Адсорбция на границе раздела жидкость-газ и жидкость-жидкость. Уравнение Гиббса. Ориентация молекул ПАВ в поверхностном слое. Понятие о строении биологических мембран

1. Граница раздела жидкость/газ. Жидкое состояние возникает вследствие существования короткодействующих сил притяжения, которые препятствуют выходу молекул жидкости в газовую фазу, но не мешают их движению за счет соударения друг с другом. Такое соударение является причиной броуновского движения. Почти полное отсутствие молекул жидкости над жидкой поверхностью является результатом действия сил притяжения соседними молекулами, вследствие чего молекулы с поверхности втягиваются вглубь объема. Поэтому капля жидкости испытывает поверхностное сжатие, как будто она покрыта эластичной оболочкой, как у воздушного шара, хотя на самом деле такой оболочки у нее нет. Можно сказать, что молекулы на поверхности, обладая большей энергией, чем молекулы в объеме, стремятся уменьшить свою энергию, чтобы сохранить устойчивость системы.

Граница раздела жидкость/жидкость. Типичной границей раздела Ж/Ж является граница между водой (В) и маслом (М) – компонентами, не имеющими или имеющими слабое сродство друг к другу. Такая граница довольно явно выражена, хотя и не так резко, как это наблюдается для границы раздела Ж/Г (рис. 1). Возрастание общей поверхности соприкосновения путем диспергирования одной фазы (в виде малых капель) в другой происходит медленно, в то время как обратный переход к начальным фазам – быстро, причем движущей силой обратного процесса является тенденция к сокращению поверхности и уменьшению поверхностной энергии. Дифильные вещества (например, жирные кислоты), добавляемые в систему, распределяются на границе раздела Ж/Ж таким образом, что сродство различных частей молекулы к разным фазам вызывает понижение поверхностной свободной энергии и стабилизирует границу раздела. Сходство между видами распределения молекул на границах раздела Ж/Г и Ж/Ж можно видеть на рис. 4, а, б; основное различие заключается в присутствии молекул ПАВ в масляном слое. Распределение ПАВ, показанное на рис. 4, б, в равной степени относится к эмульсиям масла в воде (М/В) или воды в масле (В/М), так что оба типа эмульсий (или дисперсий) стабилизируются подходящими соответствующими ПАВ (рис. 5).

2.Дж.Гиббс вывел выражение для изотермы адсорбции, которое в упрощенной форме можно представить так:

где с – концентрация ПАВ, R – универсальная газовая постоянная и Т – абсолютная температура. Таким образом, если при увеличении концентрации g уменьшается, Г (называемая также «гиббсовской адсорбцией») является положительной величиной.

3 Ориентация молекул ПАВ в поверхностном слое.

Молекулы большинства ПАВ обладают дифильным строением, т.е. содержат

как полярную группу, так и неполярный углеводородный радикал. Расположение

таких молекул в поверхностном слое энергетически наиболее выгодно при условии

ориентации молекул полярной группой к полярной фазе (полярной жидкости), а

неполярной – к неполярной фазе (газу или неполярной жидкости). При малой

концентрации раствора тепловое движение нарушает ориентацию молекул ПАВ; при

повышении концентрации происходит насыщение адсорбционного слоя и на

поверхности раздела фаз образуется слой "вертикально" ориентированных молекул

ПАВ (рис. 4.3). Образование такого мономолекулярного слоя соответствует

минимальной величине поверхностного натяжения раствора ПАВ и максимальному

значению адсорбции Г (рис. 4.1-4.2); при дальнейшем увеличении концентрации

ПАВ в растворе поверхностное натяжение и адсорбция не изменяются.

4. Мембрана отделяет цитоплазму клетки от окружающей среды, а также служит барьером, ограничивающим функциональные единицы органелл от других клеточных компонентов. Ее основной структурный материал — липиды, белки и углеводы.