ГЕЛИ
Спасибо нашим инвесторам из казино онлайн
ГЕЛИ
, или же л и, однородные коллоидальные студни, не имеющие видимой микроскопической структуры, содержащие большие количества воды или другой жидкости и обнаруживающие, несмотря на это, свойства твердых тел. В зависимости от связываемой гелем жидкости он получает соответствующее название: гидрогель, если он содержит воду, алкогогель — в случае содержания спирта, и т. д. Образование. Гель получается обычно из коллоидального раствора, или
золя
(см.). Коллоиды различаются по своему отношению к жидкости, в которой взвешены их частицы. Одни из них имеют более или менее значительное сродство к ней и называются лиофильными (в случае гидрозолей—гидрофильными), те же, которые таким сродством не обладают, называются лио-фобными (или соответственно гидрофобными; см.
Коллоиды).
Под влиянием различных воздействий золи легко переходят в твердое состояние. При этом у лиофобных коллоидов наступает
коагуляция
(см.): коллоидальные частицы соединяются в более крупные агрегаты, степень их дисперсности уменьшается, и процесс заканчивается осаждением коллоида, отделением его от жидкости в виде коллоидального осадка—«коагулята». У лиофильных коллоидов коллоидальный раствор без разделения своих фаз может превращаться в однородный плотный студень, в к-ром жидкость связайа коллоидальными частицами. Путем такого желатинирования образуется Г. Он может, однако, возникать и противоположным путем—не в результате уплотнения коллоидального раствора, а посредством поглощения воды (или другой жидкости) твердым безводным коллоидом (см. ниже набухание). Примером коллоидов, дающих Г., могут служить агар-агар, желатина, кремневая кислота. Желатина застывает в плотный гель уже при содержании в 2—3%, агар-агар—даже при одной десятой этой концентрации. Структура. При изучении целого ряда естественных (протоплазма) и искусственных гелей Бючли (Butschli) заметил у них ячеистую или пенистую структуру. Коллоидальное вещество составляло стенки ячей, в которых, как мед в сотах, были заключены мельчайшие капельки жидкости. Так большинство гелей микроскопически вполне однородно, то, чтобы сделать их структуру видимой, Бючли уплотнял их спиртом, хромовой кислотой и т. д., а также вытеснял воду жидкостью, имеющей другой показатель преломления. После такой обработки пенистое, альвеолярное строение ясно выступало почти у всех гелей. Т. о., расположение фаз коллоида и растворителя оказывалось обратным тому, к-рое наблюдается в коллоидальном растворе. Бючли предполагал, что такую же структуру имел и первоначальный гидрогель до замены в нем воды спиртом и что эта преформированная структура остается невидимой лишь вследствие почти полного тождества показателей преломления обеих фаз гидрогеля. Результаты этих наблюдений привели Бючли к созданию теории ячеистого или пенистого строения
протоплазмы
(см.). Однако, тщательные ультрамикроскопические наблюдения, особенно исследования Бахмана (Bachmann), показали, что отдельные коллоидальные частицы при образовании Г. сохраняют ультрамикроскопические размеры, лежащие за пределом видимости микроскопа. Грубые микроскопические структуры, которые наблюдал Бючли, не могут поэтому существовать в первоначальном студне, а являются лишь искусственными образованиями, результатом обработки гелей. Следует иметь в виду, что те же реактивы, при помощи которых Бючли пытался сделать видимой структуру Г., применяются и при фиксации живой клетки для ее микроскопического исследования (см.
Гистологическая техника).
