Micela: struktura, shema, opis i kemijska formula

2024 Autor: Angel Austin | [email protected]. Zadnja promjena: 2023-12-17 05:28

Koloidni sustavi iznimno su važni u životu svake osobe. To nije samo zbog činjenice da gotovo sve biološke tekućine u živom organizmu tvore koloide. Ali mnogi prirodni fenomeni (magla, smog), tlo, minerali, hrana, lijekovi također su koloidni sustavi.

Jedinica takvih formacija, koja odražava njihov sastav i specifična svojstva, smatra se makromolekulom ili micelom. Struktura potonjeg ovisi o nizu čimbenika, ali uvijek je riječ o višeslojnoj čestici. Moderna molekularna kinetička teorija razmatra koloidne otopine kao poseban slučaj pravih otopina, s većim česticama otopljene tvari.

Metode za dobivanje koloidnih otopina

Struktura micele koja nastaje pojavom koloidnog sustava dijelom ovisi o mehanizmu tog procesa. Metode za dobivanje koloida podijeljene su u dvije bitno različite skupine.

Metode disperzije povezane su s mljevenjem prilično velikih čestica. Ovisno o mehanizmu ovog procesa, razlikuju se sljedeće metode.

1. Rafiniranje. Može se raditi na suho ilimokri način. U prvom slučaju, krutina se prvo drobi, a tek onda se dodaje tekućina. U drugom slučaju, tvar se miješa s tekućinom, a tek nakon toga se pretvara u homogenu smjesu. Mljevenje se vrši u posebnim mlinovima.
2. Otok. Mljevenje se postiže činjenicom da čestice otapala prodiru u dispergiranu fazu, što je popraćeno ekspanzijom njezinih čestica do odvajanja.
3. Disperzija ultrazvukom. Materijal koji se samljeti stavlja se u tekućinu i obrađuje ultrazvukom.
4. Disperzija električnog udara. Potreban u proizvodnji metalnih sola. Provodi se postavljanjem elektroda izrađenih od disperzibilnog metala u tekućinu, nakon čega se na njih stavlja visoki napon. Kao rezultat, formira se naponski luk u kojem se metal raspršuje i zatim kondenzira u otopinu.

Ove metode su prikladne i za liofilne i za liofobne koloidne čestice. Micelna struktura se provodi istovremeno s uništavanjem izvorne strukture krutine.

Metode kondenzacije

Druga skupina metoda temeljenih na povećanju čestica naziva se kondenzacija. Taj se proces može temeljiti na fizičkim ili kemijskim pojavama. Metode fizičke kondenzacije uključuju sljedeće.

1. Zamjena otapala. Svodi se na prijenos tvari iz jednog otapala, u kojem se vrlo dobro otapa, u drugo, u kojem je topljivost znatno manja. Kao rezultat, male česticespojit će se u veće agregate i pojavit će se koloidna otopina.
2. Kondenzacija pare. Primjer su magle čije se čestice mogu taložiti na hladnim površinama i postupno rasti.

Metode kemijske kondenzacije uključuju neke kemijske reakcije popraćene taloženjem složene strukture:

1. Ionska izmjena: NaCl + AgNO₃=AgCl↓ + NaNO₃.
2. Redoks procesi: 2H₂S + O₂=2S↓ + 2H_2O.
3. Hidroliza: Al₂S₃ + 6H₂O=2Al(OH) ₃↓ + 3H₂S.

Uvjeti za kemijsku kondenzaciju

Struktura micela nastalih tijekom ovih kemijskih reakcija ovisi o višku ili manjku tvari koje su uključene u njih. Također, za pojavu koloidnih otopina potrebno je poštivati niz uvjeta koji sprječavaju taloženje teško topljivog spoja:

• sadržaj tvari u miješanim otopinama trebao bi biti nizak;
• njihova brzina miješanja treba biti niska;
• jedno od rješenja treba uzeti u višku.

Micelna struktura

Glavni dio micele je jezgra. Nastaje od velikog broja atoma, iona i molekula netopivog spoja. Obično jezgru karakterizira kristalna struktura. Površina jezgre ima rezervu slobodne energije, što omogućuje selektivnu adsorpciju iona iz okoline. Ovaj procespridržava se pravila Peskova, koje kaže: na površini čvrste tvari pretežno se adsorbiraju oni ioni koji su sposobni dovršiti vlastitu kristalnu rešetku. To je moguće ako su ti ioni srodni ili slični po prirodi i obliku (veličini).

Tijekom adsorpcije, na jezgri micele nastaje sloj pozitivno ili negativno nabijenih iona, koji se nazivaju ioni koji određuju potencijal. Zbog elektrostatičkih sila, nastali nabijeni agregat privlači protuione (ione suprotnog naboja) iz otopine. Dakle, koloidna čestica ima višeslojnu strukturu. Micela dobiva dielektrični sloj izgrađen od dvije vrste suprotno nabijenih iona.

Hydrosol BaSO4

Kao primjer, prikladno je razmotriti strukturu micele barij sulfata u koloidnoj otopini pripremljenoj u suvišku barijevog klorida. Ovaj proces odgovara jednadžbi reakcije:

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

Lagano topiv u vodi, barijev sulfat tvori mikrokristalni agregat izgrađen od m-tog broja BaSO molekula₄. Površina ovog agregata adsorbira n-tu količinu Ba²⁺ iona. 2(n - x) Cl^- ioni su povezani sa slojem iona koji određuju potencijal. A ostatak protuiona (2x) nalazi se u difuznom sloju. To jest, granula ove micele će biti pozitivno nabijena.

