Номер 6, страница 314 - гдз по физике 10 класс учебник Касьянов

Творческие задания. Параграф 66. Смачивание, капиллярность. 11. Жидкость и пар. Молекулярная физика - номер 6, страница 314.

Условие.

6. Подготовьте доклад «Мицеллы — новый объект системы "поверхностно-активные вещества — растворитель"».

Решение.

Введение

Система "поверхностно-активные вещества — растворитель" представляет собой одну из фундаментальных областей коллоидной химии. При определенных условиях в таких системах возникают наноразмерные агрегаты, называемые мицеллами. Мицеллы — это самопроизвольно образующиеся ассоциаты молекул поверхностно-активных веществ (ПАВ) в растворе, которые появляются при достижении определенной концентрации, известной как критическая концентрация мицеллообразования (ККМ). Эти структуры являются термодинамически устойчивыми и играют ключевую роль во многих природных и технологических процессах.

Строение и свойства поверхностно-активных веществ (ПАВ)

Молекулы ПАВ являются дифильными, то есть имеют двойственную природу. Они состоят из двух частей с противоположными свойствами по отношению к растворителю:

1. Гидрофильная (полярная) "головка" — часть молекулы, которая имеет сродство к полярным растворителям, таким как вода. Обычно это ионная (например, карбоксильная $ \text{-COO}^{-} $ или сульфатная $ \text{-SO}_{3}^{-} $) или полярная неионогенная группа (например, полиоксиэтиленовая).

2. Гидрофобный (неполярный) "хвост" — часть молекулы, которая отталкивается от полярных растворителей, но имеет сродство к неполярным средам (углеводородам, маслам). Как правило, это длинная углеводородная цепь.

Такое строение определяет основное свойство ПАВ — способность адсорбироваться на границе раздела фаз (например, вода–воздух или вода–масло) и снижать поверхностное натяжение.

Образование мицелл

При растворении ПАВ в полярном растворителе (например, в воде) при низких концентрациях молекулы ПАВ располагаются на поверхности раздела фаз, ориентируясь гидрофобными хвостами от воды. Однако по мере увеличения концентрации ПАВ поверхность насыщается, и молекулам становится энергетически выгоднее объединяться в объеме раствора, чтобы минимизировать контакт своих гидрофобных частей с водой. Этот процесс самосборки приводит к образованию мицелл.

В водной среде образуются прямые мицеллы: гидрофобные хвосты молекул ПАВ ориентируются внутрь, формируя неполярное ядро, а гидрофильные головки образуют внешнюю оболочку, контактирующую с молекулами воды. Этот процесс является энтропийно-движущим, так как "выталкивание" гидрофобных хвостов из воды приводит к увеличению энтропии системы за счет освобождения структурированных молекул воды вокруг каждого отдельного хвоста.

Критическая концентрация мицеллообразования (ККМ)

Мицеллы образуются не при любой концентрации ПАВ, а только по достижении определенного порога — критической концентрации мицеллообразования (ККМ). Ниже ККМ молекулы ПАВ существуют в растворе преимущественно в виде отдельных молекул (мономеров). Выше ККМ дальнейшее добавление ПАВ приводит в основном к образованию новых мицелл, в то время как концентрация мономеров остается практически постоянной и равной ККМ. Момент достижения ККМ можно зафиксировать по резкому изменению физико-химических свойств раствора, таких как поверхностное натяжение, электропроводность, мутность и осмотическое давление. Величина ККМ зависит от строения ПАВ (длины гидрофобного хвоста, природы полярной группы), температуры, давления и наличия в растворе электролитов.

Типы мицелл

В зависимости от природы растворителя и строения ПАВ могут образовываться различные типы мицелл:

• Прямые мицеллы. Образуются в полярных растворителях (вода). Имеют гидрофобное ядро и гидрофильную оболочку. Способны солюбилизировать (растворять) неполярные вещества (масла, жиры) в своем ядре.

• Обратные (инвертированные) мицеллы. Образуются в неполярных растворителях (углеводородах). В этом случае гидрофильные головки молекул ПАВ обращены внутрь, формируя полярное ядро, а гидрофобные хвосты направлены наружу, в неполярный растворитель. Такие мицеллы могут солюбилизировать полярные вещества, например, воду.

• При более высоких концентрациях ПАВ могут формироваться более сложные структуры, такие как цилиндрические мицеллы, гексагональные и ламеллярные (слоистые) фазы, образующие жидкие кристаллы.

Значение и применение мицелл

Мицеллообразование — это ключевое явление, лежащее в основе множества практических применений ПАВ:

1. Моющее действие. Мицеллы захватывают частицы жира и грязи в свои гидрофобные ядра, отрывая их от поверхности и переводя в раствор, что позволяет легко смыть их водой.

2. Фармацевтика. Мицеллы используются как системы доставки лекарств. Нерастворимые в воде лекарственные препараты могут быть инкапсулированы в ядро мицеллы, что повышает их растворимость и биодоступность.

3. Пищевая промышленность. ПАВ (эмульгаторы) используются для создания и стабилизации эмульсий, таких как майонез, маргарин, мороженое, где мицеллы стабилизируют капли жира в водной среде.

4. Химический синтез. Мицеллярный катализ — проведение химических реакций в мицеллах. Реакция между неполярными реагентами в водной среде может быть значительно ускорена, если она протекает в гидрофобном ядре мицеллы.

5. Косметология. Мицеллярная вода содержит мицеллы, которые эффективно удаляют макияж и загрязнения с кожи, захватывая их внутрь.

Ответ:

Мицеллы являются термодинамически устойчивыми наноразмерными ассоциатами дифильных молекул поверхностно-активных веществ (ПАВ), самопроизвольно образующимися в растворителе при достижении критической концентрации мицеллообразования (ККМ). Их уникальная структура, состоящая из ядра и оболочки с противоположными свойствами (например, гидрофобное ядро и гидрофильная оболочка в воде), позволяет им солюбилизировать (растворять) вещества, нерастворимые в данном растворителе. Это свойство определяет их фундаментальную роль и широкое применение в качестве моющих средств, эмульгаторов, систем доставки лекарств и катализаторов, делая мицеллы ключевым объектом в системе "ПАВ — растворитель".