Seminarium 1

Ciecze i ciała stałe

Właściwości cieczy



Mniejsze odległości między
cząsteczkami



łatwo zmieniają kształt



przyjmują kształt naczynia, w którym się
znajdują



trudno zmieniają objętość



są trudno ściśliwe

Napięcie powierzchniowe

Napięcie powierzchniowe

Napięcie powierzchniowe równe jest

pracy, która musi zostać wykonana
w celu zwiększenia powierzchni
cieczy o 1 m

2

W = σ·S

S

W





[σ] =









2

m

J

Napięcie powierzchniowe



Napięcie powierzchniowe jest
proporcjonalne do siły, która
jest potrzebna do zerwania
błonki mydlanej rozpiętej na
ramce i odwrotnie
proporcjonalna do długości
ruchomej poprzeczki ramki

F

L

 = F/2L

F – siła potrzebna do rozerwania błonki

L – długość ruchomej poprzeczki

Metody wyznaczania napięcia
powierzchniowego



Metoda stalagmometryczna



Metoda wzniesienia kapilarnego



Metoda pęcherzykowa

Metoda stalagmometryczna

Wykorzystuje zależność między
masą

kropli

wyciekającej

ze

stalagmometru

a

napięciem

powierzchniowym cieczy

n

n

=

o

o

d

d

0





σ – napięcie powierzchniowe badanej cieczy
σ

o

– napięcie powierzchniowe cieczy referencyjnej (np. wody)

d – gęstość badanej cieczy
d

0

– gęstość cieczy referencyjnej (np. wody)

n – liczba kropel

Metoda wzniesienia
kapilarnego

Poziom cieczy podnosi się w
kapilarze tak długo, aż masa
słupa cieczy o wysokości h
zostanie

zrównoważona

siłą

napięcia powierzchniowego na
obwodzie 2 π r

σ = ½ ·d·g·r·h

σ – napięcie powierzchniowe
r – promień kapilary
h – wysokość słupa cieczy
d – gęstość cieczy

Metoda pęcherzykowa

Wykorzystuje zależność
między napięciem
powierzchniowym a
ciśnieniem potrzebnym
do wyciśnięcia z
kapilary pęcherzyka
powietrza

σ= σ

o

·p/p

o

Napięcie powierzchniowe
zależy od:



rodzaju cieczy



temperatury



stężenia substancji powierzchniowo

czynnej

Wartości napięcia powierzchniowego dla
niektórych cieczy w temp. 293 K

Ciecz

σ [mN/m

2

]

Alkohol etylowy

Alkohol metylowy

Anilina

Benzen

Eter dwuetylowy

Glicerol

Woda

Rtęć

22,27
22,61

42,9

28,87
17,01

63,4

72,75

475,0

Wpływ temperatury na napięcie
powierzchniowe



Wraz ze wzrostem temperatury maleje napięcie
powierzchniowe

Równanie adsorpcji Gibbsa



Γ = -

Γ – liczba moli substancji rozpuszczonej w fazie powierzchniowej

na jednostkę powierzchni (stężenie powierzchniowe)

c – stężenie roztworu
dσ/dc – zmiana napięcia powierzchniowego wraz ze zmianą

stężenia roztworu

RT

c

dc

d



CMC

c [%]

σ

Surfaktanty (substancje
powierzchniowo czynne)

Adsorbują się na granicy faz i

zmniejszają napięcie powierzchniowe

Surfaktanty

CMC-krytyczne stężenie
micelarne

CMC

c [%]

σ

CMC – stężenie surfaktantu, powyżej którego w
roztworze tworzą się micele i brak jest
widocznego efektu obniżenia napięcia
powierzchniowego

Liczba HLB

HLB – Hydrophylic – Lipophylic Balance

określa właściwości substancji powierzchniowo

czynnej

1 – 10 – wł. lipofilowe, np. Span, kwas oleinowy
> 10 – wł. hydrofilowe, np. oleinian potasu,

laurylosiarczan sodowy, Tween

Zastosowanie substancji
powierzchniowo czynnych



zmniejszają napięcie powierzchniowe w
płucach



fosfolipidy – składnik błon komórkowych



w przemyśle spożywczym (np. lecytyna)



detergenty i mydła



w kosmetyce (kremy, mleczka)



w farmacji (maści, kremy, leki w postaci
emulsji)

