeia, 4th Ed. - Strasbourg: council of Europe, 2001. -2416 p.

21. British Pharmacopoeia, 2000. - 2346 p.

22. Guide to good Manufacturing Practice for medicinal Products/ The Rules Governing Medicinal Products in the European Community.- Vol.IV.-P.135.

Размещено на Allbest.ru

...

Подобные документы

Понятие растворов высокомолекулярных соединений (ВМС). Процесс набухания ВМС: его стадии, причины, давление и степень. Вязкость дисперсных систем и растворов ВМС, методы ее измерения. Структурная и относительная вязкость. Коагуляционные структуры.

реферат , добавлен 22.01.2009

Характеристика растворов, содержащих буферные системы и обладающих способностью поддерживать рН на постоянном уровне. Применение буферных растворов и их классификация. Сущность буферного действия. Буферные свойства растворов сильных кислот и оснований.

контрольная работа , добавлен 28.10.2015

Коллоидная химия как наука, изучающая физико-химические свойства гетерогенных, высоко-дисперсных систем и высоко-молекулярных соединений. Производство и методы очищения коллоидных растворов. Применение гелей в пищевой промышленности, косметике и медицине.

презентация , добавлен 26.01.2015

Константы и параметры, определяющие качественное (фазовое) состояние, количественные характеристики растворов. Виды растворов и их специфические свойства. Способы получения твердых растворов. Особенности растворов с эвтектикой. Растворы газов в жидкостях.

реферат , добавлен 06.09.2013

Роль осмоса в биологических процессах. Процесс диффузии для двух растворов. Формулировка закона Рауля и следствия из него. Применение методов криоскопии и эбуллиоскопии. Изотонический коэффициент Вант-Гоффа. Коллигативные свойства растворов электролитов.

реферат , добавлен 23.03.2013

Сплавы кремния с никелем, их свойства и промышленное применение. Термодинамическое моделирование свойств твердых металлических растворов. Теория "регулярных" растворов. Термодинамические функции образования интерметаллидов. Расчет активностей компонентов.

дипломная работа , добавлен 13.03.2011

Природа растворяемого вещества и растворителя. Способы выражения концентрации растворов. Влияние температуры на растворимость газов, жидкостей и твердых веществ. Факторы, влияющие на расторимость. Связь нормальности и молярности. Законы для растворов.

лекция , добавлен 22.04.2013

Классификация дисперсных систем. Основные факторы устойчивости коллоидных растворов. Методы их получения (диспергирование, конденсация) и очистки (диализ, ультрафильтрация). Мицеллярная теория строения коллоидных частиц. Коагуляция смесями электролитов.

презентация , добавлен 28.11.2013

Фазовые равновесия, режимы синтеза и свойства стронция, барийсодержащих твёрдых растворов состава (Sr1-xBax) 4М2O9 (М-Nb, Ta) со структурой перовскита. Характеристика исходных веществ и их подготовка. Методы расчета электронной структуры твёрдых тел.

курсовая работа , добавлен 26.04.2011

Физические свойства воды, дипольный момент молекулы. Механизм образования растворов. Влияние давления, температуры и электролитов на растворимость веществ. Тепловая теорема Нернста. Главные способы выражения состава растворов. Понятие о мольной доле.

Н.Н. Мушкамбаров

ФИЗИЧЕСКАЯ И КОЛЛОИДНАЯ ХИМИЯ

УЧЕБНИК ДЛЯ ВУЗОВ

Издание третье, исправленное и дополненное

МЕДИЦИНСКОЕ ИНФОРМАЦИОННОЕ АГЕНТСТВО МОСКВА – 2008

УДК 544 (075.8) ББК 24.5я73

Рецензенты:

Доктор хим. наук, профессор МГУ

Асланов Л. А.

Доктор биол. наук, профессор ММА им. И.М. Сеченова

Калетина Н. И.

На учный редактор:

Проф. каф. общей, физической и коллоидной химии КГМУ

Тимербаев В. Н.

Мушкамбаров Н. Н.

М89 Физическая и коллоидная химия: Учебник для медицинских вузов (с задачами). – 3-е изд., дополненное. – М.: ООО «Медицинское информационное агентство», 2008. – … с.: ил.

ISBN 5-9231-0149-1

Учебник соответствует программе по физической и коллоидной химии для студентов фармацевтических факультетов и институтов.

Он включает 7 разделов: 1. «Химическая термодинамика», 2. «Фазовые равновесия и растворы», 3. «Растворы электролитов и электрохимия», 4. «Химическая кинетика», 5. «Поверхностные явления», 6. «Дисперсные системы», 7. «Лиофильные дисперсные системы».

Материал представлен на высоком теоретическом уровне и при этом изложен ясным, чётким языком. В конце каждой главы приводится её краткое содержание. А после каждого раздела даётся серия задач разной степени трудности с подробными решениями.

