Micelle: โครงสร้าง แบบแผน คำอธิบาย และสูตรเคมี

2024 ผู้เขียน: Angel Austin | [email protected]. แก้ไขล่าสุด: 2023-12-17 05:43

ระบบคอลลอยด์มีความสำคัญอย่างยิ่งต่อชีวิตของใครก็ตาม นี่เป็นเพราะไม่เพียงเพราะของเหลวชีวภาพเกือบทั้งหมดในสิ่งมีชีวิตก่อให้เกิดคอลลอยด์ แต่ปรากฏการณ์ทางธรรมชาติมากมาย (หมอก หมอกควัน) ดิน แร่ธาตุ อาหาร ยารักษาโรค ก็เป็นระบบคอลลอยด์เช่นกัน

หน่วยของการก่อตัวดังกล่าวซึ่งสะท้อนถึงองค์ประกอบและคุณสมบัติเฉพาะนั้นถือเป็นโมเลกุลขนาดใหญ่หรือไมเซลล์ โครงสร้างหลังขึ้นอยู่กับปัจจัยหลายประการ แต่มันเป็นอนุภาคหลายชั้นเสมอ ทฤษฎีจลนพลศาสตร์ระดับโมเลกุลสมัยใหม่ถือว่าสารละลายคอลลอยด์เป็นกรณีพิเศษของสารละลายจริง โดยมีอนุภาคขนาดใหญ่กว่าของตัวถูกละลาย

วิธีการรับสารละลายคอลลอยด์

โครงสร้างของไมเซลล์ที่เกิดขึ้นเมื่อระบบคอลลอยด์ปรากฏขึ้น ส่วนหนึ่งขึ้นอยู่กับกลไกของกระบวนการนี้ วิธีการรับคอลลอยด์แบ่งออกเป็นสองกลุ่มโดยพื้นฐานที่แตกต่างกัน

วิธีกระจายเกี่ยวข้องกับการบดอนุภาคขนาดค่อนข้างใหญ่ ขึ้นอยู่กับกลไกของกระบวนการนี้ วิธีการต่อไปนี้จะแตกต่าง

1. การกลั่น. สามารถทำได้แบบแห้งหรือทางเปียก ในกรณีแรก ของแข็งจะถูกบดก่อน แล้วจึงเติมของเหลวเท่านั้น ในกรณีที่สอง สารจะถูกผสมกับของเหลว และหลังจากนั้นก็จะกลายเป็นส่วนผสมที่เป็นเนื้อเดียวกัน การเจียรจะดำเนินการในโรงสีพิเศษ
2. บวม. การเจียรทำได้สำเร็จเนื่องจากอนุภาคตัวทำละลายแทรกซึมเข้าไปในเฟสที่กระจายตัว ซึ่งมาพร้อมกับการขยายตัวของอนุภาคจนถึงการแยกตัว
3. กระจายตัวด้วยอัลตราซาวนด์ วัสดุที่จะบดอยู่ในของเหลวและ sonicated
4. กระจายแรงกระแทกด้วยไฟฟ้า. ความต้องการในการผลิตซอลโลหะ ดำเนินการโดยการวางอิเล็กโทรดที่ทำจากโลหะที่กระจายตัวลงในของเหลว ตามด้วยการใช้ไฟฟ้าแรงสูงกับอิเล็กโทรด เป็นผลให้เกิดอาร์ค voltaic ซึ่งโลหะถูกฉีดพ่นแล้วควบแน่นเป็นสารละลาย

วิธีการเหล่านี้เหมาะสำหรับทั้งอนุภาคคอลลอยด์ที่ชอบน้ำแบบแห้งและแบบไลโอฟิบิก โครงสร้างไมเซลล์จะดำเนินการพร้อมกันกับการทำลายโครงสร้างเดิมของของแข็ง

วิธีการควบแน่น

วิธีกลุ่มที่สองตามการขยายอนุภาคเรียกว่าการควบแน่น กระบวนการนี้อาจขึ้นอยู่กับปรากฏการณ์ทางกายภาพหรือทางเคมี วิธีการรวมตัวทางกายภาพมีดังต่อไปนี้

