Тема лекції: «Поверхневі явища. Загальна характеристика»

Кафедра фізичної та колоїдної хіміїНаціональний фармацевтичний університет

Лектор: доцент Бондаренко

Наталія Юріївна

План лекції:1. Поверхневі явища та їх значення для фармації.2. Основні поняття та визначення.3. Поверхневий натяг розчинів. Рівняння Шишковського.4. Поверхнева активність. Правило Дюкло-Траубе.5. Змочування.

Література:1. Кабачний, В. І. Лекції з фізичної хімії : навч. посіб. для студ.

вищ. фармац. навч. закл. / В. І. Кабачний, Л. Д. Грицан, Т. О. Томаровська, Л.К. Осіпенко; за ред. В. І. Кабачного. — Х. : НФаУ: Золоті сторінки, 2012. – 280 с.

2. Физическая и коллоидная химия / В. И. Кабачный, Л. К. Осипенко, Л.Д. Грицан и др. – 2-е изд., перераб. и доп. – Х. : Изд-во НФаУ, 2010. – 432 с.

Кафедра фізичної та колоїдної хімії

ПОВЕРХНЕВІ ЯВИЩАТА ЇХ ЗНАЧЕННЯ ДЛЯФАРМАЦІЇ

Кафедра фізичної та колоїдної хімії

Поверхневі явища (ПЯ) – це сукупність явищ, якіспостерігаються на межі розділу фаз. До них відносятьсяповерхневий натяг, адсорбція, змочування, адгезія, когезія та ін.

ПЯ відіграють велику роль у процесах обміну речовин,фармакодинаміці та фармакокінетиці лікарських речовин. Длялікарських форм з високорозвинутою поверхнею (золі, суспензії,емульсії, мазі, пасти, лініменти) вивчення ПЯ необхідно длянадання їм стабільності та тривалого терміну зберігання, а такожвизначає можливість опрацювання раціональних технологійвиробництва різних лікарських форм та умов їх застосування.

Також ПЯ визначають біодоступність лікарських форм, авідтак, обумовлюють їх терапевтичний ефект.

Кафедра фізичної та колоїдної хімії

ОСНОВНІ ПОНЯТТЯТА ВИЗНАЧЕННЯ

Кафедра фізичної та колоїдної хімії

ПЯ обумовлені силами міжмолекулярної взаємодії, якіособливо проявляються на поверхні розділу фаз.

Модель геометричної поверхні розділу рідина–газ а – молекула у об‘ємі рідини;

притягується молекулами, розташованими на відстані радіусу дії молекулярних сил (109м);

b – молекула поблизу поверхні.

Поверхневий натяг є результатом існування внутрішньогоnиску – сили, яка втягує поверхневі молекули всередину рідини іспрямована перпендикулярно до поверхні.

Кафедра фізичної та колоїдної хімії

В

Рідина

А

Газ

δδ

δa

b

Кафедра фізичної та колоїдної хімії

Для збільшення площі поверхні рідини необхідно здійснитироботу проти сил внутрішнього тиску. У зворотньому ізотермічномупроцесі робота, необхідна для створення одиниці поверхні, дорівнюєпитомій вільній енергії поверхні: , де – поверхневий натяг. За фізичним змістом визначення – цемаксимальна ізотермічна робота утворення одиниці поверхні[] = Дж/м2. Силове визначення – це сила, яка діє у напрямкудотичної, проведеної до поверхні розділу фаз, і намагається зменшитиплощу поверхні до найменших розмірів при даному об‘ємі [] = Н/м.

Робота утворення нової поверхні витрачається на подолання сил міжмолекулярного зчеплення (когезії) під час переходу молекулречовини з об'єму тіла у поверхневий шар. Рівнодіюча міжмолекулярних сил в поверхневому шарі не дорівнює нулю (як воб'ємі тіла) та спрямована всередину фази з більшою когезією.

dSGdW Δ

Поверхневий натяг різних рідин неоднаковий і залежить

від температури, полярності молекул, здатності утворювати

водневі зв’язки та ін. Він може слугувати мірою

інтенсивності сил взаємодії між молекулами речовини.

З підвищенням температури поверхневий натяг

зменшується, тому що середня відстань між молекулами

збільшується, а відтак зменшуються сили міжмолекулярної

взаємодії; і при критичній температурі (температура, вище

якої речовина не може знаходитись у рідкому стані)

дорівнює 0.

Кафедра фізичної та колоїдної хімії

ПОВЕРХНЕВИЙ НАТЯГРОЗЧИНІВ. РІВНЯННЯШИШКОВСЬКОГО

Кафедра фізичної та колоїдної хімії

Кафедра фізичної та колоїдної хімії

Усі речовини за впливом на поверхневий натяг розчинника

для поверхні розділу водний розчин–повітря поділяють на: поверхнево-активні (ПАР); поверхнево-неактивні (ПНАР); поверхнево-індиферентні (ПІндР ).

