მიცელი: სტრუქტურა, სქემა, აღწერა და ქიმიური ფორმულა

2024 ავტორი: Angel Austin | [email protected]. ბოლოს შეცვლილი: 2023-12-17 05:32

კოლოიდური სისტემები ძალიან მნიშვნელოვანია ნებისმიერი ადამიანის ცხოვრებაში. ეს გამოწვეულია არა მხოლოდ იმით, რომ ცოცხალ ორგანიზმში თითქმის ყველა ბიოლოგიური სითხე ქმნის კოლოიდებს. მაგრამ ბევრი ბუნებრივი მოვლენა (ნისლი, სმოგი), ნიადაგი, მინერალები, საკვები, მედიკამენტები ასევე კოლოიდური სისტემებია.

ასეთი წარმონაქმნების ერთეული, რომელიც ასახავს მათ შემადგენლობას და სპეციფიკურ თვისებებს, ითვლება მაკრომოლეკულად, ანუ მიცელად. ამ უკანასკნელის სტრუქტურა მრავალ ფაქტორზეა დამოკიდებული, მაგრამ ის ყოველთვის მრავალშრიანი ნაწილაკია. თანამედროვე მოლეკულური კინეტიკური თეორია კოლოიდურ ხსნარებს განიხილავს, როგორც ჭეშმარიტი ხსნარების განსაკუთრებულ შემთხვევას, ხსნარის უფრო დიდი ნაწილაკებით.

კოლოიდური ხსნარების მიღების მეთოდები

კოლოიდური სისტემის გამოჩენისას წარმოქმნილი მიცელის სტრუქტურა ნაწილობრივ დამოკიდებულია ამ პროცესის მექანიზმზე. კოლოიდების მიღების მეთოდები იყოფა ორ ფუნდამენტურად განსხვავებულ ჯგუფად.

დისპერსიის მეთოდები დაკავშირებულია საკმაოდ დიდი ნაწილაკების დაფქვასთან. ამ პროცესის მექანიზმიდან გამომდინარე, განასხვავებენ შემდეგ მეთოდებს.

1. დახვეწა. შეიძლება გაკეთდეს მშრალი ანსველი გზა. პირველ შემთხვევაში, მყარი ჯერ დაქუცმაცებულია და მხოლოდ ამის შემდეგ ემატება სითხე. მეორე შემთხვევაში ნივთიერებას ურევენ სითხეს და მხოლოდ ამის შემდეგ აქცევენ ერთგვაროვან ნარევს. დაფქვა ხორციელდება სპეციალურ ქარხნებში.
2. შეშუპება. დაფქვა მიიღწევა იმის გამო, რომ გამხსნელის ნაწილაკები შედიან დისპერსიულ ფაზაში, რასაც თან ახლავს მისი ნაწილაკების გაფართოება განცალკევებამდე.
3. დისპერსია ულტრაბგერითი. დასაფქვავი მასალა მოთავსებულია სითხეში და ხდება სონიკით.
4. ელექტროშოკის დისპერსია. მოთხოვნილი ლითონის სოლის წარმოებაში. იგი ხორციელდება დისპერსიული ლითონისგან დამზადებული ელექტროდების სითხეში მოთავსებით, რასაც მოჰყვება მათზე მაღალი ძაბვის გამოყენება. შედეგად წარმოიქმნება ვოლტაური რკალი, რომელშიც ლითონი იფრქვევა და შემდეგ კონდენსირდება ხსნარში.

ეს მეთოდები შესაფერისია როგორც ლიოფილური, ასევე ლიოფობიური კოლოიდური ნაწილაკებისთვის. მიცელის სტრუქტურა ხორციელდება მყარი ნივთიერების თავდაპირველი სტრუქტურის განადგურებასთან ერთად.

კონდენსაციის მეთოდები

მეორე ჯგუფის მეთოდებს, რომლებიც დაფუძნებულია ნაწილაკების გაფართოებაზე, ეწოდება კონდენსაცია. ეს პროცესი შეიძლება ეფუძნებოდეს ფიზიკურ ან ქიმიურ მოვლენებს. ფიზიკური კონდენსაციის მეთოდები მოიცავს შემდეგს.