1. เปลี่ยนตัวทำละลาย. มันมาจากการถ่ายโอนสารจากตัวทำละลายตัวหนึ่งซึ่งละลายได้ดีมากไปยังอีกตัวหนึ่งซึ่งความสามารถในการละลายได้ต่ำกว่ามาก ส่งผลให้อนุภาคขนาดเล็กจะรวมกันเป็นมวลรวมที่ใหญ่ขึ้นและสารละลายคอลลอยด์จะปรากฏขึ้น
2. ไอระเหย. ตัวอย่าง ได้แก่ หมอก ซึ่งอนุภาคสามารถเกาะบนพื้นผิวที่เย็นและค่อยๆ ขยายใหญ่ขึ้น

วิธีการควบแน่นของสารเคมีรวมถึงปฏิกิริยาเคมีบางอย่างพร้อมกับการตกตะกอนของโครงสร้างที่ซับซ้อน:

1. แลกเปลี่ยนไอออน: NaCl + AgNO₃=AgCl↓ + NaNO₃
2. กระบวนการรีดอกซ์: 2H₂S + O₂=2S↓ + 2H_2อ.
3. ไฮโดรไลซิส: อัล₂S3 _{+ 6H}2_O=2Al(OH) 3_{↓ + 3H}2_S.

เงื่อนไขการรวมตัวของสารเคมี

โครงสร้างของไมเซลล์ที่เกิดขึ้นระหว่างปฏิกิริยาเคมีเหล่านี้ขึ้นอยู่กับส่วนเกินหรือความบกพร่องของสารที่เกี่ยวข้อง นอกจากนี้ สำหรับการปรากฏตัวของสารละลายคอลลอยด์ จำเป็นต้องปฏิบัติตามเงื่อนไขหลายประการที่ป้องกันการตกตะกอนของสารประกอบที่ละลายได้เพียงเล็กน้อย:

• เนื้อหาของสารในสารละลายผสมควรต่ำ
• ความเร็วการผสมควรต่ำ
• ควรแก้ไขอย่างใดอย่างหนึ่ง

โครงสร้างมิเชล

ส่วนหลักของไมเซลล์คือแกนกลาง เกิดขึ้นจากอะตอม ไอออน และโมเลกุลจำนวนมากของสารประกอบที่ไม่ละลายน้ำ โดยปกติแกนกลางจะมีลักษณะเป็นโครงสร้างผลึก พื้นผิวของนิวเคลียสมีพลังงานสำรองซึ่งทำให้สามารถเลือกดูดซับไอออนจากสิ่งแวดล้อมได้ กระบวนการนี้ปฏิบัติตามกฎเปสคอฟซึ่งกล่าวว่า: บนพื้นผิวของของแข็ง ไอออนเหล่านั้นถูกดูดซับอย่างเด่นชัดซึ่งสามารถทำให้ผลึกขัดแตะของตัวเองสมบูรณ์ได้ สิ่งนี้เป็นไปได้หากไอออนเหล่านี้เกี่ยวข้องหรือคล้ายกันในลักษณะและรูปร่าง (ขนาด)

ในระหว่างการดูดซับ ชั้นของไอออนประจุบวกหรือประจุลบ ที่เรียกว่าไอออนกำหนดศักย์ไฟฟ้า จะก่อตัวขึ้นบนแกนไมเซลล์ เนื่องจากแรงไฟฟ้าสถิต มวลรวมประจุที่เป็นผลลัพธ์จะดึงดูดตัวสวนกลับ (ไอออนที่มีประจุตรงข้าม) จากสารละลาย ดังนั้นอนุภาคคอลลอยด์จึงมีโครงสร้างหลายชั้น ไมเซลล์ได้ชั้นไดอิเล็กตริกที่สร้างขึ้นจากไอออนที่มีประจุตรงข้ามกันสองประเภท

ไฮโดรซอล BaSO4

ตัวอย่างเช่น สะดวกในการพิจารณาโครงสร้างของไมเซลล์แบเรียมซัลเฟตในสารละลายคอลลอยด์ที่เตรียมด้วยแบเรียมคลอไรด์ส่วนเกิน กระบวนการนี้สอดคล้องกับสมการปฏิกิริยา:

BaCl_2(p) + Na₂SO_4(p)=BaSO _4(t) _{+ 2NaCl}(p).

