Виды мицелл. Мицеллы (micelles). Условия проведения химической конденсации

Учреждение Российской академии наук Институт проблем экологии и эволюции имени А. Н. Северцова РАН (ИПЭЭ РАН )
Международное название	Severtsov Institute of Ecology and Evolution of the Russian Academy of Sciences
Прежнее название	Институт эволюционной морфологии и экологии животных АН СССР
Основан
Директор
Расположение
Юридический адрес

Институт проблем экологии и эволюции имени А. Н. Северцова - Российской Академии Наук , занимающийся проблемами общей и частной экологии животных, биоразнообразия, поведения и эволюционной морфологии животных, а также разрабатывающий рекомендации по охране природы .

Общие сведения

Первоначальная история: в 1921-1922 гг. - Центральная биологическая станция Народного комиссариата просвещения РСФСР.

В 1924-1930 гг. Государственный научно-исследовательский институт по изучению и пропаганде научных основ диалектического материализма (Тимирязевский институт- хотя Тимирязев был позитивистом).

С 1929 по 1932 гг. - в системе учреждений Коммунистической академии , но подчинен Ученому комитету ЦИК СССР.

В 1930 г. переименован в Биологический институт им. К.А. Тимирязева Коммунистической Академии.

В 1936 г. преобразован в Институт общей биологии АН СССР им. К. А. Тимирязева.

В современном виде, первоначально, институт был создан в 1934 году на базе Лаборатории эволюционной морфологии АН СССР, основанной известным российским ученым, академиком Алексеем Николаевичем Северцовым , который и был его первым директором .

Зимой 1930 г. при Академии наук СССР была организована Лаборатория эволюционной морфологии, руководителем которой стал известнейший зоолог, академик по отделению физико-математических наук А.Н. Северцов.

Лаборатория была последним начинанием Алексея Николаевича в области научно-организационной деятельности и его любимым детищем на протяжении всей последующей жизни.

Ядро лаборатории составили московские ученики А.Н. Северцова: Б.С. Матвеев , С.Г. Крыжановский, В.В. Васнецов, С.Н. Боголюбский, А.А. Машковцев, С.А. Северцов, Е.Ф. Еремеева, С.В. Емельянов, А.Н. Дружинин, Н.Н. Дислер, А.Г. Рындзюнский.

Лаборатория занималась исследованиями морфологических закономерностей эволюционного процесса, используя данные сравнительной морфологии животных. Все сотрудники лаборатории разместились в трех комнатах на территории Института сравнительной анатомии Московского университета. И в таком виде лаборатория просуществовала 4 года. В 1934 г. лаборатория расширилась, переехала в здание на Большой Калужской улице (ныне Ленинский проспект, дом 33) и была преобразована в Институт эволюции животных (ИЭЖ) (протокол № 18 заседания Президиума Академии наук СССР от 05.10.1934 г.).

Именно от этой даты – 5 октября 1934 г. – Институт проблем экологии и эволюции им. А.Н. Северцова РАН отсчитывает свою современную историю. Директором Института был назначен академик А.Н. Северцов, а его заместителем – академик А.А. Борисяк (протокол № 26 от 14.12.1934 г.).

Они возглавили и два сектора в составе Института – сектор морфологии современных животных (А.Н. Северцов) и сектор палеозоологии (А.А. Борисяк).

В сектор морфологии современных животных вошли 7 отделов: филогенеза (заведующий – В.В. Васнецов); онтогенеза (заведующий – Б.С. Матвеев); эволюции домашних животных (заведующий – С.Н. Боголюбский); функциональной морфологии (заведующий – А.А. Машковцев); эволюционной биологии (заведующий – С.А. Северцов); морфологии беспозвоночных (заведующий – Д.М. Федотов); органогенеза и филогенетики (заведующий – И.И. Шмальгаузен). В сектор палеозоологии вошли два отдела: отдел филогенеза (заведующий – А.А. Борисяк) и отдел палеобиологии (заведующий – Р.Ф. Геккер).

В декабре 1934 г. на Общем собрании Академии наук СССР название института было скорректировано и утверждено как Институт эволюционной морфологии и палеозоологии (ИЭМП).

24 сентября 1936 г., в день 70-летия А.Н. Северцова, ЦИК СССР, в ознаменование заслуг Алексея Николаевича, вынес постановление о присвоении ИЭМП его имени. Это решение было утверждено Общим собранием Академии наук СССР 29 декабря 1936 г. (протокол № 24) уже после смерти А.Н. Северцова, которая последовала 19 декабря 1936 г.

