Дисперсные системы

Белковые компоненты оболочки по растворимости в воде (разбавленных солевых растворах) делятся на две фракции: одна плохо растворима в воде, содержит 14% азота, содержит меньше лезина, валина, лейцина, глютаминовой и аспарагиновой кислот, больше аргинина по сравнению с молоком. Она включает значительное количество гликопротеидов, содержащих гексозы, гексозамины и сиаловую кислоту. В другую водорастворимую белковую фракцию входят гликопротеид с высоким содержанием углеводов и разнообразные ферменты: ксантиноксидазу, фосфатазу, холинэстеразу, глюкоза-6 фосфотазу и др. Большая их часть идентична ферментам клеточных мембран. В оболочке шариков жира обнаружены, кроме белков и липидов, обнаружены минеральные вещества: Cu, Fe, Mo, n, Ca, Mg, Se, Na, K. С оболочкой связано от 5 до 25% нативной меди молока и 28-29% нативного Fe (содерание Cu в 1 г оболочки составляет 5-25 мкг, Fe — 70-150 мкг.). Fe и Mo являются компонентами ксантиноксидазы, Cu входит в состав специфиического (богатого CU) белка оболочки, а остальные минеральные элементы в виде катионов плазмы молока связываются с отрицательно заряженными группами белков оболочек шариков жира.

Таким образом, внешний слой оболочки жирового шарика состоит из фосфолепидов, оболочечного белка и гидратной воды.

Состав и структура оболочек шариков жира после охлаждения, хранения и обработки молока отличаются по составу и структуре. Так, в процессе охлаждения и хранения сырого молока на внутренней мембране адсорбируются иммуноглобулины, и липаза, которую называют мембранной, в отличие от плазменной); а при механической и тепловой обработке еще казеин и денатурированный -лактоглобулин. Коренным образом изменяется состав оболочки в процессе гомогенизации молока и сливок.

В коллоидно-дисперсном состоянии в молоке находятся сывороточные белки, казеин, большая часть фосфатов кальция. Это самая чувствительная фаза.

Растворы белков относят к истинным растворам, их считают однофазными гомогенными системами. Однако, свертывание макромолекул глобулярных белков в водном растворе в компактные глобулы можно считать частным случаем перехода гомогенного истинного раствора в двухфазный коллоидный раствор. Поэтому частицы белков молока можно рассматривать как коллоидные частицы, а их устойчивые обратимые водные растворы — как гидрофильные коллоидные растворы.

При нагревании молока до высоких температур сывороточные белки денатурируют, затем агрегируют и частично коагулируют.

Казеин в молоке содержится в виде мономеров (так называемый растворимый казеин) и в форме полимеров (субмицеллерный и мицеллерный казеин). Мицеллы казеина обладают свойствами гидрофильного золя, который при определенных условиях может перейти в гель. Только под действием сычужного фермента золь казеина переходит в гель необратимо, т. е. казеин проявляет свойства, присущие гидрофобным коллоидам.

3. Кровь

Коллоидное состояние крови определяется большим количеством высокомолекулярных соединений – белков и некоторых белок-липидных комплексов (БЛК), например ассоциатов альбумина со свободными жирными кислотами (СЖК). Липопротеиды (ЛП)- это БЛК, имеющие размер частиц от 60 до 400 нм, которые образуют тонкую дисперсию. Растворенные в воде низкомолекулярные соединения и ионы являются истинным раствором.

Кровь относится к корпускулярным дисперсным системам, так как ее дисперсная фаза состоит из сферических частиц (молекул, ионов, молекулярных агрегатов (мицелл и везикул), клеток) и обладает свойствами одновременно истинного раствора, коллоидного раствора, тонкой и грубой дисперсии.

Основное назначение крови в организме – транспортировать низкомолекулярные соединения, которые являются субстратами и продуктами энергетического и пластического обмена, медиаторами регуляторных процессов. Концентрации большинства низкомолекулярных соединений постоянны и поддерживаются на стационарном уровне за счет регулирования их синтеза и секреции. Однако для выполнения специализированных функций клеткам часто требуются количества низкомолекулярных соединений, существенно отличающиеся от их концентраций во внеклеточной жидкости. Избирательное поступление таких соединений в клетки происходит путем рецептор-зависимого захвата. Роль лиганда, взаимодействующего со специфическим рецептором на поверхности клетки, выполняют белки. Иногда белки-лиганды являются одновременно и основным транспортным средством в кровотоке того или иного низкомолекулярного соединения.