Подобная обработка нередко, вместо того, чтобы «фиксировать» существующие структуры, создает новые, изменяя состояние клеточных коллоидов. Многие клеточные структуры, описанные гистологами, несомненно являются такими искусственными образованиями —
артефактами
(см.). В действительности Г. обладают только ультрамикроскопической структурой. Согласно Жигмонди (Zsigmondy), они состоят, подобно золям, из отдельных коллоидальных ультрачастиц, которым Негели (Nageli) дал название
мицелл
(см.). Обнаруживаемые Г. свойства твердого тела (способность сохранять свою форму, б. или м. заметное сцепление его частиц, эластичность и т. п.) обусловлены, повидимому, сцеплением отдельных разбухших мицелл, образующих как бы тончайшую строму, пронизывающую во всех направлениях основную массу жидкости. Диффузия в Г. Такая структура Г. позволяет понять многие их свойства, которые иначе оставались бы необъяснимыми, и прежде всего — скорость диффузии растворенных в геле веществ. Ско
рость диффузии быстро уменьшается при возрастании
вязкости
(см.) раствора, делаясь ничтожно малой при приближении к твердому состоянию. Между тем, в Г. раствор соли обнаруживает весьма значительную скорость диффузии. NaCl, напр., диффундирует в слабо концентрированном желатиновом или агаровом Г. почти с такой же скоростью, как в чистой воде. Это возможно только при наличии непрерывной массы воды, удерживаемой лишь сцеплением коллоидальных мицелл. Подобно губке, пропитанной водой, гель сочетает механическую прочность, напоминающую прочность твердых тел, с наличием свободных масс жидкости. Впрочем, исследования последних лет показали ошибочность первоначального представления о полном равенстве скорости диффузии в гидрогеле и в чистой воде. Замедление скорости диффузии в более концентрированных Г. делается весьма значительным, и притом очень неодинаковым для различных кристаллоидов. Коллоиды в гелях не диффундируют. Химич. реакции в Г. G характером диффузии тесно связаны и хим. реакции, протекающие в гелях. Г. составляют кажущееся исключение из старого правила, что химические реакции возможны только в жидкостях («corpora non agunt, nisi soluta»). Благодаря свободной подвижности в Г. кри-сталлоидных молекул и ионов, хим. реакции между ними могут протекать точно так же, как в растворах. Примером технического применения этого свойства являются т. н. сухие гальванические элементы, в которых жидкость заменена соответствующими плотными студнями. Это же сочетание механических свойств твердого тела и хим. свойств жидкости определяет биологич. значение гелей, делая их незаменимым материалом для построения живых организмов. Для жизни как отдельной клетки, так и многоклеточного организма необходимы разнообразные, часто весьма сложные структуры. Только гели могут образовывать подобные структуры (как, напр., клеточная оболочка), не являясь вместе с тем непреодолимой преградой для течения химических процессов, лежащих в основе жизни. Особые условия, создающиеся при диффузии растворенных веществ в Г., могут приводить к своеобразным хим. реакциям. Так, при диффузии веществ, дающих при своем взаимодействии нерастворимые осадки, последние могут отлагаться в форме последовательных концентрических слоев, получивших название «колец Лизеганга». Набухание. На способности Г. связывать различные количества жидкости основано очень важное явление набухания. Набуханием назьгеается поглощение гелем жидкости (в случае гидрогеля—воды), при чем объем его увеличивается, а сцепление и твердость соответственно уменьшаются; Г. остается при этом микроскопически однородным. Точно таким же образом и сухой, безводный коллоид может набухать, связывать воду, превращаясь в Г. Способность к набуханию у различных Г. весьма неодинакова. Их можно в этом отношении разделить на ограниченно и неограниченно набухающие. Последние связывают всю прибавленную жидкость, беспредельно набухая до тех пор, пока— при достаточном уменьшении концентрации коллоида — они. не превратятся в золи. Гораздо чаще наблюдается ограниченное на – бухание, останавливающееся после достижения определенного максимума набухания. Впрочем, между обеими группами имеются переходы. Даже для одного и того же Г. характер набухания зависит от внешних условий: так, желатина и агар при повышении t° делаются неограниченно набухающими. При набухании развивается весьма значительное давление, особенно большое при поглощении первых порций воды и быстро убывающее по мере приближения к максимуму набухания. Так, напр., при набухании крахмала давление достигает в начале процесса 2.500 атм. Давление набухания было известно и находило себе применение уже в древности: для раскалывания скал в щели вводилось сухое дерево, разрывавшее камень при размачивании. Состав жидкости оказывает очень большое влияние на процесс набухания. Особенно сильно влияет прибавление кислот и щелочей, изменяющих активную реакцию раствора. Большую роль играют также ионы солей, особенно—их отрицательно заряженные ионы—анионы. По степени их влияния на набухание (а также на др. коллоидальные и коллоидально-биол. процессы) анионы могут быть расположены в ряды, выражающие градацию в силе их действия,—т. н.
Гофмейстера ряды
(см.). В больших концентрациях соли обычно подавляют набухание. Неэлектролиты на связывание воды гелями влияют мало. Набухание биоколлоидов играет большую роль в организме. Наряду с осмотическими силами (см.