ПАР нагромаджуються у поверхневому шарі, а відтак

знижують поверхневий натяг води. Наприклад: R–ОН, R–СОН,

R–СООН, R–NH2, R–SO3H та ін.

Характерні особливості ПАР: дифільність молекули; менше, ніж 0 води;

погана розчинність у воді.

Дифільність – це наявність в одній молекулі одночаснополярної групи і неполярного вуглеводневого абоароматичного радикалу.

Полярна група добре гідратується і обумовлюєспорідненість ПАР до води. Гідрофобний радикал єпричиною низької розчинності ПАР у воді.

Кафедра фізичної та колоїдної хімії

Гідрофобний радикал

Гідрофільна група(—СООН, —NH2, —SO3H, — ОН)

ПНАР знаходяться у глибині фази розчину і, взаємодіючи зрозчинником, дещо підвищують поверхневий натяг розчину.Наприклад: усі неорганічні електроліти – кислоти, основи, солі, атакож, як виключення, деякі органічні (форміатна або аміноацетатнакислоти).

Характерні особливості ПНАР: відсутність дифільності; добра розчинність у воді; більше, ніж 0 води.

ПІндР – рівномірно розподіляються між поверхневим шаром іоб'ємом розчину і не впливають на поверхневий натяг води абоіншого розчинника.Наприклад: цукри майже не змінюють поверхневий натяг води(галактоза, глюкоза, фруктоза, мальтоза, лактоза та ін.).

Кафедра фізичної та колоїдної хімії

Кафедра фізичної та колоїдної хімії

Залежність поверхневого натягу від концентрації ПАР

виражається емпіричним рівнянням Шишковського:

0 – = a·ln(1+ b·с), де а, b – константи рівняння Шишковського.

а – коефіцієнт, який характеризує конкретний гомологічний ряд,

b – питома капілярна стала, яка залежить від природи розчиненої

речовини. Графічна залежність = f (с) при

Т = const має назву ізотерми поверхневого

натягу. Для ПАР та ПНАР ізотерми мають

вигляд кривих 1 і 2 відповідно, для ПІндР

ізотерма набуває вигляду прямої, паралельної

осі абсцис.

30

1

2

ПОВЕРХНЕВА АКТИВНІСТЬ.ПРАВИЛО ДЮКЛО-ТРАУБЕ

Кафедра фізичної та колоїдної хімії

Кафедра фізичної та колоїдної хімії

Поверхнева активність є мірою здатності речовини

знижувати поверхневий натяг на межі розділу фаз.

Абсолютне значення та її знак залежать від природи речовини і розчинника. Якщо з підвищенням концентрації речовини поверхневий натяг на межі розділу фаз

знижується, що спостерігається для ПАР, то g > 0. Для ПНАР – g < 0.

0

cdc

dg

Кафедра фізичної та колоїдної хімії

Способи графічного визначення поверхневої активності

Метод дотичних: якщо провести дотичну до ізотерми поверхневого натягу в точці А, то тангенс кута нахилу цієї дотичної до осі абсцис, буде дорівнювати поверхневій активності g1.

Метод відрізків: похідну поверхневого натягу за концентрацією з деяким наближенням замінюють відношенням кінцевих, але малих величин Δσ і Δс і розраховують поверхневу активність.

12

12

cccdc

d

11 tg

dc

dg

сс1

А1

0

1

А2

1

c1 c

c2 c

Кафедра фізичної та колоїдної хімії

Правило Дюкло–ТраубеЕкспериментально встановлено, що поверхнева активність

жирних кислот, спиртів та інших сполук у водних розчинаходнакової концентрації зростає в однакову кількість разів призбільшенні довжини вуглеводневого радикалу на групу –СН2–:

де K ~ 3,2-3,5.

Цю закономірність графічноможна представити таким чином(див. рис.) У такому вигляді правило справедливе лише для воднихрозчинів.

,1 K

dcddcd

n

n

Мурашина кислота НСООНОцтова кислота СН3СООН

Пропіонова кислота С2Н5СООН

н-Масляна кислота С3Н7СООН

н-Валеріанова кислота С4Н9СООНн-Капронова кислота С5Н11СООН

0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 с, моль/дм3

0

60

70

50

40

30

·103, Дж/м2

ЗМОЧУВАННЯ

Кафедра фізичної та колоїдної хімії

Змочування – це сукупність явищ, які відбуваються на межі трьох

фаз. Мірою змочування є рівноважний кут, який нанесена краплина

утворює з твердою поверхнею. Його визначають як кут між поверхнею

твердого тіла і дотичною в точці дотику трьох фаз і називають кутом

змочування (). Кут змочування завжди вимірюють з боку рідини; він

може змінюватись від 0 до 180°.

Кафедра фізичної та колоїдної хімії

11

т-г > т-р

р-г

2

т-г т-р 3р-г cоs

2

т-г < т-р

р-г

3 т-р т-г

1 – рідина, 2 – газ, 3 – тверде тіло

Дякую за увагу!