Micelle

Secțiune transversală a structurilor care pot fi formate în soluție apoasă de fosfolipide , inclusiv micelă , lipozom și o structură lamelară cu două straturi, tipică membranelor celulare .

O micelă (din lat. Micelă „particulă”, dimensiune mică „fărâmă”) ^[1] este un agregat coloidal de molecule ( coloid de asociere ) format de un agent tensioactiv în soluție și care există în echilibru cu moleculele sau ionii care concurează la formează micela în sine. ^[2]

Generalitate

Reprezentarea grafică a unei micele sferice.

Agregatele micelare se formează atunci când, în condiții de temperatură egale sau mai mari decât temperatura Krafft , concentrația agentului tensioactiv atinge un anumit nivel critic, numit concentrația micelară critică (CMC).

Structurile micelelor pot avea diferite forme: sferice, cilindrice, lamelare și discoidale. În solvenții polari, în general, partea hidrofobă și lipofilă este orientată în interiorul unei sfere, în timp ce partea hidrofilă este orientată în exterior. În solvenții nepolari orientarea este inversă (vorbim de micelă inversă ). ^[3] Micela inversă este un agregat foarte util pentru efectuarea reacțiilor chimice în medii neconvenționale, deoarece în locul miezului micelar hidrofob există în acest fel o micro picătură de apă (de dimensiune variabilă) limitată în micela inversă. Din punct de vedere al aplicației, reprezintă o metodă foarte utilă de compartimentare, utilă pentru efectuarea reacțiilor chimice în medii neconvenționale (de exemplu, reacții medii aseptice apoase).

După cum sa menționat deja, atunci când un agent tensioactiv este adăugat la un mediu apos, micelele nu se formează imediat, atâta timp cât nu există o cantitate suficientă pentru a depăși CMC. Înainte ca sistemul să ajungă la CMC, agentul tensioactiv se așează la interfaza apă-aer cu lanțurile hidrofobe către aer și capetele polare spre faza apoasă. Când concentrația de surfactant depășește CMC, are loc efectul de emulsionare . De exemplu, micelele formate din detergenți sau săpunuri în soluție apoasă încorporează murdărie (grăsime) în interiorul acestora, favorizând îndepărtarea lor.

Pe lângă detergenți, micelele se prezintă și în mezofazele liotropice ale cristalelor lichide și intervin în mecanismul numeroaselor procese biologice. Produsele comerciale pe bază de apă micelară sunt utilizate în unele mărci dermatologice ca produse de curățare a ochilor și a feței.

Formarea micelelor este exploatată în cinetica chimică pentru studiul reacțiilor chimice . Alte aplicații comune se referă la solubilizarea produselor agricole și a substanțelor colorante, utilizarea în preparate farmaceutice, în procese fotografice , în electro- sinteză organică și ca inhibitori de coroziune . O altă utilizare importantă se referă la recuperarea terțiară a petrolului .

Modele

Primul care a postulat existența ionilor coloidali pentru a explica buna conductivitate electrică a soluțiilor de palmitat de sodiu a fost James William McBain , chimist la Universitatea din Bristol , în 1913 . GS Hartley a fost în 1935 cel care a descris primul model de micelă, ^[4] concepându-l ca un agregat aproape sferic format din 50 până la 200 monomeri dispuși cu partea lipofilă îndreptată spre zona centrală și hidrofila către exterior. Raza micelei corespunde aproximativ lungimii întregului lanț de hidrocarburi, în timp ce în straturile exterioare există contrionii: stratul Stern este format din porțiunea constituită din grupele capului agentului tensioactiv care înconjoară contrionii, care sunt puternic legați; stratul Gouy-Chapmann este cel mai exterior și conține restul de ioni contra, care în acest caz sunt independenți de micelă și pot fi schimbați liber în soluție.

Cu toate acestea, trebuie remarcat faptul că agregatul micelar nu este neutru din punct de vedere electric. Motivul pentru aceasta se găsește în interacțiunile care intră în joc în formarea agregatului și în entitatea lor. Lanțurile hidrofobe interacționează prin interacțiuni cu rază scurtă de acțiune, adică pentru a interacționa trebuie să fie foarte apropiate unele de altele. Pe de altă parte, porțiunile încărcate - sau cel puțin polarizate - interacționează urmând legea lui Coulomb , interacțiuni pe termen lung. Când se formează micela, grupurile capului tind să se respingă reciproc, provocând un fel de distorsiune în apropierea grupului capului. Dacă ne imaginăm că grupurile capului sunt complet neutre, acestea se află într-o stare care defavorizează formarea micelei, deoarece nu există o parte încărcată care să poată interacționa cu apa și, prin urmare, rezultă că agentul tensioactiv, cu lanțul său hidrofob, floccula . Aceasta explică de ce, de exemplu, capacitatea de detergent a unui agent tensioactiv depinde de concentrația ionilor în soluție (în special a ionului carbonat, pentru agenții tensioactivi cationici). Porțiunea de ioni care nu este asociată cu agregatul micelar (adică cei ai stratului Stern) depinde de obstacolul steric al grupurilor de cap (cei apropiați de partea încărcată).

