Контрольная работа: Зависимость типа и размера мицелл от концентрации ПАВ
Размер мицелл додецилсульфатов щелочных металлов уменьшается с увеличением температуры и чрезвычайно чувствителен к природе противоиона. Состав систем: LiDS,20 г/л + IMLiCl; NaDS,20 г/л + 0.45 MNaCl; KDS, 5 г/л + 0.45 MKCl; CsDS, 5 г/л + 0.45 MCsCl. Видно, что в системах с KDS и CsDS, несмотря на более низкую концентрацию этих ПАВ, размеры увеличиваются сильнее, чем в системах, содержащих LiDS или NaDS.
Число агрегации мицелл додецилсульфата натрия увеличивается с ростом температуры и концентрации введенных солей
Спирты и ароматические соединения, локализующиеся на периферии мицелл, наоборот, сильно индуцируют рост мицелл. Так, мицеллы бромида гексадецилтриметиламмония не увеличиваются в размере в присутствии цик-логексана, но резко растут в присутствии гексанола или бензола.
Мицеллы ПАВ других типов растут под влиянием иных факторов. Рост мицелл неионогенных ПАВ полиоксиэтиленового ряда с увеличением концентрации более заметен для ПАВ с небольшими полярными группами. Сильный рост мицелл наблюдается для молекул ПАВ, содержащих от четырех до шести оксиэтиленовых звеньев. Однако размеры мицелл почти не изменяются независимо от условий, если поверхностно-активное вещество содержит восемь или более оксиэтиленовых групп. В отличие от ионогенных ПАВ, для неионогенных ПАВ характерен мицеллярный рост при повышении температуры.
Дисперсии крупных мицелл имеют много общих свойств с растворами линейных полимеров, поэтому мицеллы ПАВ иногда называют "живыми полимерами". Аналогия в поведении таких систем позволила успешно применять теории и подходы, развитые для растворов полимеров, для описания ми-целлярных систем ПАВ. Некоторые отличия дисперсий ПАВ от растворов полимеров затрудняют сравнение этих систем. Эти различия состоят прежде всего в сильной зависимости "степени полимеризации" от некоторых условий. Более того, при некоторых условиях, например при очень больших концентрациях, процесс роста мицелл может приводить к образованию разветвленных структур.
Большие мицеллы могут сильно различаться по гибкости, быть жесткими стержнями, ограниченно гибкими или очень гибкими мицеллами. Их можно, как и полимеры, характеризовать персистентной длиной. На гибкость мицелл ионных ПАВ сильное влияние оказывает присутствие электролита, причем мицеллы, по свойствам отвечающие жестким стержням, могут переходить в очень гибкие мицеллы.
В разбавленных растворах, когда мицеллы не перекрываются, они ведут себя как независимые единицы. При превышении объемной доли мицелл, равной ф*, т.е. в полуразбавленном концентрационном режиме, мицеллы запутываются и возникают сетки зацепления. Такие сетки можно описать с помощью корреляционной длины, которая не зависит от размера мицелл и их полидисперсности. В системе, показанной на рис., объемная доля перекрывания равна - 0.1%. Вязкость дисперсий длинных линейных мицелл можно анализировать в рамках представлений о мицеллярном движении, используя, например, модель так называемой рептации для полимерных систем. Подразумевается, что мицеллы "ползут" через трубки в пористой структуре, образованной другими мицеллами. Вязкость нулевого сдвига з зависит от размера мицеллы и объемной доли ц:
Экспериментально было установлено, что вязкость существенно растет как с увеличением размера мицеллы, так и с ростом концентрации ПАВ.
Мицеллы растут преимущественно линейно, хотя могут образовываться дискообразные или пластинчатые структуры, но такие мицеллы обычно имеют небольшой размер и существуют в очень узком интервале условий. Линейный рост мицелл может приводить к разветвленным структурам, что при достаточно больших концентрациях может вызывать переход к полностью связным мицеллярным структурам ПАВ, для которых концепция индивидуальных мицелл теряет смысл.
Существует глубокая аналогия между дисперсиями длинных мицелл и растворами полимеров, в том числе образование сеток зацепления. На рисунке показан переход от разбавленных систем к полуразбавленным; ф* - объемная доля перекрывания.
Разветвленные мицеллы
Для таких образований используется термин "биконтинуальная структура", поскольку система становится непрерывной не только относительно растворителя, но и относительно ПАВ.