Незадолго до этого 5 декабря 1936 г. (протокол № 25 Президиума АН СССР) было принято решение о разделении ИЭМП на два института – Институт эволюционной морфологии (ИЭМ) им. А.Н. Северцова и (ПИН), в который был также включён переведённый из Ленинграда Палеозоологический институт.

В состав ИЭМ была включена зоологическая часть Института общей биологии им. К.А. Тимирязева АН СССР, включая лабораторию эволюционной физиологии ставшего заместителем директора ИЭМ в 1936-1944 профессора Х.С. Коштоянца и лабораторию общей онтогении животных, основанную бывшим директором Института общей биологии им. К. А. Тимирязева профессором Б.П. Токиным .

(Ботаническая часть была включена в переведенный из Петербурга ).

В результате реорганизации в Институте эволюционной морфологии стало три сектора: экспериментальной морфологии (заведующий – академик И.И. Шмальгаузен), эволюционной морфологии (заведующий – профессор Б.С. Матвеев), эволюционной физиологии (заведующий – профессор Х.С. Коштоянц).

После смерти А. Н. Северцова директором ИЭМ имени А. Н. Северцова был назначен последний директор Института общей биологии имени К. А. Тимирязева зав сектором экспериментальной морфологии ИЭМ академик И.И. Шмальгаузен , под руководством которого разрабатывались проблемы филогенеза, эволюционной морфологии, эмбриологии и физиологии животных. В этот период ИЭМ им. А.Н. Северцова АН СССР стал центром исследований закономерностей эволюционного процесса в мире животных.

После ряда преобразований и переименований в 1967 году Институту был дано название Институт эволюционной морфологии и экологии животных имени А. Н. Северцова (ИЭМЭЖ). В 1994 году вследствие концентрации фундаментальных исследований на проблемах экологии, эволюции и биоразнообразия Институт был переименован и получил свое современное название.

Формирование Института в современном его виде, в основном, связано с именем академика Владимира Евгеньевича Соколова , который был директором Института в - гг. Благодаря его деятельности Институт стал одним из ведущих научно-исследовательских учреждений России биологического профиля.

Структура и кадры

В Институте 2 филиала, 42 научно-исследовательских лабораторий и групп, Российско-Монгольская комплексная биологическая экспедиция, Тропическое отделение, Центр кольцевания птиц, Кабинет электронной микроскопии, виварий, аквариальная и 9 биологических станций в различных регионах страны.

В структуру Института входит ряд проблемных советов РАН, секретариаты Национального Комитета биологов России, Териологического общества , Комиссии РАН по сохраненнию биологического разнообразия, Научного совета по экологии биологических систем, Научного совета по гидробиологии и ихтиологии и др.

В штате Института состоят (2010 год): 5 академиков РАН , 3 члена-корреспондента РАН, 30 профессоров, 90 докторов и 173 кандидата наук, около 30 докторантов и аспирантов.

Ежегодно сотрудники Института публикуют 30 книг и 600-700 статей по фундаментальным проблемам биологии и экологии. Некоторые из них (около 10 книг и 300 статей) публикуются в международных издательствах и научных журналах.

Институт координирует исследования в рамках трех Федеральных программ по биологическому разнообразию:

Основы мониторинга биоразнообразия
Сохранение редких и исчезающих видов растений и животных и видов, имеющих ресурсное обеспечение
Оценка последствий воздействий чужеродных видов на структуру, продуктивность и биоразнообразие экосистем России

Данные, полученные в институте, широко используются в сельском, охотничьем, лесном и рыбном хозяйстве, медицине, охране природы и др. Эти данные служат основой для рационального использования и сохранения природных ресурсов и экосистем Земли.

Коллоидные системы чрезвычайно важны в жизни любого человека. Это связано не только с тем, что практически все биологические жидкости в живом организме образуют коллоиды. Но и многие природные явления (туман, смог), почва, минералы, продукты питания, лекарственные средства тоже являются коллоидными системами.

Единицей таких образований, отражающих их состав и специфические свойства, принято считать макромолекулу, или мицеллу. Строение последней зависит от ряда факторов, но это всегда многослойная частица. Современной молекулярно-кинетической теорией коллоидные растворы рассматриваются в качестве частного случая истинных растворов, с более крупными частицами растворенного вещества.

Способы получения коллоидных растворов

Строение мицеллы, образующейся при возникновении коллоидной системы, отчасти зависит и от механизма этого процесса. Методы получения коллоидов делят на две принципиально разные группы.

Диспергационные методы связаны с измельчением довольно крупных частиц. В зависимости от механизма этого процесса различают следующие способы.