Тонкая дисперсия, образованная распределением БЛК в гидратированной среде кровотока, представляет собой по мнению В.Н.Титова систему транспорта к различным органам одного типа низкомолекулярных соединений – СЖК (4). СЖК являются высококалорийным «топливом», обеспечивающим клетки энергией, а также служат субстратом для синтеза разнообразных биологически-активных соединений, в частности медиаторов иммунного ответа – простагландинов, лейкотриенов, тромбоксанов.

4. Нефть

Нефть и производные от нее – нефтяные системы являются предметом изучения многих естественных наук, каждая из которых вносит определенный вклад в развитие представлений о строении и структуре этих систем.

С точки зрения органической химии нефть – это смесь низко- и высокомолекулярных соединений, относящихся к различным гомологическим рядам. Выделенные из нефти соединения представляют собой ценное сырье для синтеза многих органических соединений. Органическая химия изучает механизм и кинетику химических взаимодействий компонентов нефти. Это одно из важнейших теоретических направлений в нефтехимии.

С позиций аналитической химии нефтяные системы представляют собой смеси органических соединений сложного состава. Расшифровка проводится с помощью современных физико-химических методов анализа (масс – спектрометрии, хромато-масс-спектрометрии, ЯМР-спектроскопии и др.). К одному из последних достижений в области анализа нефтяных систем относится обнаружение олефинов в нефтях месторождения Брэдфорд (штат Пенсильвания, США) и некоторых месторождений Восточной Сибири.

В терминах физической химии нефти можно определить как многокомпонентную смесь сложного состава, способную в широком интервале значений термобарических параметров изменять агрегатное состояние и, соответственно, объемные свойства. До сих пор нефтяные системы рассматриваются как молекулярные растворы, а технологические расчеты производятся на основе физических законов, описывающих молекулярные растворы: законы Рауля-Дальтона, Генри, Амага, Дарси и др. В нефтяных системах возникают значительные отклонения от идеальности за счет полярности молекул, различий в структуре и строении, что проявляется в неаддитивности многих свойств, например, вязкости. Отклонения от аддитивности имеют место не только для смесей, состоящих из углеводородов различных гомологических рядов, но и в пределах одного гомологического ряда. Эти особенности нефтяных систем обусловлены склонностью образующих их компонентов к ассоциации.

В 1971г. впервые были обозначены коллоидно-химические аспекты строения нефтяных систем (г. Уфа, Всесоюзная конференция по физико-химической механике) и лишь в 1995г. состоялся первый международный симпозиум (г. Рио-де-Жанейро) по вопросам коллоидной химии нефти.

С позиций коллоидной химии нефть – это сложная многокомпонентная смесь, которая в зависимости от внешних условий проявляет свойства молекулярного раствора или дисперсной системы.

Нефть состоит из низкомолекулярных и высокомолекулярных соединений (ВМС). Низкомолекулярные соединения (НМС) представляют собой, в основном, парафиновые, нафтено-парафиновые и ароматические углеводороды. Высокомолекулярная часть нефти состоит из высокомолекулярных парафиновых углеводородов, моно- и конденсированных нафтено-парафиновых, моно- и бициклических ароматических углеводородов ряда бензола и нафталина, смол и асфальтенов.

Молекулярные растворы нефти представляют собой смесь различных НМС и ВМС.

Для описания многих явлений в нефтяной дисперсной системе предложена модель сложных структурных единиц (ССЕ).

Межмолекулярные взаимодействия (ММВ) ВМС приводят к образованию в нефти пространственных надмолекулярных структур, состоящих из множества макромолекул. В зависимости от характера связей надмолекулярные структуры подразделяются на ассоциаты, в которых действуют физические силы Ван-дер-Ваальса и комплексы с более прочными химическими связями. Физические ассоциаты способны при определенных условиях переходить в комплексы, например, при повышении температуры. 
Число молекул ВМС в физических ассоциатах, равновесное их состояние с НМС (дисперсионной средой) зависят в основном от состава и концентрации компонентов смеси, температуры и др. условий.

Таким образом, в зависимости от условий и свойств ВМС и НМС. ВМС в нефти могут образовывать:

• Истинные растворы, молекулы находятся в неассоциированном состоянии; 
  
• Обратимые нефтяные дисперсные системы, в которых дисперсной фазой являются ассоциаты; 
  
• Необратимые дисперсные системы, в которых дисперсной фазой являются комплексы. 
  

