WODA

W ORGANIZMIE

CZŁOWIEKA – KOLOIDY

Zakład Chemii Medycznej

Pomorski Uniwersytet Medyczny

SKŁADNIKI UKŁADU

– substancje chemiczne, z których złożony

jest dany układ; tworzą ze sobą różnego rodzaju mieszaniny – co

sprawia, że w układzie mogą współistnieć ze sobą różne fazy

FAZA

- część układu oddzielona od pozostałych granicą, na której

następuje skokowa zmiana właściwości fizykochemicznych;

- faza zawierająca jeden składnik -

substancja czysta,

- faza składająca się z więcej, niż jednego składnika -

roztwór

ROZTWÓR

– mieszanina dwóch lub więcej substancji

rozpuszczonych w rozpuszczalniku, czyli substancji przeważającej

ilościowo nad pozostałymi składnikami roztworu

HETEROGENICZNE –

wielofazowe

(pozornie

jednofazowe),

niejednorodne; np. woda z lodem (układ heterogeniczny, dwufazowy,

jednoskładnikowy), woda z rtęcią (układ heterogeniczny, dwufazowy,

dwuskładnikowy)

HOMOGENICZNE –jednofazowe, jednorodne w całej przestrzeni

zarówno

pod

względem

chemicznym,

jak

i

fizycznym;

np. roztwór glukozy (układ homogeniczny, jednofazowy, dwuskładnikowy)

Podział

układów

ze względu na:

1)

liczbę występujących substancji:



jednoskładnikowe



wieloskładnikowe

2)

liczbę występujących faz:



jednofazowe



wielofazowe

UKŁADY:

UKŁADY

Rozpuszczanie związków to proces prowadzący do

otrzymania mieszaniny jednorodnej makroskopowo;

uzyskiwane jest przez

:

roztwarzanie związane z reakcją chemiczną rozpuszczanej substancji

z danym rozpuszczalnikiem (np. synteza kwasu fosforowego, siarkowego)

mieszanie dwóch substancji (np. gazu w gazie) - właściwie rozpraszanie

substancji, zachodzące przy braku współdziałania między cząsteczkami

rozpuszczalnika i substancji rozpuszczonej; prowadzi do osiągnięcia

stanu o maksymalnym nieuporządkowaniu. Rozpuszczanie jest w tym

przypadku wynikiem fizycznego procesu dyspersji danej substancji

w rozpuszczalniku

solwatację polegającą na grupowaniu się cząsteczek rozpuszczalnika

wokół cząsteczek substancji rozpuszczonej, czyli na izolowaniu od

siebie cząsteczek, atomów lub jonów substancji rozpuszczonej przez

cząsteczki rozpuszczalnika (sole, związki jonowe organiczne, związki

organiczne z polarnymi grupami funkcyjnymi)

TYPY ROZTWORÓW – w zależności od stanu

skupienia rozpuszczalnika i substancji rozpuszczonej:

roztwory w stanie stałym

– atomy pierwiastka rozpuszczonego są

rozproszone bezładnie w sieci rozpuszczalnika stałego i zajmują

pozycje węzłowe przynależne rozpuszczalnikowi lub pozycje między

węzłami (jeżeli atomy pierwiastka rozpuszczonego są znacznie mniejsze

niż atomy rozpuszczalnika), np. kryształy mieszane

roztwory gazowe

– otrzymywane przez zmieszanie np. jednego gazu

z drugim; taka mieszanina jest jednorodna (np. powietrze – mieszanina

azotu, tlenu, dwutlenku węgla, pary wodnej i gazów szlachetnych)

roztwory ciekłe

- otrzymywane przez rozpuszczenie gazu, cieczy

lub ciała stałego w cieczy; jest to więc mieszanina atomów, cząsteczek

lub jonów w ciekłym rozpuszczalniku

RODZAJE ROZTWORÓW – w zależności od

stopnia rozdrobnienia substancji rozproszonej

w fazie rozpraszającej:

RODZAJ ROZTWORU

ŚREDNICA CZĄSTEK

FAZY ROZPROSZONEJ

Właściwy/ rzeczywisty

(homogeniczny)

< 10

-9

m (<1nm)

Koloidalny (heterogeniczny)

10

-9

- 10

-7

m (1-100 nm)

Zawiesina

> 10

-7

m (>100 nm)

w przyrodzie ożywionej (białka, węglowodany)

w przyrodzie nieożywionej (gliny, mgły, pył wulkaniczny)

ROZTWORY KOLOIDALNE

- heterogeniczne układy dyspersyjne,

w których można wyróżnić fazę ciągłą rozpraszającą (rozpuszczalnik)

i nieciągłą fazę rozproszoną o średnicy cząsteczek 10

-9

- 10

-7

m

(1 – 100 nm, czasem nawet do 500nm)

UKŁADY KOLOIDALNE

są szeroko rozpowszechnione:

ROZTWORY KOLOIDALNE

wśród związków otrzymywanych sztucznie w laboratorium

(mydła , barwniki, siarka koloidalna, tlenki metali)

Wszystkie żywe komórki są zespołami różnorodnych

układów

koloidalnych

.