Размол. Может осуществляться сухим или мокрым способом. В первом случае твердое вещество сначала измельчают, а уже затем прибавляют жидкость. Во втором случае вещество смешивают с жидкостью, и только после этого превращают в однородную смесь. Размол проводят в специальных мельницах.
Набухание. Измельчение достигается благодаря тому, что частицы растворителя проникают внутрь дисперсной фазы, что сопровождается раздвиганием ее частиц вплоть до отрыва.
Диспергирование ультразвуком. Материал, подверженный измельчению, помещают в жидкость и действуют на него ультразвуком.
Диспергирование электрическим током. Востребовано при получении золей металлов. Проводится путем помещения в жидкость электродов из диспергируемого металла с последующей подачей на них высокого напряжения. В результате образуется в которой металл распыляется, а затем конденсируется в раствор.

Эти способы подходят для получения как лиофильных, так и лиофобных коллоидных частиц. Строение мицеллы осуществляется одновременно с разрушением исходной структуры твердого вещества.

Конденсационные методы

Вторая группа методов, основанная на укрупнении частиц, называется конденсационными. Этот процесс может основываться на физических или химических явлениях. К методам физической конденсации относят следующие.

Замена растворителя. Сводится она к переводу вещества из одного растворителя, в котором оно растворяется очень хорошо, в другой, растворимость в котором значительно ниже. В результате этого мелкие частицы объединятся в более крупные агрегаты и возникнет коллоидный раствор.
Конденсация из паров. В качестве примера можно назвать туманы, частицы которых способны оседать на холодных поверхностях и постепенно укрупняться.

К методам химической конденсации относят некоторые химические реакции, сопровождающиеся выпадением осадков комплексной структуры:

Ионный обмен: NaCl + AgNO 3 = AgCl↓ + NaNO 3 .
Окислительно-восстановительные процессы: 2H 2 S + O 2 = 2S↓ + 2H 2 O.
Гидролиз: Al 2 S 3 + 6H 2 O = 2Al(OH) 3 ↓ + 3H 2 S.

Условия проведения химической конденсации

Строение мицелл, образующихся в ходе этих химических реакций, зависит от избытка или недостатка участвующих в них веществ. Также для появления коллоидных растворов необходимо соблюдать ряд условий, предотвращающих выпадение в осадок труднорастворимого соединения:

содержание веществ в смешиваемых растворах должно быть низким;
скорость их смешивания должна быть невысокой;
один из растворов должен быть взят в избытке.

Строение мицеллы

Основной частью мицеллы является ядро. Оно образовано большим числом атомов, ионов и молекул нерастворимого соединения. Обычно ядро характеризуется кристаллическим строением. Поверхность ядра имеет запас свободной энергии, позволяющей избирательно адсорбировать ионы из окружающей среды. Процесс этот подчиняется правилу Пескова, которое гласит: на поверхности твердого вещества преимущественно адсорбируются те ионы, которые способны достраивать его же кристаллическую решетку. Это возможно в том случае, если эти ионы родственные или сходные по природе и форме (размерам).

В ходе адсорбции на ядре мицеллы образуется слой положительно или отрицательно заряженных ионов, называемых потенциалопределяющими. Благодаря электростатическим силам полученный заряженный агрегат притягивает из раствора противоионы (ионы с противоположным зарядом). Таким образом, имеет многослойное строение. Мицелла приобретает диэлектрический слой, построенный из двух типов противоположно заряженных ионов.

Гидрозоль BaSO4

В качестве примера удобно рассмотреть строение мицеллы в коллоидном растворе, приготовленном в избытке хлорида бария. Этому процессу соответствует уравнение реакции:

BaCl 2(p) + Na 2 SO 4(p) = BaSO 4(т) + 2NaCl (p) .

Малорастворимый в воде сульфат бария образует микрокристаллический агрегат, построенный из m-ного числа молекул BaSO 4 . Поверхностью этого агрегата адсорбируется n-ное количество ионов Ва 2+ . Со слоем потенциалопределяющих ионов связано 2(n - x) ионов Cl - . А остальная же часть противоионов (2x) расположена в диффузном слое. То есть гранула данной мицеллы будет положительно заряженной.

Если же в избытке взят сульфат натрия, то потенциалопределяющими ионами будут ионы SO 4 2- , а противоионами - Na + . В этом случае заряд гранулы будет отрицательным.

Этот пример наглядно демонстрирует, что знак заряда гранулы мицеллы напрямую зависит от условий ее получения.