Rodzaje środków
powierzchniowo czynnych

•

Anionowe środki powierzchniowo czynne –

cząsteczki amfifilowe, których ugrupowanie

hydrofilowe jest naładowane ujemnie, np. mydła

zasadowe, alkilosulfooctany, siarczany alkoholi

tłuszczowych – stosowane głównie jako środki

myjące, o dobrych właściwościach

pianotwórczych, występują w składach

szamponów, preparatów myjących

•

Kationowe środki powierzchniowo czynne –

część hydrofilowa posiada ładunek dodatni, np.

aminy czwartorzędowe, aminotlenki – działają

bakteriobójczo i grzybobójczo – wykazują

działanie nawilżające i kondycjonujące włosy

Rodzaje środków
powierzchniowo czynnych

•

Amfoteryczne środki powierzchniowo
czynne – ugrupowanie hydrofilowe posiada
ładunek dodatni i ujemny, np. alkilobetainy,
pochodne imidazolowe – właściwości
nawilżające i pianotwórcze, łagodne dla
skóry

•

Niejonowe środki powierzchniowo
czynne – ugrupowanie hydrofilowe nie
posiada ładunku, łagodne dla skóry,
wykazują właściwości nawilżające i słabe
pianotwórcze

Niejonowe środki
powierzchniowo czynne

O właściwościach lipofilowych:



Estry glicerolu i alkoholi



Estry sorbitanu



Lipofilowe estry cukrowe



Estry poliglicerolu

O właściwościach hydrofilowych:



Oksyetylenowane estry sorbitanu



Oksyetylenowane alkolifenole



Cukroestry hydrofilowe



Aminotlenki o pH > 6,5

Emulsje

Emulsje to układ dwóch niemieszających się

ze sobą cieczy, z których jedna jest
rozproszona w drugiej w postaci kropel.
Składają się z fazy rozproszonej (wewnętrznej)
oraz fazy rozpraszającej (zewnętrznej).

Do stabilizacji emulsji używa się środków

powierzchniowo czynnych

Typy emulsji



Emulsje proste hydrofilowo-lipofilowe (H/L,
W/O) lub lipofilowo-hydrofilowe (L/H, O/W)



Emulsje potrójne złożone z fazy tłuszczowej,
fazy wodnej i fazy stałej (cząstki pudru)



Emulsje wielokrotne L/H/L lub H/L/H



Emulsje submikronowe lub miniemulsje, w
których rozmiar cząsteczki jest mniejszy od 1
mikrometra



Nanoemulsje, których rozmiar cząsteczek
znajduje się w zakresie 100 – 500 nm

Skład emulsji

Emulsje L/H o niskiej lepkości (mleczka)



Faza tłuszczowa: 8 – 20%



Emulgator: 3 – 5%



Faza wodna

Emulsje L/H o wysokiej lepkości (kremy)



Faza tłuszczowa: 15 – 30%



Emulgator: 5%



Faza wodna

Skład emulsji

Emulsje H/L o niskiej lepkości (mleczka)



Faza tłuszczowa: 30 – 40%



Emulgator: 8 – 10%



Faza wodna

Emulsje H/L o wysokiej lepkości (kremy)