Учебник предназначен студентам не только фармацевтических, но и других смежных специальностей.

УДК 544(075.8)

Посвящаю преподавателям физической и коллоидной химии

АлександреДмитриевнеМихайловой и Ларисе Евгеньевне Приезжевой

с глубокой благодарностью за их самоотверженную и бескорыстную

поддержку в очень нелегкое для меня время,

– на которое, между прочим, пришлась и работа над этой книгой.

ПРЕДИСЛОВИЕ

Настоящий учебник написан в соответствии с «Программой по физической и коллоидной химии для студентов фармацевтических институтов и фармацевтических факультетов медицинских институтов».

Надо сказать, имеется достаточно много учебников и учебных пособий по данной дисциплине. Тем не менее, опыт практического преподавания физической и коллоидной химии в ММА им. И.М. Сеченова показал, что студенты испытывают серьёзные трудности с учебной литературой. Потому-то я и создал свою версию предлагаемого курса. Получилось ли то, что требуется, – об этом судить студентам и преподавателям.

Первое издание учебника вышло в сентябре 2001 г. К сожалению, из-за спешки и несогласованности действий участников проекта, в книге оказалось множество опечаток и искажающих текст редакторских правок. Поэтому через 2 месяца было выпущено в свет второе, исправленное, издание – правда, значительно меньшим тиражом.

В настоящем (третьем) издании, по сравнению с предыдущим, имеются три существенных отличия.

а) Во-первых, устранено двойное разбиение теоретического материала – не только на главы, но и на лекции: последнее было полезно лишь для лекторов. (В частности, поэтому краткое содержание предыдущего материала теперь приводится не в начале очередной лекции, а в конце главы.)

б) Во-вторых, после каждого раздела вниманию читателя предлагается серия задач . Первоначальные условия задач были подобраны из различных источников канд. биол. наук В.Н. Тверитиновым. Здесь эти условия подверглись существенной редакции, и, кроме того, ко всем задачам составлены подробные решения.

в) В-третьих, в текст учебника введена детальная рубрификация . Вернее, возвращена, поскольку она имелась ещё перед первым изданием, но при подготовке к нему была удалена.

Кроме того, весь текст тщательно пересмотрен, и во многих местах сделаны необходимые, с моей точки зрения, исправления.

Книга написана в 1996-1997 гг. С тех пор я давно работаю в сфере совсем другой науки. И я рад, что интерес к этому учебнику сохраняется и поныне.

Н.Н.Мушкамбаров, август 2008 г.

ВВЕДЕНИЕ

В курс физической и коллоидной химии входят 7 следующих разделов.

1. Химическая термодинамика – учение об энергетике различных процессов

и условиях их самопроизвольного протекания.

2. Фазовые равновесия и растворы неэлектролитов – сведения о закономер-

ностях фазовых переходов и коллигативных свойствах растворов неэлектролитов. Это такие явления, как изменение температуры замерзания и кипения, осмос и т.д.

3. Растворы электролитов и электрохимия - о способности растворов электролитов проводить ток, с чем связаны очень важные электрохимические явления - электрофорез, электролиз, генерация ЭДС в гальванических элементах и др.

4. Химическая кинетика - учение о скоростях химических процессов.

5. Поверхностные явления - о явлениях, проходящих на поверхности раздела фаз (но не представляющих собой фазовые переходы): адсорбции, адгезии, смачивании, растекании и некоторых других явлениях.

6. Дисперсные системы - о двухфазных системах, из которых одна фаза распределена в другой в виде т. н. дисперсных частиц. Множество знакомых нам объектов относится именно к подобным системам.

7. Лиофильные дисперсные системы - рассматриваются такие системы, где частицы имеют высокое сродство к окружающей среде. В частности, сюда относятся растворы высокомолекулярных соединений (ВМС) в подходящих растворителях.

В некоторых учебниках физической химии излагается и учение о строении вещества. В настоящем курсе такой раздел отсутствует, так как теперь строение атомов и молекул отнесено к другим химическим дисциплинам (общей и неорганической, а также органической химии).

Приведенный перечень разделов свидетельствует, что физколлоидная химия объединяет в себе функции методологической и конкретной науки. Как методологическая наука она формулирует принципы и методы количественного описания химических систем и процессов. Данную функцию выполняют два ключевых раздела: 1. Химическая термодинамика и 4. Химическая кинетика.

Действительно, энергетика и скорость - это главное, чем характеризуется любой химический (в т.ч. и био химический) процесс.

А как конкретная наука физколлоидная химия рассматривает определенные объекты и явления, являющиеся пограничными для химии и физики. В основном,

это физические свойства химических объектов : 2. Фазовые переходы; 3. Электрохимические явления; 5. Поверхностные явления; 6. многочисленные физические свойства дисперсных систем и 7. физические свойства ВМС и их растворов.