К обратимым относятся системы, в которых дисперсная фаза может самопроизвольно растворяться в дисперсионной среде вплоть до образования молекулярных растворов.

Нефть может содержать углеводороды: 

• Не склонные при данных условиях к процессам ассоциации (НМС, углеводороды, имеющие пространственные затруднения); 
  
• Способные к ММВ с образованием только ассоциатов (нормальные парафиновые углеводороды); 
  
• ВМС, склонные к образованию ассоциатов и комплексов (смолы, полициклические углеводороды, асфальтены).

Надмолекулярные структуры коллоидных размеров (10-4 – 10-9м) отличаются от молекул ВМС в несколько раз большей молекулярной массой, наличием поверхности раздела фаз между ними и дисперсионной средой, высокой плотностью, малой летучестью и придают нефтяной системе специфические свойства.

Система приобретает:

1. структурно-механическую прочность; 
   
2. неустойчивость, способность к расслоению на фазы. 
   

Каждая группа ВМС формирует свой тип надмолекулярных структур, например, асфальтеновые ассоциаты, ассоциаты из полициклических ароматических или парафиновых углеводородов, которые из-за различия свойств в одной и той же дисперсионной среде ведут себя неодинаково.

Формирование в нефтяных многокомпонентных системах обратимых надмолекулярных структур с различными физико-химическими и механическими свойствами и разной склонностью к расслоению существенно влияет на добычу, транспорт, подготовку и хранение нефти. Если не регулировать процессы формирования надмолекулярных структур, то это может привести к потерям ценных компонентов в пласте, высоким гидравлическим сопротивлениям при транспорте нефти, образованию отложений в трубопроводах, резервуарах и другом оборудовании.

5. Порошки

Двухфазные системы, представляющие собой твердые частицы дисперсной фазы, распределенные в воздухе или др. газовой среде. Традиционно к порошкам относят большинство сыпучих материалов, однако в узком смысле термин "порошки" применяют к высокодисперсным системам с размером частиц, меньшим некоторого критического значения, при котором сила межчастичного взаимодействия становится соизмеримой с их весом. Наиб. распространение имеют порошки с размером частиц от 1 до 100 мкм. Уд. межфазная поверхность таких порошков меняется в широких пределах - от несколько м2/г (аэросил, сажа) до долей м2/г (мелкие пески). Высокодисперсные порошки с частицами размером < 1 мкм, взвешенными в газовой фазе и участвующими в броуновском движении, образуют аэрозоли (пыли, дымы).

В технике и технологии порошки с размером частиц от 1 до 100 мкм-минер. вяжущие (цементы, известь, гипс и т.п.), удобрения, пожаротушащие средства, твердые компоненты в производстве керамики, металлокерамических изделий, наполнители для пластмасс, резин и др., а также пищевые продукты (мука, сахарная пудра, какао-порошок), лек. и косметические средства. Важнейшие технологические свойства таких материалов - сыпучесть (величина, обратная вязкости), уплотняемость (определяется кинетикой изменения объема порошки под действием динамич. нагрузки и достигаемой объемной плотностью), слеживаемость в процессе хранения (образование структур с прочностью, превышающей первоначальную). Слеживаемость порошки может быть следствием несколько факторов. Растворимые в воде порошки (напр., минер. удобрения) проявляют склонность к слеживанию при увлажнении и последующем высушивании, т. к. по достижении пересыщения раствора выделяются кристаллы, которые образуют "мостики срастания" между частицами порошки. Минералы вяжущие слеживаются при длительном хранении на воздухе вследствие увлажнения, т. к образующиеся продукты гидратации менее растворимы в воде, чем исходные порошки, и при пересыщении выделяются кристаллы - мостики срастания.

Слеживаемость порошки при хранении в емкости может вызываться увеличением площади контакта между частицами в результате их пластичной деформации под действием веса вышележащих слоев. Для предотвращения слеживания гигроскопичные порошки гидрофобизуют, модифицируя поверхность частиц с помощью ПАВ, а в ряде случаев вводя твердые высоко дисперсные нерастворимые в воде добавки. Кроме того, особое внимание уделяют герметизации емкостей для хранения порошков, ограничивают сроки хранения и т.п.

Заключение