Ako se natrijev sulfat uzima u višku, ondaioni koji određuju potencijal bit će SO₄^2- ioni, a protuioni će biti Na⁺. U ovom slučaju, naboj granule će biti negativan.

Ovaj primjer jasno pokazuje da predznak naboja granule micele izravno ovisi o uvjetima za njezinu pripremu.

Snimanje micela

Prethodni primjer je pokazao da je kemijska struktura micela i formula koja je odražava određena tvari koja se uzima u višku. Razmotrimo načine zapisivanja naziva pojedinih dijelova koloidne čestice na primjeru hidrosola bakrenog sulfida. Za njegovu pripremu, otopina natrijevog sulfida polako se ulijeva u višak otopine bakrenog klorida:

CuCl₂ + Na₂S=CuS↓ + 2NaCl.

Struktura CuS micele dobivene u višku CuCl₂ napisana je na sljedeći način:

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

Strukturni dijelovi koloidne čestice

U uglatim zagradama napišite formulu teško topljivog spoja, koji je osnova cijele čestice. Obično se naziva agregatom. Obično je broj molekula koji čine agregat napisan latiničnim slovom m.

Ioni koji određuju potencijal sadržani su u suvišku u otopini. Nalaze se na površini agregata, a u formuli se pišu odmah iza uglastih zagrada. Broj ovih iona označen je simbolom n. Naziv ovih iona ukazuje da njihov naboj određuje naboj granula micele.

Zrnu čine jezgra i dioprotuiona u adsorpcijskom sloju. Vrijednost naboja granula jednaka je zbroju naboja potencijalno-determinirajućih i adsorbiranih protuiona: +(2n – x). Preostali dio protuiona je u difuznom sloju i kompenzira naboj granule.

Ako se Na₂S uzme u višku, tada bi za formiranu koloidnu micelu struktura strukture izgledala ovako:

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

Micele surfaktanata

U slučaju da je koncentracija površinski aktivnih tvari (tenzida) u vodi previsoka, mogu se početi stvarati agregati njihovih molekula (ili iona). Ove uvećane čestice imaju oblik kugle i zovu se Gartley-Rebinder micele. Treba napomenuti da tu sposobnost nemaju svi tenzidi, već samo oni kod kojih je omjer hidrofobnih i hidrofilnih dijelova optimalan. Taj se omjer naziva hidrofilno-lipofilna ravnoteža. Sposobnost njihovih polarnih skupina da zaštite jezgru ugljikovodika od vode također igra značajnu ulogu.

Agregati površinski aktivnih molekula nastaju prema određenim zakonima:

• za razliku od niskomolekularnih supstanci, čiji agregati mogu uključivati različit broj molekula m, postojanje micela surfaktanta moguće je uz strogo definiran broj molekula;
• ako je za anorganske tvari početak micelizacije određen granicom topljivosti, tada je za organske površinski aktivne tvari određen postizanjem kritičnih koncentracija micelizacije;
• najprije se povećava broj micela u otopini, a zatim se povećava njihova veličina.

Učinak koncentracije na oblik micele

Na strukturu micela surfaktanta utječe njihova koncentracija u otopini. Kada dosegnu neke od svojih vrijednosti, koloidne čestice počinju međusobno komunicirati. To uzrokuje promjenu njihovog oblika na sljedeći način:

• sfera se pretvara u elipsoid, a zatim u cilindar;
• visoka koncentracija cilindara dovodi do stvaranja heksagonalne faze;
• u nekim slučajevima pojavljuju se lamelarna faza i čvrsti kristal (čestice sapuna).

Vrste micela

Razlikuju se tri vrste koloidnih sustava prema posebnostima organizacije unutarnje strukture: suspenzoidi, micelarni koloidi, molekularni koloidi.

Suspenzoidi mogu biti ireverzibilni koloidi, kao i liofobni koloidi. Ova struktura je tipična za otopine metala, kao i za njihove spojeve (razni oksidi i soli). Struktura dispergirane faze koju čine suspenzoidi ne razlikuje se od strukture kompaktne tvari. Ima molekularnu ili ionsku kristalnu rešetku. Razlika od suspenzija je veća disperzija. Nepovratnost se očituje u sposobnosti njihovih otopina nakon isparavanja da tvore suhi talog, koji se jednostavnim otapanjem ne može pretvoriti u sol. Zovu se liofobni zbog slabe interakcije između dispergirane faze i disperzijskog medija.

Micelarni koloidi su otopine čije koloidne čestice nastajukada lijepe difilne molekule koje sadrže polarne skupine atoma i nepolarne radikale. Primjeri su sapuni i surfaktanti. Molekule u takvim micelama drže se disperzijskim silama. Oblik ovih koloida može biti ne samo sferičan, već i lamelarni.

Molekularni koloidi su prilično stabilni bez stabilizatora. Njihove strukturne jedinice su pojedinačne makromolekule. Oblik koloidne čestice može varirati ovisno o svojstvima molekule i intramolekularnim interakcijama. Dakle, linearna molekula može formirati štap ili zavojnicu.