СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ ФАЗОВОГО ПЕРЕХОДА ЖИДКОСТЬ-ЖИДКОСТЬ В ВОДНЫХ РАСТВОРАХ АМФИФИЛОВ Российский патент 2015 года по МПК G01N25/02 G01N25/48 

Изобретение относится к пограничной области между физикой, химией и биологией. Может быть использовано в научных и промышленных лабораториях для определения параметров фазового перехода в воде и влияния на них условий (давление, температура), добавок веществ и полей. По этим данным судят о применении ПАВ в различных отраслях промышленности и сельского хозяйства.

Известен способ измерения параметров фазового перехода жидкость-жидкость (L-L-переход) в водных растворах (патент РФ 2433386). Способ позволяет измерять среднюю концентрацию фазового перехода или критическую концентрацию мицеллообразования (ККМ), степень кооперативности, область концентрации, где происходит переход, глубину перехода. Кроме того, известно (Huang et al. // PNAS. 2009. V.106. P.15214), что вода на масштабах примерно 1 нм образует при комнатной температуре мерцающие флуктуации (кластеры) низкой плотности со строгой тетраэдрической координацией (LDL) и флуктуации высокой плотности с разорванными H-связями (HDL), которые находятся в равновесии.

Появление амфифилов в воде сдвигает равновесие в сторону образования кластеров LDL. По достижении ККМ в воде достигается средняя концентрация L-L-перехода. Кластеры воды осциллируют между кластерами LDL и HDL в концентрационной области перехода. Осцилляция ансамблей кластеров воды сопровождаются осцилляцией ансамблей двух видов мицелл (Миргород Ю.А. // Журн. структ. химии. 2008. Т49. С.920). Автоколебания ансамблей кластеров воды и мицелл происходят быстро 10³-10^-8 с. Приборы пока не могут зафиксировать (разделить) во времени существование мерцающих кластеров и мицелл. Методы малоуглового и рентгеновского рассеяния обнаруживают только сферические или эллиптические мицеллы амфифилов (Cabane В. et. al. // J. Physique. 1985. V.46. P.2161).

Известный способ (патент РФ 2433386) не позволяет идентифицировать два осциллирующих состояния системы.

Технической задачей изобретения является создание способа идентификации (визуализации) и разделения двух осциллирующих состояний системы (энергетических распределений ансамбля кластеров).

Технический результат согласно изобретению достигается разбавлением раствора амфифила в области критической концентрации мицеллообразования раствором полиэтиленоксида (ПЭО) и измерением теплового эффекта разбавления в зависимости от концентрации амфифила. Готовят раствор амфифила с концентрацией, превышающей его ККМ. В другой мерной посуде готовят раствор ПЭО, примерно в 100 раз более разбавленный по сравнению с раствором амфифила в весовом процентном отношении. Для экспериментов берут ПЭО с молярной массой от 2000 до 100000 г·моль^-1. Желательно брать ПЭО с узким молекулярно-массовым распределением. На изотермическом калориметре проводят термометрическое титрование. По результатам измерения тепловых эффектов в зависимости от концентрации амфифила строится кривая термометрического титрования (см. чертеж). На кривой появляются два противоположных по тепловым эффектам «горба». Они указывают на существование двух процессов, происходящих в концентрационной области мицеллообразования амфифилов. Со стороны малых концентраций вначале происходит эндотермический процесс, а затем экзотермический. Разные процессы отражают взаимодействие ПЭО с двумя типами мицелл, образование которых преобладает в разных областях концентраций амфифила. С ПЭО молярной массой, меньшей 2000 г·моль^-1, два процесса не визуализируются. С молярной массой, большей 100000 г·моль^-1, они проявляются плохо. Растворы при титровании должны быть прозрачны. Они не должны образовывать осадок или становиться мутными.

Горбы отражают распределение ансамбля кластеров по энергиям (энтальпиям) разбавления в данной области концентраций амфифила в состояниях A и B. При каждой из многочисленных концентраций в области L-L-перехода есть свое распределение состояний А и В. Термометрическая кривая отражает интегральные распределения по концентрациям. Температура, давление, электролит, электромагнитное и звуковое поле влияют на это распределение. От 25 до 5°C горбы увеличиваются и сближаются, а при 65°C исчезают.

Изобретение иллюстрируется примером. Готовят 10% (вес.) раствор додецилсульфата натрия (ДЦС) и 0,1% (вес.) раствор ПЭО молярной массы 3350 г·моль^-1. ККМ ДЦС 8·10^-3 М. На изотермическом микрокалориметре проводят термометрическое титрование раствора ПЭО раствором ДЦС при 15°C. Затем строят график зависимости теплового эффекта от концентрации ДЦС (см. чертеж). На чертеже по точкам сопряжения прямых с кривыми определяют начало c₁=4·10^-3 М и конец C₂=28·10^-3 М L-L-перехода. По двум s-образным кривым - средние концентрации c_A=6·10^-3 М, c_B=22·10^-3 М и энтальпии образования ансамбля кластеров в положении А ΔH_A=10 кДж·моль^-1, В ΔH_B=-4 кДж·моль^-1. Концентрации определяются так, чтобы площади треугольников под функцией и над функцией ΔH(x) были одинаковыми.

Таким образом, с помощью добавки ПЭО в раствор амфифила и измерением во время добавки теплового эффекта разбавления можно наглядно наблюдать модели мерцающих кластеров растворов амфифилов в области мицеллообразования от c₁ до c₂ и определять их энергетические параметры. Данное явление позволяет моделировать релаксационные процессы в растворах амфифилов при исследовании, например, проникновения лекарств через кожу под влиянием ультразвука или увеличения нефтедобычи под влиянием электромагнитного поля.

Изобретение относится к пограничной области между физикой, химией и биологией и может быть использовано в научных и промышленных лабораториях для определения параметров фазового перехода в воде и влияния на них условий (давление, температура), добавок веществ и полей. Предлагается способ измерения параметров фазового перехода жидкость-жидкость в водных растворах амфифилов измерением теплового эффекта разбавления раствора амфифила растворами ПЭО в зависимости от концентрации амфифила. Технический результат - повышение достоверности идентификации и разделения двух осциллирующих состояний системы. 3 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Способ измерения параметров фазового перехода жидкость-жидкость в водных растворах амфифилов измерением теплового эффекта разбавления раствора амфифила растворами ПЭО в зависимости от концентрации амфифила.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что берут полиэтиленоксид с молярной массой 2000-100000 г·моль^-1.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве параметров фазового перехода определяют область концентраций, где происходит фазовый переход, средние концентрации двух распределений ансамблей кластеров, энтальпии распределений образования двух ансамблей кластеров.