WŁAŚCIWOŚCI

ROZTWORÓW KOLOIDALNYCH (1)

Przesączają się przez zwykłe sączki bibułowe, ale są zatrzymywane

na ultrasączkach

Nie dializują – nie przechodzą przez błony półprzepuszczalne

pozostające w kontakcie z czystym rozpuszczalnikiem. Dializa to

proces polegający na oczyszczaniu koloidów, wykorzystujący

przechodzenie przez błony półprzepuszczalne tylko elektrolitu lub

substancji niskocząsteczkowych (

równowaga membranowa Donnana

)

Wykazują

ruchy Browna

, czyli ustawiczne i bezładne ruchy niezależne

od przyczyn zewnętrznych i nie znikające z czasem; są one wywołane

uderzeniami cząsteczek fazy rozpraszającej o powierzchnię cząstek

fazy rozproszonej

Są widoczne w ultramikroskopie

WŁAŚCIWOŚCI

ROZTWORÓW KOLOIDALNYCH (2)

Wykazują:



niewielkie obniżenie temperatury krzepnięcia

 niewielkie obniżenie prężności par rozpuszczalnika

 niewielkie podwyższenie temperatury wrzenia

 małe wartości ciśnienia osmotycznego

Wykazują

efekt Faraday’a-Tyndalla

(

czyli zjawisko polegające na

rozproszeniu światła przez drobne cząstki zawieszone w ośrodku

ciekłym, względnie gazowym, czyli w tzw. ośrodku mętnym (np. kurz,

mgła, mleko) z wytworzeniem charakterystycznego stożka świetlnego

tzw. stożka Tyndalla

Mogą ulegać

koagulacji

EFEKT FARADAY’A-TYNDALLA

KLASYFIKACJA UKŁADÓW KOLOIDALNYCH

W ZALEŻNOŚCI OD (1):

I. stanu skupienia fazy rozproszonej i rozpraszającej

FAZA

ROZPROSZONA

FAZA

ROZPRASZAJĄCA

KOLOID

PRZYKŁAD

Gaz

Ciecz

Ciało stałe

Gaz
Gaz
Gaz

-

Aerozole ciekłe

Aerozole stałe

-

Mgła, chmury, pary

Dym, kurz

Gaz

Ciecz

Ciało stałe

Ciecz
Ciecz

Ciecz

Piana

Emulsja

Zole

Piana: mydlana, na piwie

Kremy, lakier do paznokci,

mleko, majonez, masło

Zole tlenków i wodorotlenków

metali, roztwory

wielkocząsteczkowych

polimerów

Gaz

Ciecz

Ciało stałe

Ciało stałe
Ciało stałe
Ciało stałe

Piany trwałe

Emulsje stałe

Zole stałe

Pumeks, styropian

Galaretka, opale

Szkło rubinowe, barwne

kryształy

KLASYFIKACJA UKŁADÓW KOLOIDALNYCH

W ZALEŻNOŚCI OD (2):

wymiarów cząstek koloidalnych



monodyspersyjne (cząstki fazy rozproszonej mają jednakową wielkość)



polidyspersyjne

(cząstki fazy rozproszonej mają różne wymiary)

stosunku fazy rozproszonej do ośrodka rozpraszającego



koloidy liofilowe - mają duże powinowactwo do cząsteczek

rozpuszczalnika; na powierzchni cząstek koloidalnych tworzą się

otoczki z cząsteczek rozpuszczalnika



koloidy liofobowe - mają małe powinowactwo do rozpuszczalnika,

gromadzą na swej powierzchni dużą ilość jonów jednego rodzaju

z ośrodka rozpraszającego

II.

III.

KLASYFIKACJA UKŁADÓW KOLOIDALNYCH

W ZALEŻNOŚCI OD (3):

IV. jakości fazy rozproszonej ciekłe układy koloidalne dzieli się na:

roztwory molekularne – koloidy bardziej zbliżone do układów

jednofazowych niż dwufazowych a klasyfikowanie ich do koloidów wynika

głównie z rozmiarów cząsteczek np. wielkocząsteczkowe biopolimery

o dużych rozmiarach cząstek i dużych masach cząsteczkowych

(kwasy nukleinowe, polisacharydy, białka)

roztwory micelarne – cząstki mają niewielkie rozmiary i niewielkie masy

cząsteczkowe np. roztwory mydeł, detergentów, kwasów żółciowych.

Charakterystyczną cechą struktury molekularnej tych związków jest

występowanie obszarów o wybitnie polarnym i wybitnie niepolarnym

charakterze. Jeżeli stężenie fazy rozproszonej jest bardzo małe to

włąściwości tych koloidów niewiele różnią się od roztworów rzeczywistych

*

Roztwory

molekularne i micelarne

są hydrofilowe i noszą nazwę

emulsoidów

lub koloidów odwracalnych

KLASYFIKACJA UKŁADÓW KOLOIDALNYCH

W ZALEŻNOŚCI OD (cd 3):

cd.IV. jakości fazy rozproszonej ciekłe układy koloidalne dzieli się na:

emulsje – w organizmach żywych takie układy koloidalne są tworzone

przez lipidy (tłuszcze, glikolipidy, fosfatydy); drobne kropelki tłuszczu

mogą być utrzymane w środowisku wodnym w stanie rozproszenia

koloidalnego jedynie przy udziale cząstek mających zdolność

zmniejszania napięcia powierzchniowego, czyli

emulgatorów.