Таким образом, в соответствии с двумя функциями физколлоидной химии, ее разделы можно поделить на две труппы.

Но существует и иное подразделение - физическая (первые четыре раздела) и

коллоидная (последние три раздела) химия.

Термин коллоидная химия обычно применяется в связи с дисперсными системами (поскольку заряженные частицы дисперсной фазы называются коллоидными частицами). Поверхностные явления происходят на любой границе раздела фаз, но в случае дисперсных систем поверхность раздела особенно велика и, следовательно, поверхностные явления наиболее выражены. Потому-то учение об этих явлениях (как и учение о растворах ВМС) относят к коллоидной химии.

Однако такое подразделение достаточно условно, как достаточно спорна и та последовательность, в которой мы будем изучать вышеназванные темы. Возможно, более логичным было бы изучать кинетику сразу после термодинамики, а поверхностные явления - после раздела о фазовых равновесиях. Но в каждой последовательности есть свои плюсы и минусы, есть своя условность. Исторически сложилась и закреплена в программе очередность, приведенная выше.

ХИМИЧЕСКАЯ

ТЕРМОДИНАМИКА

Химическая термодинамика рассматривает энергетические аспекты различных процессов и определяет условия их самопроизвольного протекания. В

основе ее - три, а вместе с нулевым - четыре начала термодинамики. Если процессы являются химическими, то указанные начала термодинамики распространяются и на них. Но, по сравнению с чисто физическими процессами, возникает необходимость и в целом ряде конкретных выражений - например, для расчета энергии реакции, ее зависимости от температуры и т. д. Представляют интерес как общие термодинамические закономерности, так и их конкретное приложение к химическим объектам. Потому-то данный раздел курса и называется химической термодинамикой.

Глава 1. ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ И ПЕРВОЕ НАЧАЛО ТЕРМОДИНАМИКИ

1.1. Термодинамические системы, состояния и характеристики

1. В термодинамике объектом рассмотрения всегда является система .

Термодинамическая система - любой объект природы, состоящий из

достаточно большого количества частиц (не менее 10 10 -10 13 ) и отделенный реальной или воображаемой границей от окружающей среды.

2. Различают 3 типа термодинамических систем (табл. 1.1):

а) Изолированные системы - не могут обмениваться с окружающей средой ни энергией, ни массой. Примеры: изолированный термостат, Вселенная в целом.

		Таблица 1.1
Изолированная	Закрытая	Открытая

б) Закрытые системы - могут обмениваться с окружающей средой энергией, но не массой. Пример закрытой системы - совокупность молекул растворенного вещества. Внешней же средой здесь является все остальное, начиная с растворителя (если он не участвует в реакции). Поэтому в химической термодинамике наиболее часто рассматривают именно закрытые системы.

в) Открытые системы - это системы, которые могут обмениваться с окружающей средой и энергией, и массой. Здесь самый важный пример - живые объекты.

3. Какую бы систему мы ни взяли, она может быть в различных состояниях . А чтобы описать то или иное состояние, используют термодинамические характеристики (а i ).

Эти характеристики можно классифицировать двумя способами. а) Во-первых, их делят на экстенсивные и интенсивные.

I. Экстенсивные параметры зависят от количества вещества и складываются

Примеры - объем (V), масса (т), количество вещества (п), энергия (Е), относящиеся ко всей системе или к отдельным ее частям.

II . Интенсивные характеристики не зависят от количества вещества и выравниваются при контакте систем или частей системы. Сюда относятся такие параметры, как температура (Т), давление (Р), плотность (ρ) , концентрация (с ).

б) Другое подразделение таково.

I. Одни характеристики можно рассматривать как основные, которые определяют состояние вещества. Их называют параметрами состояния . Обычно в качестве таковых берут следующие характеристики - Т, Р и п, т. е. температуру, давление и количество вещества.

II. Остальные характеристики зависят от этих трех параметров, а значит,.в целом от состояния системы. Поэтому их называют функциями состояния . Так, для идеального газа энергия определяется только температурой и количеством вещества, а объем - всеми тремя параметрами состояния:


	– nRT ,		V = –––– .

Первое выражение известно из физики, а второе - это уравнение Клайперона- Менделеева (PV = nRT).

Связь между параметрами и функциями состояния представлена на рис. 1.1.

а) Значение любой из них не зависит от способа достижения системой данного состояния, а зависит только от самого этого состояния.

б) Для некоторых состояний используются специальные термины. Так, часто вещества (системы) рассматривают при стандартных условиях :

Соответственно, стандартное состояние вещества - это 1 моль чистого

вещества при стандартных температуре и давлении в наиболее устойчивом агрегатном состоянии.