1. გამხსნელის შეცვლა. საქმე ეხება ნივთიერების გადატანას ერთი გამხსნელიდან, რომელშიც ის ძალიან კარგად იხსნება, მეორეში, რომელშიც ხსნადობა გაცილებით დაბალია. შედეგად, მცირე ნაწილაკებიგაერთიანდება უფრო დიდ აგრეგატებად და გამოჩნდება კოლოიდური ხსნარი.
2. ორთქლის კონდენსაცია. ამის მაგალითია ნისლები, რომელთა ნაწილაკებს შეუძლიათ ცივ ზედაპირებზე დამკვიდრება და თანდათან გადიდდნენ.

ქიმიური კონდენსაციის მეთოდები მოიცავს ზოგიერთ ქიმიურ რეაქციას, რომელსაც თან ახლავს რთული სტრუქტურის ნალექი:

1. იონის გაცვლა: NaCl + AgNO₃=AgCl↓ + NaNO₃.
2. რედოქსის პროცესები: 2H₂S + O₂=2S↓ + 2H_2O.
3. ჰიდროლიზი: Al₂S₃ + 6H₂O=2Al(OH) ₃↓ + 3H₂S.

ქიმიური კონდენსაციის პირობები

ამ ქიმიური რეაქციების დროს წარმოქმნილი მიცელების სტრუქტურა დამოკიდებულია მათში ჩართული ნივთიერებების სიჭარბეზე ან დეფიციტზე. ასევე, კოლოიდური ხსნარების გამოჩენისთვის საჭიროა დაიცვან მთელი რიგი პირობები, რომლებიც ხელს უშლის ნაკლებად ხსნადი ნაერთის დალექვას:

• ნივთიერებების შემცველობა შერეულ ხსნარებში უნდა იყოს დაბალი;
• მათი შერევის სიჩქარე უნდა იყოს დაბალი;
• ერთი ხსნარი უნდა იქნას მიღებული ჭარბად.

მიკელის სტრუქტურა

მიკელის ძირითადი ნაწილი არის ბირთვი. იგი წარმოიქმნება უხსნადი ნაერთის ატომების, იონებისა და მოლეკულების დიდი რაოდენობით. ჩვეულებრივ ბირთვს ახასიათებს კრისტალური სტრუქტურა. ბირთვის ზედაპირს აქვს თავისუფალი ენერგიის რეზერვი, რაც შესაძლებელს ხდის გარემოდან იონების შერჩევით შეწოვას. ეს პროცესიემორჩილება პესკოვის წესს, რომელიც ამბობს: მყარი ნივთიერების ზედაპირზე უპირატესად შეიწოვება ის იონები, რომლებსაც შეუძლიათ საკუთარი კრისტალური გისოსის დასრულება. ეს შესაძლებელია, თუ ეს იონები დაკავშირებულია ან მსგავსია ბუნებით და ფორმით (ზომით).

ადსორბციის დროს მიცელის ბირთვზე წარმოიქმნება დადებითად ან უარყოფითად დამუხტული იონების ფენა, რომელსაც ეწოდება პოტენციალის განმსაზღვრელი იონები. ელექტროსტატიკური ძალების გამო, შედეგად დამუხტული აგრეგატი იზიდავს კონტრ იონებს (იონები საპირისპირო მუხტით) ხსნარიდან. ამრიგად, კოლოიდურ ნაწილაკს აქვს მრავალშრიანი სტრუქტურა. მიცელი იძენს დიელექტრიკულ ფენას, რომელიც აგებულია ორი ტიპის საპირისპიროდ დამუხტული იონებისგან.

Hydrosol BaSO4

მაგალითად, მოსახერხებელია განიხილოს ბარიუმის სულფატის მიცელის სტრუქტურა ბარიუმის ქლორიდის ჭარბი რაოდენობით მომზადებულ კოლოიდურ ხსნარში. ეს პროცესი შეესაბამება რეაქციის განტოლებას:

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

წყალში ოდნავ ხსნადი, ბარიუმის სულფატი ქმნის მიკროკრისტალურ აგრეგატს, რომელიც აგებულია BaSO მოლეკულების m-ე რიცხვიდან₄. ამ აგრეგატის ზედაპირი შთანთქავს Ba²⁺ იონების n-ე რაოდენობას. 2(n - x) Cl^- იონები დაკავშირებულია პოტენციალის განმსაზღვრელი იონების ფენასთან. ხოლო დანარჩენი კონტრიონები (2x) განლაგებულია დიფუზურ ფენაში. ანუ ამ მიცელის გრანულები დადებითად იქნება დამუხტული.