ละลายได้เล็กน้อยในน้ำ แบเรียมซัลเฟตสร้างมวลรวมไมโครคริสตัลไลน์ที่สร้างขึ้นจากจำนวน BaSO โมเลกุลที่ m₄ พื้นผิวของมวลรวมนี้จะดูดซับปริมาณที่ n ของ Ba²⁺ ไอออน 2(n - x) Cl^- ไอออนเชื่อมต่อกับชั้นของไอออนที่กำหนดศักยภาพ และส่วนที่เหลือของเคาน์เตอร์ (2x) จะอยู่ในชั้นกระจาย นั่นคือ แกรนูลของไมเซลล์นี้จะถูกประจุบวก

ถ้ากินโซเดียมซัลเฟตเกินก็ไอออนที่กำหนดศักย์จะเป็น SO₄^2- ไอออน และตัวนับจะเป็น Na⁺. ในกรณีนี้ประจุของแกรนูลจะเป็นลบ

ตัวอย่างนี้แสดงให้เห็นอย่างชัดเจนว่าสัญลักษณ์ของประจุของเม็ดไมเซลล์นั้นขึ้นอยู่กับเงื่อนไขในการเตรียมโดยตรง

บันทึกไมเซลล์

ตัวอย่างก่อนหน้านี้แสดงให้เห็นว่าโครงสร้างทางเคมีของไมเซลล์และสูตรที่สะท้อนถูกกำหนดโดยสารที่กินมากเกินไป ให้เราพิจารณาวิธีการเขียนชื่อส่วนต่างๆ ของอนุภาคคอลลอยด์โดยใช้ตัวอย่างของคอปเปอร์ซัลไฟด์ไฮโดรซอล ในการเตรียมสารละลายโซเดียมซัลไฟด์จะค่อยๆ เทลงในสารละลายคอปเปอร์คลอไรด์ในปริมาณที่มากเกินไป:

CuCl₂ + Na₂S=CuS↓ + 2NaCl.

โครงสร้างของ CuS micelle ที่ได้รับเกิน CuCl₂ เขียนดังนี้:

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

ส่วนโครงสร้างของอนุภาคคอลลอยด์

เขียนสูตรของสารประกอบที่ละลายได้น้อยในวงเล็บเหลี่ยม ซึ่งเป็นพื้นฐานของอนุภาคทั้งหมด มักเรียกว่าผลรวม โดยปกติจำนวนโมเลกุลที่ประกอบกันจะเขียนด้วยอักษรละติน m

ไอออนที่กำหนดศักยภาพมีอยู่ในสารละลายมากเกินไป พวกเขาอยู่บนพื้นผิวของมวลรวมและในสูตรพวกเขาจะเขียนทันทีหลังวงเล็บเหลี่ยม จำนวนของไอออนเหล่านี้แสดงด้วยสัญลักษณ์ n ชื่อของไอออนเหล่านี้บ่งชี้ว่าประจุเป็นตัวกำหนดประจุของเม็ดไมเซลล์

เม็ดเกิดจากแกนและส่วนหนึ่งปฏิกิริยาในชั้นดูดซับ มูลค่าของประจุแบบแกรนูลเท่ากับผลรวมของประจุของเคาน์เตอร์ไอออนที่กำหนดศักยภาพและดูดซับ: +(2n – x) ส่วนที่เหลือของเคาน์เตอร์อยู่ในชั้นกระจายและชดเชยประจุของเม็ด

ถ้า Na₂S ถูกถ่ายมากเกินไป สำหรับไมเซลล์คอลลอยด์ที่ก่อตัวขึ้น โครงสร้างจะมีลักษณะดังนี้:

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

ไมเซลล์ของสารลดแรงตึงผิว

ในกรณีที่ความเข้มข้นของสารออกฤทธิ์ที่พื้นผิว (สารลดแรงตึงผิว) ในน้ำสูงเกินไป การรวมตัวของโมเลกุล (หรือไอออน) อาจเริ่มก่อตัว อนุภาคที่ขยายใหญ่ขึ้นเหล่านี้มีรูปร่างเป็นทรงกลมและเรียกว่าไมเซลล์ Gartley-Rebinder ควรสังเกตว่าไม่ใช่สารลดแรงตึงผิวทั้งหมดที่มีคุณสมบัตินี้ แต่เฉพาะสารที่มีอัตราส่วนของส่วนที่ไม่ชอบน้ำและชอบน้ำเท่านั้นที่เหมาะสมที่สุด อัตราส่วนนี้เรียกว่าสมดุลที่ชอบน้ำ-ไลโปฟิลิก ความสามารถของกลุ่มขั้วโลกในการปกป้องแกนไฮโดรคาร์บอนจากน้ำก็มีบทบาทสำคัญเช่นกัน

มวลรวมของโมเลกุลลดแรงตึงผิวเกิดขึ้นตามกฎหมายบางประการ:

• ต่างจากสารโมเลกุลต่ำ มวลรวมอาจมีจำนวนโมเลกุลที่แตกต่างกัน m การมีอยู่ของไมเซลล์ของสารลดแรงตึงผิวเป็นไปได้ด้วยจำนวนโมเลกุลที่กำหนดไว้อย่างเคร่งครัด
• ถ้าสำหรับสารอนินทรีย์ จุดเริ่มต้นของการเกิดไมเซลล์ถูกกำหนดโดยขีดจำกัดความสามารถในการละลาย จากนั้นสำหรับสารลดแรงตึงผิวอินทรีย์ จะถูกกำหนดโดยความสำเร็จของความเข้มข้นวิกฤตของไมเซลล์ไลเซชัน
• ก่อนอื่น จำนวนไมเซลล์ในสารละลายจะเพิ่มขึ้น จากนั้นขนาดก็เพิ่มขึ้น

ผลของสมาธิต่อรูปร่างมิเซลล์

โครงสร้างของไมเซลล์ลดแรงตึงผิวได้รับผลกระทบจากความเข้มข้นในสารละลาย เมื่อไปถึงค่าของมันแล้ว อนุภาคคอลลอยด์จะเริ่มมีปฏิสัมพันธ์ซึ่งกันและกัน ทำให้รูปร่างของพวกเขาเปลี่ยนไปดังนี้:

• ทรงกลมกลายเป็นทรงรีแล้วกลายเป็นทรงกระบอก
• กระบอกสูบที่มีความเข้มข้นสูงทำให้เกิดเฟสหกเหลี่ยม
• ในบางกรณี อาจเกิดเฟสลาเมลลาร์และผลึกแข็ง (อนุภาคสบู่) ปรากฏขึ้น

ประเภทของไมเซลล์

ระบบคอลลอยด์สามประเภทมีความโดดเด่นตามลักษณะเฉพาะของการจัดระเบียบโครงสร้างภายใน: suspensoids, ไมเซลลาร์คอลลอยด์, คอลลอยด์โมเลกุล

สารแขวนลอยอาจเป็นคอลลอยด์ที่ไม่สามารถย้อนกลับได้ เช่นเดียวกับคอลลอยด์ที่ไม่ชอบน้ำ โครงสร้างนี้เป็นเรื่องปกติสำหรับสารละลายของโลหะ รวมทั้งสารประกอบ (ออกไซด์และเกลือต่างๆ) โครงสร้างของเฟสกระจัดกระจายที่เกิดจากสารแขวนลอยไม่แตกต่างจากโครงสร้างของสารอัดแน่น มีตาข่ายคริสตัลโมเลกุลหรือไอออนิก ความแตกต่างจากระบบกันกระเทือนคือการกระจายตัวที่สูงกว่า ความสามารถในการย้อนกลับไม่ได้แสดงให้เห็นในความสามารถของสารละลายหลังจากการระเหยกลายเป็นตะกอนแห้ง ซึ่งไม่สามารถแปลงเป็นโซลได้ด้วยการละลายอย่างง่าย พวกมันถูกเรียกว่า lyophobic เนื่องจากปฏิกิริยาที่อ่อนแอระหว่างเฟสที่กระจัดกระจายและตัวกลางการกระจาย

ไมเซลล่าคอลลอยด์คือสารละลายที่มีอนุภาคคอลลอยด์เกิดขึ้นเมื่อเกาะติดโมเลกุลไดฟิลิคที่มีกลุ่มอะตอมและอนุมูลที่ไม่มีขั้ว ตัวอย่าง ได้แก่ สบู่และสารลดแรงตึงผิว โมเลกุลในไมเซลล์ดังกล่าวถูกยึดโดยแรงกระจายตัว รูปร่างของคอลลอยด์เหล่านี้ไม่เพียงแต่เป็นทรงกลม แต่ยังเป็นแผ่นลามิเนตด้วย

โมเลกุลคอลลอยด์ค่อนข้างเสถียรโดยไม่มีสารทำให้คงตัว หน่วยโครงสร้างของมันคือโมเลกุลเดี่ยว รูปร่างของอนุภาคคอลลอยด์อาจแตกต่างกันไปขึ้นอยู่กับคุณสมบัติของโมเลกุลและอันตรกิริยาภายในโมเลกุล ดังนั้นโมเลกุลเชิงเส้นตรงสามารถสร้างแท่งหรือขดลวดได้