Как видно, к условиям (1.3, а-в) здесь добавляется еще условие о наиболее устойчивом агрегатном состоянии. Для одного вещества это газообразное состояние, для другого - жидкое, для третьего - твердое в наиболее распространенной аллотропной модификации.

в) И стандартные, и многие другие состояния являются равновесными . В

равновесном состоянии параметры состояния не изменяются самопроизвольно со временем, и в системе отсутствуют потоки вещества и энергии.

г) Наконец, еще один важный частный случай состояний - это

стационарные состояния . Здесь параметры состояния тоже постоянны, но в системе имеются потоки энергии и (или) вещества.

д) Все прочие состояния системы являются, по существу, переходными - либо к равновесному, либо к стационарному состоянию.

1.2. Термодинамические процессы

1. а) Всякое изменение параметров состояния (т. е. переход системы из одного состояния в другое) есть термодинамический процесс .

б) К процессу приводит осуществляемое каким-то внешним воздействием

выведение системы из равновесного состояния (т. е. перевод ее в неравновесное состояние).

в) В результате же самопроизвольного процесса система

- либо возвращается в прежнее состояние равновесия,

- либо переходит в какое-то иное равновесное состояние,

- либо достигает стационарного состояния.

2. Обратим здесь внимание на два обстоятельства.

а) Во-первых, система может иметь несколько состояний равновесия, как это показано на рис. 1.2.

б) Во-вторых, если система достигает стационарного состояния, то процесс не прекращается, а просто становится стационарным (т. е. таким, при котором поддерживаются постоянные значения параметров состояния).

Такая ситуация может иметь место в закрытых и открытых системах. Например, здоровый человек находится в стационарном состоянии: все его параметры остаются на постоянном уровне. Но в нем все время идут процессы обмена с окружающей средой веществом и энергией, и многие из этих

процессов являются стационарными.

3. Когда система стремится к равновесному состоянию, а когда - к стационарному?

В случае открытой системы можно указать на две типичные ситуации.

а) Пусть на границах системы - постоянные и одинаковые значения интенсивного параметра (например, концентрации вещества).

Тогда концентрация в самой системе (изначально отличная) тоже стремится к тому же значению, которое является равновесным (рис. 1.3,а ), т.е. после его достижения процесс прекратится.

					C2 < C1
					C2 < C1
				С1 > Cх > C2

б) А теперь пусть на границах открытой системы - постоянные, но различные значения интенсивного параметра (концентрации). Тогда в результате переходного процесса в системе устанавливается какая-то промежуточная концентрация с х , которая затем будет поддерживаться благодаря стационарному процессу - притоку вещества через одну границу и такому же по величине оттоку через другую границу (рис. 1.3, б).

Таким образом, достигается стационарное состояние.

4. Обратимые и необратимые процессы . Принципиальное для термодинамики значение имеет подразделение всех процессов на обратимые и необратимые. В этом подразделении учитывается, как система переходит из начального состояния в конечное.

а) Обратимые процессы - такие, в которых малейшее противоположное воздействие меняет направление на обратное.

Это означает, что все промежуточные состояния системы и окружающей среды в таком процессе - равновесные. Поэтому часто обратимые процессы называют еще равновесными.

б) А термодинамически необратимые процессы - такие, которые не могут быть обращены без того, чтобы в самой системе или в окружающей среде не остались какие-то изменения.

Из этого определения следует: после термодинамически необратимого процесса систему при определенных условиях можно вернуть в исходное состояние

(т. е. осуществить химическую обратимость).

Но для этого требуется произвести какие-либо изменения в системе или окружающей среде - например, повысить концентрацию продуктов реакции или подвести дополнительную теплоту.

Таким образом, термодинамическая необратимость и химическая необратимость - понятия различные.

Заметим: практически каждый реальный процесс в той или иной мере термодинамически необратим. Но представление об идеально обратимом процессе очень полезно.

1.3. Пример: изотермическое изменение объема газа

Иллюстрация различных способов перехода системы из одного состояния в другое - изотермическое расширение газа - представлена на рис. 1.4.

1. В крайнем варианте необратимого процесса внешнее давление сразу

снижают до уровня Р 2 .

расширяется до объема

V2 = V1 P1 /P2 ,

совершая

внешнего давления Р 2 :

P 1 – dP

V 1 + dV

·····обр.

обратимом варианте

расширения внешнее давление снижают

очень медленно , - так что газ вначале

совершает работу против давления Р 1 –

dP, затем - против Р 1 – 2dP, ... и лишь в

конце - против Р 2 .

Очевидно,

газа больше, чем в предыдущем случае. Рассчитаем конкретную величину данной работы:

3. Теперь допустим, что газ после того или иного его расширения вновь

изотермически сжимают до прежнего объема V1 .

а) В обратимом варианте придется совершить над системой точно такую же работу, какую совершала система при расширении. Никаких изменений в системе или окружающей среде не останется.