Ulterior, în 1979 , FM Menger a observat cum era practic imposibil să aranjăm 60 de molecule conform unei simetrii radiale fără formarea cavităților centrale. În acest fel a introdus conceptul de "buzunar apos", conform căruia cavitățile sunt umplute cu apă datorită unor lanțuri de monomeri care se extind spre exterior. Modelul micelelor este, prin urmare, semnificativ mai neregulat, cu o „inimă micelară” de volum mai mic decât cel propus de Hartley.

Un alt model de remarcat este cel propus de P. Fromherz în 1980 , care consideră micelele ca agregate de blocuri de surfactant constând din subunități de dublete și triplete care au între ele lanțuri aranjate paralel și ortogonal. Legătura cu contracțiile scade posibila repulsie între capetele ionice, micela asumând astfel o formă aproape sferică și în același timp este asigurată o bună împachetare a lanțurilor de hidrocarburi.

Termodinamica

Printre cele mai simple modele utilizate în studiul termodinamicii micelizării, se remarcă „modelul de separare a fazelor” și „modelul de acțiune în masă ”.

„Modelul de separare a fazelor” consideră micela ca o fază , separată de soluție, care apare ca rezultat al unui proces extrem de cooperant care are loc odată cu atingerea concentrației micelare critice de surfactant. În practică, CMC poate fi asimilat solubilității monomerilor în soluție.

„Modelul de acțiune în masă” se bazează pe existența unui echilibru multiplu în soluție între monomeri și miceli. Echilibrele sunt exprimate prin ecuații de tip

n A ₁ ⇄ A _n (unde n = 2,3, ...)

cu constantă de echilibru $K_{n}={\frac {[A_{n}]}{[A_{1}]^{n}}}$ ${\ displaystyle K_ {n} = {\ frac {[A_ {n}]} {[A_ {1}] ^ {n}}}}$ ${\ displaystyle K_ {n} = {\ frac {[A_ {n}]} {[A_ {1}] ^ {n}}}}$ sau de tipul proceselor consecutive

A ₁ + A _n-1 ⇄ A _n (unde n = 2,3, ...)

cu constantă de echilibru $K'_{n}={\frac {[A_{n}]}{[A_{1}][A_{n-1}]}}$ ${\ displaystyle K '_ {n} = {\ frac {[A_ {n}]} {[A_ {1}] [A_ {n-1}]}}}$ ${\ displaystyle K '_ {n} = {\ frac {[A_ {n}]} {[A_ {1}] [A_ {n-1}]}}}$ .

Atingerea temperaturii Krafft are ca efect creșterea tulburării care duce la distrugerea structurii cristaline asumată de surfactant. Formarea micelelor este în esență legată de factori entropici care decurg din interacțiunile hidrofobe ale lanțurilor alchilice situate în interiorul miezului micelar, o interacțiune care previne contactul cu apa și determină distrugerea structurii organizate în care moleculele solventului înconjoară lanțurile hidrocarburi monomerice . Dovezile experimentale arată că entalpia micelizării are în general valori scăzute.

Notă

^ Micella , în Dicționar de științe fizice , Institutul enciclopediei italiene, 1996. Accesat la 26 noiembrie 2019 .
^ (EN) micelles , în IUPAC Gold Book. Adus la 15 octombrie 2013 .
^ (EN) micele inversate , în IUPAC Gold Book. Adus la 15 octombrie 2013 .
^ GS Hartley, Soluții apoase ale lanțului de parafină. Săruri, Un studiu al formației Micelle , Herman and Co., Paris (1936).

Bibliografie

JW McBain, Trans. Faraday Soc. 9 , p. 99 (1913).
JM Seddon, RH Templer, Polymorphism of Lipid-Water Systems , din Handbook of Biological Physics, Vol. 1, Ed. R. Lipowsky și E. Sackmann. (c) 1995, Elsevier Science BV ISBN 0-444-81975-4 .
SA Baeurle, J. Kroener, Modelarea interacțiunilor eficiente a agregatelor micelare de agenți tensioactivi ionici cu potențialul Gauss-Core , J. Math. Chem. 36 , pp. 409-421 (2004).

Elemente conexe

Alte proiecte

Wikimedia Commons conține imagini sau alte fișiere despre Micella

linkuri externe

Micella , pe Sapienza.it , De Agostini .
( EN ) Micella , în Encyclopedia Britannica , Encyclopædia Britannica, Inc.

Portalul chimiei : portalul științei compoziției, proprietăților și transformărilor materiei

[1] Micella , în Dicționar de științe fizice , Institutul enciclopediei italiene, 1996. Accesat la 26 noiembrie 2019 .

[2] (EN) micelles , în IUPAC Gold Book. Adus la 15 octombrie 2013 .

[3] (EN) micele inversate , în IUPAC Gold Book. Adus la 15 octombrie 2013 .

[4] GS Hartley, Soluții apoase ale lanțului de parafină. Săruri, Un studiu al formației Micelle , Herman and Co., Paris (1936).

[1]

[2]

[3]

[4]