Биконтинуальные структуры играют важную роль в самоорганизации ПАВ. Другим типом биконтинуальной структуры, образующейся в простейшей системе вода - ПАВ, являются губчатые фазы, возникающие в разбавленных системах ПАВ. Такие структуры характерны для всех типов ПАВ, но чаще встречаются в случае неионогенных ПАВ. Заметим также, что структура губчатой фазы родственна структуре многих микроэмульсий.
Губчатая фаза. Многие ПАВ в изотропном растворе образуют связную трехмерную сетку. В таких сетках и водные, и гидрофобные области связаны на макроскопических расстояния, поэтому эти структуры называют также биконтинуальными. С разрешения. CopyrightAmericanChemicalSociety
Фазы IIAB9 образующиеся из дискретных или бесконечных самоорганизованных структур
Мицеллы и бислои ПАВ служат "строительными блоками", из которых образуется большинство самоорганизованных структур. Рассмотрим подробнее их различия и приведем некоторые примеры. Как схематично показано на рис. все фазовые структуры ПАВ можно разделить на две группы: а) сформированные ограниченными ансамблями молекул ПАВ, которые можно грубо представить сферическими, вытянутыми, сплюснутыми или цилиндрическими частицами; б) образованные из неограниченных ансамблей молекул ПАВ. В последнем случае агрегаты молекул ПАВ связаны на макроскопических расстояниях в одном, двух или трех направлениях. Гексагональные фазы служат примером одномерной бесконечности, ламелярные фазы - двумерной, а трехмерные бесконечные структуры - это биконтинуальные кубические фазы, губчатые фазы и многие микроэмульсии.
К фазам, образованным дискретными агрегатами, относятся нормальные и обращенные мицеллярные растворы, микроэмульсии мицеллярного типа и некоторые нормальные и обращенные кубические фазы. Самоорганизованные ансамбли ПАВ, состоящие из дискретных агрегатов, представляют интерес и с других точек зрения. Адсорбционные слои ПАВ на твердых и жидких поверхностях могут состоять из структур мицеллярного типа, то же относится и к растворам смесей ПАВ и полимеров.
Самоорганизованные структуры ПАВ можно классифицировать на дискретные и связные формы. Связность может наблюдаться в одном, двух и трех измерениях
Бислойные структуры, часто встречающиеся как в природе, так и в технике, имеют большое значение. Охлаждение ламелярной жидкокристаллической фазы обычно приводит к образованию фазы геля или кристаллов слоистой структуры. В зависимости от условий возникают разные слоистые структуры гелей. В гелях вода между бислоями находится в жидкообразном состоянии. В таких системах возможна и некоторая подвижность молекул ПАВ. Другими примерами бислойных структур являются уже упоминавшиеся губчатые и кубические биконтинуальные фазы. Губчатая фаза наиболее изучена для неионогенных ПАВ и родственна обычным микроэмульсиям. Бислои легко замыкаются сами на себя с образованием дискретных частиц, таких как моноламелярные везикулы и мультиламелярные липосомы. Везикулярные системы интересны тем, что в них существуют внутренние и внешние области воды, разделенные бислоями. Эти системы обычно термодинамически неустойчивы, и разделяются на две фазы: ламелярную фазу и разбавленный водный раствор. Липид-ные бислои представляют собой важные элементы живых организмов, формируют мембраны, выполняющие роль барьеров между клетками и клеточными органеллами. Некоторые ПАВ и липиды образуют обращенные везикулы, для которых внутренняя область и внешняя среда - это масло, а разделены они обращенными бислоями ПАВ; последние могут содержать некоторое количество воды.
Насыщенные мицеллярные растворы
При рассмотрении разнообразных мицеллярных растворов естественно возникают два вопроса: какова предельная концентрация, при которой ПАВ существует в мицеллярной форме, и что происходит со структурой агрегатов при насыщении? Обсудим сначала второй вопрос, а к первому вернемся позже.
Превращение сферических мицелл в стержнеобразные может происходить по двум механизмам. В первом случае внутренняя движущая сила заставляет формироваться большие агрегаты с другой геометрией, поэтому мицеллы могут расти даже при низкой концентрации ПАВ. Во втором случае рост мицелл индуцируется межмицеллярным отталкиванием, что приводит к оптимальной упаковке мицелл. Этот процесс происходит при достаточно высоких концентрациях ПАВ, когда мицеллы могут контактировать друг с другом. Часто наблюдается комбинация обоих механизмов.
При большой плотности мицелл возможен также переход в упорядоченную фазу: твердую или, чаще, жидкокристаллическую. Далее мы обсудим