Faza tłuszczowa: 25 – 30%



Emulgator: 8 – 10%



Faza wodna

Przykładowy skład emulsji O/W



Aqua – woda, rozpuszczalnik



Stearic acid – kwas stearynowy połączony z

trietanoloaminą, jako emulgator



Paraffinum liquidum – ciekła parafina,

emolient



Cetyl alcohol –alkohol cetylowy, środek

konsystencjonotwórczy



Triethanoloamine – trietanoloamina,

neutralizuje kwas stearynowy



Preservative - konserwant

Przykładowy skład emulsji W/O



Aqua – woda, rozpuszczalnik



Paraffinum liquidum – ciekła parafina, emolient



Isopropyl palmitate – składnik fazy tłuszczowej,

emolient



Paraffin – parafina zwykła, składnik

konsystencjonotwórczy



Lanolin – lanolina, natłuszczająca



Polyglyceryl oleate – oleinian poliglicerylu,

emulgator o niskim HLB



Glycerin – gliceryna, środek nawilżający



Cera microcristalline – wosk mikrokrystaliczny,

składnik konsystencjonotwórczy



Preservative – konserwant



Antioxydant - antyoksydant

Lepkość



Wpływa na uwalnianie się substancji

leczniczych z podłoża



Wpływa na trwałość preparatów

kosmetycznych



Dostosowuje formę kosmetyku do

odpowiedniego opakowania



Decyduje o jakości wyrobu (preparaty o

wysokiej lepkości zawierają zazwyczaj dużą

ilość substancji aktywnych, dzięki czemu

kosmetyki są bardziej skuteczne)

Lepkość

s

m

m

Nm

/

2

dx

dv

F = η∙S∙

F’

dx

dv

Lepkość równa jest sile
jaką należy przyłożyć do
1m

2

powierzchni cieczy,

aby nadać jej prędkość 1
m/s względem drugiej
równoległej powierzchni
oddalonej o 1 m.

[σ] =

[σ] =

2

m

Ns

Pomiar lepkości

1. Wiskozymetr

Ostwalda

0

0

0

d

t

d

t





=

η, η

0

– lepkość cieczy badanej i

wzorcowej
t, t

0

– czas przepływu

d, d

0

– gęstość cieczy badanej i

wzorcowej

Pomiar lepkości

2. Wiskozymetr

Höpplera

s

gt

d

d

r

9

)

'

(

2

2

-

=



η – lepkość
r – promień kulki
t – czas opadania
s – dł. drogi opadania
d, d’ – gęstości cieczy i kulki

Zagęstniki – substancje
zwiększające lepkość



Guma tragakantowa – stabilizuje emulsje i

zawiesiny



Guma arabska – stabilizuje emulsje, jest

nośnikiem w procesie mikrokapsułkowania



Guma guar – zagęstnik w szamponach,

kremach, balsamach



Guma ksantanowa – do zagęszczania i

utrwalania zawiesin, emulsji, roztworów

wodnych



Krzemian glinowo-magnezowy – stabilizuje

emulsje, w kosmetykach o białym zabarwieniu,

w wyrobach do makijażu, rozprowadza się na

skórze w postaci równomiernego filmu,

dostarcza przyjemnego, jedwabistego uczucia

Ciała stałe



Kryształy

– cząstki tworzą uporządkowane

struktury geometryczne, wł. anizotropowe,
własny kształt i objętość, ogrzane topią się w
temperaturze topnienia



Ciała bezpostaciowe

(szkło, wosk) –

nieuporządkowana struktura, ogrzewane
stopniowo miękną przed właściwym
stopieniem, właściwości izotropowe (takie
same we wszystkich kierunkach)

Kryształy



Powstają w wyniku wielokrotnego powtórzenia

w trzech kierunkach przestrzeni układu

cząsteczek, atomów lub jonów



Pojedynczy najprostszy układ zwany jest

komórką sieci przestrzennej

Układy krystalograficzne

1.

Trójskośny – kwas borowy

2.

Jednoskośny - sacharoza

3.

Rombowy - jod

4.

Tetragonalny - mocznik

5.

Heksagonalny - jodoform

6.