თუ ნატრიუმის სულფატს ჭარბად იღებენ, მაშინპოტენციალის განმსაზღვრელი იონები იქნება SO₄^2- იონები, ხოლო კონტრაიონები იქნება Na⁺. ამ შემთხვევაში გრანულის მუხტი უარყოფითი იქნება.

ეს მაგალითი ნათლად აჩვენებს, რომ მიცელის გრანულის მუხტის ნიშანი პირდაპირ დამოკიდებულია მისი მომზადების პირობებზე.

მიცელების ჩამწერი

წინა მაგალითმა აჩვენა, რომ მიცელების ქიმიური სტრუქტურა და ფორმულა, რომელიც მას ასახავს, განისაზღვრება ჭარბი რაოდენობით მიღებული ნივთიერებით. განვიხილოთ კოლოიდური ნაწილაკების ცალკეული ნაწილების სახელების ჩაწერის გზები სპილენძის სულფიდის ჰიდროზოლის მაგალითის გამოყენებით. მის მოსამზადებლად ნატრიუმის სულფიდის ხსნარს ნელა ასხამენ ჭარბი რაოდენობით სპილენძის ქლორიდის ხსნარში:

CuCl₂ + Na₂S=CuS↓ + 2NaCl.

CuS მიკელის სტრუქტურა, რომელიც მიღებულია CuCl-ზე მეტით₂ იწერება შემდეგნაირად:

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

კოლოიდური ნაწილაკების სტრუქტურული ნაწილები

კვადრატულ ფრჩხილებში ჩაწერეთ ნაკლებად ხსნადი ნაერთის ფორმულა, რომელიც არის მთელი ნაწილაკის საფუძველი. მას ჩვეულებრივ უწოდებენ აგრეგატს. ჩვეულებრივ, მოლეკულების რაოდენობა, რომლებიც ქმნიან აგრეგატს, იწერება ლათინური ასოთი m.

პოტენციალის განმსაზღვრელი იონები ჭარბად შეიცავს ხსნარში. ისინი განლაგებულია აგრეგატის ზედაპირზე, ხოლო ფორმულაში ისინი იწერება კვადრატული ფრჩხილების შემდეგ. ამ იონების რაოდენობა აღინიშნება სიმბოლოთი n. ამ იონების სახელი მიუთითებს იმაზე, რომ მათი მუხტი განსაზღვრავს მიცელის გრანულის მუხტს.

გრანულა წარმოიქმნება ბირთვით და ნაწილითკონტრიონები ადსორბციულ ფენაში. გრანულების მუხტის სიდიდე ტოლია პოტენციალის განმსაზღვრელი და ადსორბირებული კონტრიონების მუხტების ჯამის: +(2n – x). კონტრაიონების დარჩენილი ნაწილი დიფუზურ შრეშია და აკომპენსირებს გრანულის დამუხტვას.

თუ Na₂S ჭარბად იქნა აღებული, მაშინ ჩამოყალიბებული კოლოიდური მიცელისთვის სტრუქტურის სქემა ასე გამოიყურება:

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

სურფაქტანტების მიცელი

იმ შემთხვევაში, თუ ზედაპირულად აქტიური ნივთიერებების (სურფაქტანტების) კონცენტრაცია წყალში ძალიან მაღალია, შეიძლება დაიწყოს მათი მოლეკულების (ან იონების) აგრეგატების წარმოქმნა. ამ გაფართოებულ ნაწილაკებს აქვთ სფეროს ფორმა და უწოდებენ Gartley-Rebinder micelles. უნდა აღინიშნოს, რომ ეს უნარი ყველა ზედაპირულ აქტიურ ნივთიერებას არ აქვს, არამედ მხოლოდ მათ, რომლებშიც ოპტიმალურია ჰიდროფობიური და ჰიდროფილური ნაწილების თანაფარდობა. ამ თანაფარდობას ჰიდროფილურ-ლიპოფილურ ბალანსს უწოდებენ. მათი პოლარული ჯგუფების უნარი, დაიცვას ნახშირწყალბადის ბირთვი წყლისგან, ასევე მნიშვნელოვან როლს ასრულებს.