Запись мицеллы

Предыдущий пример показал, что мицелл и формула, его отражающая, определяется тем веществом, которое взято в избытке. Рассмотрим способы записи названия отдельных частей коллоидной частицы на примере гидрозоля сульфида меди. Для его приготовления в избыточное количество раствора хлорида меди медленно приливают раствор сульфида натрия:

CuCl 2 + Na 2 S = CuS↓ + 2NaCl.

Строение мицеллы CuS, полученной в избытке CuCl 2 , записывается следующим образом:

{·nCu 2+ ·xCl - } +(2n-x) ·(2n-x)Cl - .

Структурные части коллоидной частицы

В записывают формулу труднорастворимого соединения, являющегося основой всей частицы. Ее принято называть агрегатом. Обычно число молекул, составляющих агрегат, записывают латинской буквой m.

Потенциалопределяющие ионы содержатся в избыточном количестве в растворе. Они располагаются на поверхности агрегата, а в формуле их записывают сразу за квадратными скобками. Число этих ионов обозначают символом n. Название этих ионов говорит о том, что их заряд определяет заряд гранулы мицеллы.

Гранула образована ядром и частью противоионов, находящихся в адсорбционном слое. Величина заряда гранулы равняется сумме зарядов потенциалопределяющих и адсорбированных противоионов: +(2n - x). Оставшаяся часть противоионов находится в диффузном слое и компенсирует заряд гранулы.

Если бы в избытке взяли Na 2 S, то для образовавшейся коллоидной мицеллы схема строения имела бы вид:

{∙nS 2- ∙xNa + } -(2n - x) ∙(2n - x)Na + .

Мицеллы поверхностно-активных веществ

В том случае если концентрация поверхностно-активных веществ (ПАВ) в воде слишком высока, могут начать формироваться агрегаты из их молекул (или ионов). Эти укрупненные частицы имеют форму сферы и называются мицеллами Гартли - Ребиндера. Стоит отметить, что такой способностью обладают далеко не все ПАВ, а только те, у которых соотношение гидрофобной и гидрофильной частей оптимально. Это соотношение называется гидрофильно-липофильным балансом. Также немалую роль играет способность их полярных групп защищать углеводородное ядро от воды.

Агрегаты молекул ПАВ образуются по определенным законам:

в отличие от низкомолекулярных веществ, агрегаты которых могут включать различное число молекул m, существование мицелл ПАВ возможно со строго определенным числом молекул;
если для неорганических веществ старт мицеллообразования обусловлен пределом растворимости, то для органических поверхностно-активных веществ он определяется достижением критических концентраций мицеллообразования;
сначала в растворе увеличивается число мицелл, а затем происходит увеличение их размеров.

Влияние концентрации на форму мицеллы

На строение мицелл ПАВ оказывает влияние их концентрация в растворе. При достижении некоторых ее значений, коллоидные частицы начинают друг с другом взаимодействовать. Это приводит к изменению их формы следующим образом:

сфера превращается в эллипсоид, а затем в цилиндр;
высокая концентрация цилиндров ведет к формированию гексагональной фазы;
в некоторых случаях возникает ламелярная фаза и твердый кристалл (частицы мыла).

Виды мицелл

По особенностям организации внутренней структуры выделяют три типа коллоидных систем: суспензоиды, мицеллярные коллоиды, молекулярные коллоиды.

Суспензоидами могут быть необратимые коллоиды, а также лиофобные коллоиды. Эта структура характерна для растворов металлов, а также их соединений (различных оксидов и солей). Строение дисперсной фазы, образованной суспензоидами, не отличается от структуры компактного вещества. Она имеет молекулярную или ионную кристаллическую решетку. Отличие от суспензий заключается в более высокой дисперсности. Необратимость проявляется в способности их растворов после выпаривания образовывать сухой осадок, который невозможно превратить в золь простым растворением. Лиофобными их называют из-за слабого взаимодействия между дисперсной фазой и дисперсионной средой.

Мицеллярными коллоидами являются растворы, коллоидные частицы которых возникают при слипании дифильных молекул, содержащих полярные группы атомов и неполярные радикалы. Примером являются мыла и ПАВ. Молекулы в таких мицеллах удерживаются дисперсионными силами. Форма этих коллоидов может быть не только сферической, но и пластинчатой.

Молекулярные коллоиды вполне устойчивы без стабилизаторов. Их структурными единицами являются отдельные макромолекулы. Форма частицы коллоида может варьироваться в зависимости от свойств молекулы и внутримолекулярных взаимодействий. Так линейная молекула может образовывать стержень или клубок.