Emulgatorem

jest substancja, która wykazuje rozpuszczalność w obu

emulgowanych cieczach (np. spożyte tłuszcze w przewodzie pokarmowym są

emulgowane przez kwasy żółciowe zawarte w żółci).

*

Emulsje

mają charakter hydrofobowy i noszą nazwę

suspensoidów

lub koloidów nieodwracalnych.

BUDOWA MICELI AgI WYTRĄCONEJ NADMIAREM KI

BUDOWA CZĄSTECZEK KOLOIDALNYCH

Hydrofobowe micele koloidalne są tworzone

najczęściej przez siarczki, tlenki, wodorotlenki

metali ciężkich

Koloidy hydrofilowe są zbudowane zwykle

z olbrzymich cząsteczek np. białka a swą trwałość

zawdzięczają

zaadsorbowanym

na

nich

cząsteczkom wody

KOAGULACJA (1)

KOAGULACJA

– dążenie cząsteczek koloidu do łączenia się

w większe jednostki (agregaty), które po osiągnięciu odpowiedniej

wielkości tracą zdolność do utrzymania się w roztworze i opadają

na dno naczynia (sedymentują).

1. Naświetlanie radiochemiczne – prom. beta powoduje koagulację zoli

dodatnich

2. działanie mechaniczne – mieszanie, wytrząsanie

3. ogrzewanie – ścinanie się białka

4. odparowanie lub wymrażanie ośrodka dyspersyjnego

5. dehydratacja lub desolwatacja środkami odwadniającymi – aceton,

alkohol

6. dodatek elektrolitu

Czynniki wywołujące koagulację :

KOAGULACJA (2)

Peptyzacja

– proces odwrotny do koagulacji - ponowne

rozdrobnienie wytrąconych produktów koagulacji i przechodzenie

skoagulowanego osadu z powrotem w stan koloidalny

ZOL

koagulacja

ŻEL/KOAGULAT

peptyzacja

KOAGULACJA (3)

Koloidów hydrofobowych (nieodwracalna) – uzyskiwana przez

zobojętnienie ładunku elektrycznego nagromadzonego na

powierzchni cząsteczek koloidalnych.

Koloidów hydrofilowych (odwracalna) - polega na usunięciu

otaczającej cząsteczki koloidalne, warstwy hydratacyjnej

zwanej też otoczką lub płaszczem wodnym.

KOAGULACJA (4)

KOAGULACJA (5)

Białka najłatwiej jest wysolić w punkcie izoelektrycznym (pI) – cząsteczki

są elektrycznie obojętne i siły przyciągania między nimi są największe, co

sprawia, że łatwo ulegają agregacji prowadzącej do wytrącania osadu.

W pH różnym od pI dzięki posiadanemu ładunkowi cząsteczki białka

mogą się utrzymywać w roztworze mimo pozbawienia ich płaszcza wodnego

(zachowują się jak koloidy hydrofobowe).

Warunki strącania (wysalania) białka

Dodatek małych ilości jonów zobojętniających ładunek elektryczny

prowadzi do wytrącenia białek, których cząsteczki nie posiadają wtedy ani

płaszcza wodnego ani ładunku.

KOAGULACJA (6)

OCHRONNE DZIAŁANIE KOLOIDÓW

HYDROFILOWYCH NA KOLOIDY HYDROFOBOWE

Koloidy hydrofilowe

wykazują większą trwałość niż koloidy hydrofobowe,

działają tu bowiem dwa czynniki stabilizujące:


warstwa hydratacyjna



czasami jednoimienny ładunek cząstek (ładunek ten jest wynikiem dysocjacji

kwasowych lub zasadowych grup znajdujących się w cząsteczkach tworzących

cząstkę koloidalną)

Koloidy hydrofilowe działają ochronnie na koloidy hydrofobowe - dodatek

koloidu hydrofilowego do hydrofobowego powoduje powstanie trwałego

układu, z którego trudno wytrącić zawieszone cząstki hydrofobowe (np.

drobne ilości białka dodane do koloidalnej zawiesiny złota chronią ją przed

koagulacją).

Ochronne działanie koloidu można określić ilościowo, podając jego tzw.

liczbę

złota

(czyli najmniejszą liczbę miligramów koloidu ochronnego, w przeliczeniu

na czystą substancję, jaka zabezpiecza 10cm

3

0,1% formaldehydowego zolu

złota przed zmianą barwy z czerwonej na fioletową wskutek dodania 1cm3

10% roztworu NaCl).

Dziękuję za uwagę  !