Sześcienny – NaCl

Typy kryształów

Typ

kryształu

Składniki

budulcowe

komórki

sieci

Oddziaływani

a między

cząstkami

Właściwości

przykłady

Molekularn

e

Atomy lub

cząsteczki

Oddziaływani

a van der

Waalsa,

wiązanie

wodorowe

miękkie,

niska temp.

topnienia,

słabe

przewodnict

wo

termiczne i

elektryczne

Związki

organiczne

Atomowe

Atomy

połączone

wiązaniami

kowalencyj

nymi

Wiązania

kowalencyjne

Bardzo

twarde,

wysoka

temp.

topnienia,

słabe

przewodnict

wo

termiczne i

elektryczne

Diament,

kwarc

Typ

kryształu

Składniki

budulcowe

komórki sieci

Oddziaływa

nia między

cząstkami

Właściwości

przykłady

Jonowe

jony

Siły

elektrostat

yczne

Twarde i

kruche,

wysoka temp.

topnienia,

słabe

przewodnictwo

elektryczne i

termiczne

sole: NaCl

Metaliczne Dodatnie

jony metali w

gazie

elektronowy

m

Wiązania

metaliczne

Miękkie lub

twarde,

wysoka lub

niska temp.

topnienia, b.

dobre

przewodnicto

elektryczne i

termiczne

Metale:

Cu, Fe

Badanie struktury
kryształów



dyfrakcja promieni rentgenowskich (X) – ugięcie wiązki
promieni X po przejściu przez kryształ. Na kliszy
fotograficznej uzyskuje się punkty interferencyjne
obrazujące budowę siatki krystalicznej

d

A

B

C

θ

θ

Prawo Bragga
warunek wzmocnienia fal odbitych:
nλ = 2d∙sinθ

θ – kąt połysku
λ – długość fali
n – rząd odbicia

Metody badania struktury
kryształów



metoda Laue’go – wiązka niejednorodnych
promieni przechodzących przez pojedynczy
kryształ



Metoda Debye’a-Scherrera i metoda Hulla –
wiązka monochromatyczna, sproszkowany
kryształ

Znaczenie kryształów



Kryształy ałunów (sole glinu) – w dezodorantach
kryształowych przeznaczonych dla alergików



Substancje krystaliczne niedostatecznie
sproszkowane działają drażniąco na skórę



Wpływ struktury krystalicznej na aktywność
biologiczną – antybiotyk nowobiocyna w postaci
krystalicznej jest nieaktywny, ponieważ słabo
wchłania się w przewodzie pokarmowym,
dlatego stosuje się go w formie bezpostaciowej

Ciekłe kryształy



Ciekłe kryształy są

fazą pośrednią między

ciekłym i krystalicznym stanem skupienia
materii, którą charakteryzuje zdolność do
płynięcia, charakterystyczna dla cieczy i
jednocześnie uporządkowanie tworzących ją
cząsteczek, podobnie jak to ma miejsce w
kryształach

Budowa ciekłych kryształów

1. Fazy nematyczne – cząsteczki ułożone równolegle do siebie

2. Fazy smektyczne – cząsteczki ułożone warstwowo

3. Fazy cholesterolowe – uporządkowanie związane ze
skręceniem o określony kąt, kształt helisy

Zastosowanie ciekłych
kryształów



Ciekłe kryształy złożone z ceramidów w

kosmetykach mają działanie nawilżające



Cholesterol w postaci ciekłych kryształów jako

podłoże maści i kremów stabilizuje substancje

aktywne i ułatwia ich przenikanie przez skórę



Fazy cholesterolowe, ze względu na zmianę

barwy pod wpływem temperatury, znajdują

zastosowanie w bezrtęciowych termometrach

w postaci paska folii

Polimorfizm



Zdolność substancji do występowania w więcej
niż 1 postaci krystalicznej



Substancje polimorficzne różnią się strukturą
sieci krystalicznej, rozpuszczalnością i
temperaturą topnienia



Enancjotropizm – możliwość
wielokierunkowego przejścia 1 formy w drugą



Monotropizm – przejście zachodzi tylko w 1
kierunku

Przykłady polimorfizmu



Masło kakaowe (w preparatach
kosmetycznych) – 4 formy polimorficzne: α, β,
β’, γ, temperatura topnienia 18 – 35

0

C. Forma

β - 35

0

C, pozostałe topią się w temp.

pokojowej.



Palmitynian chloramfenikolu (antybiotyk) – 3
odmiany polimorficzne o różnej aktywności
biologicznej



Cytrynian tamoksyfenu (lek
przeciwnowotworowy) – 2 odmiany
polimorficzne o różnej trwałości