Молекул. Как пример можно привести мицеллы додецилсульфата в воде. Раствор ПАВ, в котором мицеллы находятся в равновесии с одиночными неассоциированными молекулами - мономерами - называется мицеллярным раствором.

Переход к мицеллообразованию происходит в узком интервале концентраций, и его можно трактовать как фазовый переход 2-го рода . Причиной мицеллообразования в водных растворах является гидрофобный эффект, а в средах из неполярных молекул - взаимное притяжение полярных групп молекул ПАВ. Ниже определённой температуры (точки Крафта) образование мицелл не происходит, а при увеличении концентрации ПАВ наблюдается кристаллизация . При приближении концентрации ПАВ к критической концентрации мицеллообразования происходит резкое изменение свойств раствора: электропроводности , поверхностного натяжения , коэффициента рассеяния света и т. д.

Мицеллярные системы вызывают большой интерес как с точки зрения различных физико-химических технологических приложений (см. например мицеллярный катализ), так и своеобразия самого механизма мицеллообразования. В частности, этот интерес связан с полиморфизмом мицелл - способностью молекул ПАВ образовывать агрегаты различной формы - сферической, цилиндрической, нитевидной. Одним из важных свойств, вытекающим непосредственно из строения молекул ПАВ является солюбилизация . Применение свойства солюбилизации - это эмульсионная полимеризация , изготовление пищевых продуктов, получение фармацевтических препаратов .

История

Способность молекул ПАВ в растворе образовывать мицеллы известна уже более ста лет и широко применяется в современном мире. Первую работу по этой теме в начале 20 века выполнил канадский химик Джеймс Уильям МакБейн. Уже в 1913 году он постулировал существование мицелл для объяснения хорошей электролитической проводимости растворов пальмитиновой кислоты . Тем не менее, основы теоретического описания кинетики мицеллообразования были заложены значительно позже - в 70-х годах прошлого века - в работах Анианссона . За последние семнадцать лет кинетическая теория мицеллообразования была значительно расширена, углублена и представлена в терминах теории агрегационных процессов на основе разностных и континуальных кинетических уравнений Беккера-Дёринга и обобщенных кинетических уравнений Смолуховского.

Видео по теме

Применение

Применение явления мицеллообразования непосредственно связано с применением ПАВ в быту, науке и промышленности:

Строение мицелл

В каждой молекуле длинный гидрофобный радикал связан с полярной (гидрофильной) группой. При образовании мицеллы молекулы объединяются так, что гидрофобные радикалы образуют ядро (внутреннюю область), а гидрофильные группы - поверхностный слой мицеллы. Минимальную концентрацию поверхностно-активных веществ в растворе, при которой в системе образуются устойчивые мицеллы, находящиеся в равновесии с неассоциированными молекулами поверхностно-активного вещества, называют критической концентрацией мицеллообразования . Если дисперсионной средой является органическая жидкость, ориентация молекул в мицелле может быть обратной: ядро содержит полярные группы, а гидрофобные радикалы обращены во внешнюю фазу (обратная мицелла) . частицы в коллоидных системах , состоящие из нерастворимого в данной среде ядра очень малого размера, окружённого стабилизирующей оболочкой адсорбированных ионов и молекул растворителя . Например, мицелла сульфида мышьяка имеет строение:

{(As 2 S 3) m nHS − (n-x)H + } x- хН +

Средний размер мицелл от 10 −7 до 10 −5 см.

Полиморфизм мицелл

Мицеллы могут существовать в состояниях с различными равновесными структурами и в различных внешних формах, устойчивых при различных концентрациях ПАВ в мицеллярном растворе .

При концентрациях ПАВ, меньших первой критической концентрации (ККМ1), на границе раздела между полярной и неполярной средами образуется монослой из молекул ПАВ - "частокол Лэнгмюра ". При концентрациях ПАВ близких к ККМ1 в растворе начинают формироваться сферические мицеллы. Далее, с увеличением концентрации ПАВ строение мицелл усложняется: сферические превращаются в глобулярные (сплюснутые с полюсов сферы) и затем, при достижении второй критической концентрации (ККМ2) - в цилиндрические мицеллы. При дальнейшем повышении концентрации последовательно начинают формироваться более сложные мицеллярные структуры, элементы которых также являются мицеллами - супермицеллы . И наконец, при дальнейшем увеличении ПАВ в растворе не только изменяется форма и увеличивается размеры мицелл, но и происходит их активное объединение в один большой кластер. Это явление называется гелеобразованием .

Кинетика мицеллообразования

Эволюция концентрации мицелл описывается в терминах теории агрегационных процессов на основе