Осмотическое давление),
оно определяет связывание и распределение воды
в тканях. Особенно большие количества воды связывает, по данным Шаде (Schade), соединительная ткань. Отдельные части ее ведут себя при этом различным образом. Напр., слабое подщелачи-вание резко усиливает набухание основного вещества, подкисление же вызывает разбухание коллагенных волокон. Таким образом, небольшое изменение реакции вызывает перемещение и перераспределение воды между элементами ткани. Эластические и неэластические Г. Рассмотренные выше гели увеличиваются в объеме при поглощении воды (набухание), сжимаются при потере воды (от-бухание), оставаясь все время микроскопически однородными. Иначе ведет себя другая группа Г., примером к-рой может служить подробно изученный Ван Беммеленом (Van Bemmelen) кремневый студень. При высушивании он в течение нек-рого времени сжимается. Однако, при дальнейшей потере воды объем перестает уменьшаться, а между частицами коллоида появляются пустоты, делающие стекловидный прежде Г. непрозрачным. При обратном поглощении воды она заполняет пустоты студня, не увеличивая его объема. Соответственно этому, Г. разделяются на эластические и неэластические. Только у первых поглощение воды отвечает данному выше определению набухания. Характер связывания воды принципи ально различен в обоих случаях. У эластических, набухающих Г. оно обладает специфичностью, характерной для хим. взаимодействий и приближающей его к растворению. Так, целлоидин набухает в спирте и в эфире, каучук—в бензоле, но оба они не набухают в воде; желатина набухает в воде, но не в спирте, и т. д. Напротив, в поры неэластического, ненабухающего Г., повинуясь капи-лярным силам, одинаково проникают любые смачивающие его жидкости. Эластический Г. может быть во многих случаях превращен в неэластический как путем изменения самого коллоида, так и посредством замены воды другой жидкостью, к-рую коллоид не связывает. При гист. обработке живой ткани, основной задачей фиксации является превращение набухающих биоколлоидов в неэластические Г., не способные больше изменять свою форму и объем в действующих на них растворах. Отчасти даже у эластических Г., особенно же у Г. неэластических, изменения, связанные с поглощением и отдачей воды, могут происходить крайне медленно; они лишь очень медленно приближаются к равновесию или даже совершенно его не достигают. Так, если последовательно помещать кремневый студень в сосуды, содержащие водяные пары возрастающей упругости, а затем проделать тот же переход в обратном порядке, то кривые, передающие зависимость содержания воды от упругости пара, в обоих случаях не совпадут. При одинаковой влажности воздуха, Г. в процессе поглощения воды, «оводнения», будет содержать меньше воды, чем при обратном процессе «обезвоживания». Он сохраняет как бы отпечаток предшествующего состояния—более богатого или более бедного водой. Такое длительное последействие существовавших прежде условий называется
гистерезисом
(см.). Тесно связано с ним явление
синерезиса
(см.). Оно заключается в способности многих свежеприготовленных Г., имеющих сперва совершенно сухую поверхность, при стоянии сжиматься, выделяя на поверхности б. или м. значительные количества воды. Хорошо известный пример этого явления представляет сжимание кровяного сгустка, выделяющего при этом чистую сыворотку. Обратимое разжижение и желатинирование. При неограниченном набухании гель превращается в золь. Такое же разжижение Г. и обратное его застудневание может происходить без поглощения им новых количеств воды. Оно происходит, напр., под влиянием изменения t°: многие Г. разжижаются при нагревании, постепенно снова желатинируясь по охлаждении. Оно может быть вызвано также изменениями хим. состава, в частности—активной реакции или концентрации солей. Наконец, временное, обратимое разжижение является во многих случаях результатом механического сотрясения. Это последнее явление, привлекшее к себе особенное внимание в последние годы, получило название
тиксотропии
(см.); оно очень хорошо выражено в живой протоплазме. Обратимое разжижение и желатинирование протоплазмы или отдельных клеточных структур играет, повидимому, существенную роль при многих жизненных процессах. Оно имеет место при клеточном делении (кариокинетические фигуры), при амебоидном движении (уплотнение наруж – ного слоя протоплазмы в эктоплазму и разжижение внутренней эндоплазмы), возможно, также при наркозе и т. д. Так как при этом особенно сильно изменяется вязкость, то наблюдение скорости движения находящихся в протоплазме части