სურფაქტანტის მოლეკულების აგრეგატები წარმოიქმნება გარკვეული კანონების მიხედვით:

• დაბალმოლეკულური ნივთიერებებისგან განსხვავებით, რომელთა აგრეგატები შეიძლება მოიცავდეს m მოლეკულების განსხვავებულ რაოდენობას, ზედაპირულად აქტიური მიცელების არსებობა შესაძლებელია მკაცრად განსაზღვრული მოლეკულების რაოდენობით;
• თუ არაორგანული ნივთიერებებისთვის მიცელიზაციის დაწყება განისაზღვრება ხსნადობის ლიმიტით, მაშინ ორგანული ზედაპირულად აქტიური ნივთიერებებისთვის იგი განისაზღვრება მიცელიზაციის კრიტიკული კონცენტრაციების მიღწევით;
• ჯერ ხსნარში იზრდება მიცელების რაოდენობა, შემდეგ კი მათი ზომა.

კონცენტრაციის ეფექტი მიკელის ფორმაზე

სურფაქტანტი მიცელების სტრუქტურაზე გავლენას ახდენს მათი კონცენტრაცია ხსნარში. მისი ზოგიერთი მნიშვნელობის მიღწევის შემდეგ, კოლოიდური ნაწილაკები იწყებენ ურთიერთქმედებას ერთმანეთთან. ეს იწვევს მათი ფორმის შეცვლას შემდეგნაირად:

• სფერო იქცევა ელიფსოიდად და შემდეგ ცილინდრად;
• ცილინდრების მაღალი კონცენტრაცია იწვევს ექვსკუთხა ფაზის წარმოქმნას;
• ზოგიერთ შემთხვევაში ჩნდება ლამელარული ფაზა და მყარი კრისტალი (საპნის ნაწილაკები).

მიცელების ტიპები

შიდა სტრუქტურის ორგანიზაციის თავისებურებების მიხედვით გამოიყოფა კოლოიდური სისტემების სამი ტიპი: სუსპენსოიდები, მიცელარული კოლოიდები, მოლეკულური კოლოიდები.

სუსპენსოიდები შეიძლება იყოს შეუქცევადი კოლოიდები, ისევე როგორც ლიოფობიური კოლოიდები. ეს სტრუქტურა დამახასიათებელია ლითონების ხსნარებისთვის, აგრეთვე მათი ნაერთებისთვის (სხვადასხვა ოქსიდები და მარილები). სუსპენსოიდებით წარმოქმნილი დისპერსიული ფაზის სტრუქტურა არ განსხვავდება კომპაქტური ნივთიერების სტრუქტურისგან. მას აქვს მოლეკულური ან იონური კრისტალური ბადე. შეჩერებისგან განსხვავება უფრო მაღალი დისპერსიულია. შეუქცევადობა გამოიხატება აორთქლების შემდეგ მათი ხსნარების უნარში, შექმნან მშრალი ნალექი, რომელიც არ შეიძლება გადაიზარდოს სოლად მარტივი დაშლის გზით. მათ ლიოფობიურს უწოდებენ დისპერსიულ ფაზასა და დისპერსიულ გარემოს შორის სუსტი ურთიერთქმედების გამო.

მიცელარული კოლოიდები არის ხსნარები, რომელთა კოლოიდური ნაწილაკები წარმოიქმნებაატომების პოლარული ჯგუფებისა და არაპოლარული რადიკალების შემცველი დიფილური მოლეკულების შეწებებისას. მაგალითებია საპნები და ზედაპირულად აქტიური ნივთიერებები. ასეთ მიცელებში მოლეკულები ინახება დისპერსიული ძალებით. ამ კოლოიდების ფორმა შეიძლება იყოს არა მხოლოდ სფერული, არამედ ლამელარული.

მოლეკულური კოლოიდები საკმაოდ სტაბილურია სტაბილიზატორების გარეშე. მათი სტრუქტურული ერთეულები ინდივიდუალური მაკრომოლეკულებია. კოლოიდური ნაწილაკების ფორმა შეიძლება განსხვავდებოდეს მოლეკულის თვისებებისა და ინტრამოლეკულური ურთიერთქმედების მიხედვით. ასე რომ, ხაზოვან მოლეკულას შეუძლია შექმნას ღერო ან ხვეული.