ТЕОРЕТИЧНІ ОСНОВИ ПРОЦЕСУ РОЗЧИНЕННЯ

Розчинення — спонтанний дифузійно-кінетичний процес, який відбувається при зіткненні речовини, що розчиня­ється, з розчинником.

У фармацевтичній практиці розчини одержують із твердих, порошкоподібних, рідких та газоподібних речовин. Як правило, одержання розчинів із рідких речовин, взаєморозчинних або та­ких, що змішуються між собою, відбувається без особливих труднощів, як просте змішування кількох рідин. А от розчинен­ня твердих речовин, особливо тих, що розчиняються повільно і важко, є складним і трудомістким процесом. У процесі розчинен­ня можна виділити умовно кілька стадій:

1. Поверхня твердого тіла контактує з розчинником. Контакт супроводжується змочуванням, адсорбцією і проникненням роз­чинника в мікропори частинок твердого тіла.

2. Молекули розчинника взаємодіють із шарами речовини на поверхні розділення фаз. При цьому відбувається сольватація молекул або іонів і відрив їх від поверхні розділення фаз.

3. Сольватовані молекули або іони переходять у рідку фазу.

4. Вирівнювання концентрацій в усіх шарах розчинника.
Тривалість першої та четвертої стадій залежить переважно від

швидкості дифузійних процесів. Друга й третя стадії часто відбу­ваються миттєво або досить швидко і мають кінетичний характер (механізм хімічних реакцій). Із цього випливає, що швидкість розчинення залежить переважно від характеру дифузійних процесів.

3.2.1. РОЗЧИНИ ТВЕРДИХ РЕЧОВИН

Більшість твердих речовин є кристалічними. Розчи­нення кристалічної речовини складається з двох процесів, що від­буваються одночасно: сольватації (у даному випадку гідратації) частинок і руйнування кристалічних ґраток.

На рис. 3.1 показано процес розчинення натрію хлориду (кристалічна іонна сполука) у воді (полярна рідина). Іон натрію хлориду взаємодіє з дипольними молекулами води: до позитивно­го іону Na⁺ диполі звернені своїми негативними полюсами, а до негативних іонів СГ — позитивними. Поступово диполі води про­никають між іонами Na⁺ і СГ у твердій фазі, відриваючи їх від кристалу.

Для ефективності розчинення важливо, щоб сили зчеплення між молекулами розчинника і частинками речовини, що розчиня­ється, були більшими за сили взаємного притягання цих частинок між собою. Вода порівняно з іншими розчинниками має велику полярність (найвище значення діелектричної сталої). Саме цією властивістю зумовлюються висока іонізаційна здатність води та її руйнівна дія на кристалічні ґратки багатьох полярних сполук.

При розчиненні речовин спостерігається поглинання або виді­лення теплоти. Поглинання теплоти вказує на витрачання енер­гії. Пояснюється це тим, що для переходу речовини з твердого стану в рідкий, тобто для розчинення кристалічних ґраток, обо­в'язково потрібна енергія. Наприклад, іони натрію та хлору до розчинення натрію хлориду у воді фіксовані у вузлах кристаліч­них ґраток, мають при цьому тільки обертові й коливальні рухи. Після розчинення іони починають відносно вільно рухатися все­редині розчину, а для цього необхідне збільшення їхньої кінетич­ної енергії. Саме це й відбувається за рахунок відбирання енергії в розчинника у формі теплоти, внаслідок чого відбувається охо­лодження розчину. Чим міцніші кристалічні ґратки, тим значні­ше охолодження розчину.

Виділення теплоти при розчиненні речовини завжди вказує на активну сольватацію, тобто утворення сполук між розчинною речовиною і розчинником.

Кінцевий тепловий ефект розчинення Q потрібно розглядати як суму двох складників — позитивного теплового ефекту сольва­тації q і негативного теплового ефекту руйнації кристалічних ґра­ток c:

Q = q + (-c). (3.1)

Знак теплового ефекту розчинення залежатиме від того, який складник переважає. Якщо кристалічні ґратки міцні, складник -c чисельно більший від q; у цьому разі розчинення речовини відбувається з поглинанням теплоти. I навпаки, у речовин зі сла­бкими кристалічними ґратками і сильно сольватованих (гідрато-ваних) превалює складник q; при цьому розчинення відбувається з виділенням теплоти. Часто позитивний і негативний теплові ефекти розчинення виявляються однаковими або дуже близьки­ми; у таких випадках при розчиненні ми не спостерігаємо охоло­дження або розігрівання розчину.

Тепловий ефект розчинення відносять до 1 моля речовини, що розчиняється в досить великій кількості розчинника. 3 погли­нанням теплоти розчиняються KN0₃ [Q = -35,66 кДж/(г«моль)], KI (-21,39), NaCl (-5,02), NaBr (-0,79) і багато інших кристаліч­них речовин. 3 виділенням теплоти розчиняються AgNOg [Q = = +22,6 кДж/(г*моль)], NaOH (+41,86) та деякі інші речовини.

При розчиненні кристалогідратів у воді спостерігається більш ни­зький тепловий ефект, ніж при розчиненні безводної солі. Напри­клад, теплота розчинення безводного СаС1₂ дорівнює +72,88 кДж/ (г'моль), а СаС1₂«6Н₂0 складає -18,04 кДж/(г«моль). Різниця (+72,88) - (-18,04) = 90,92 кДж є теплотою утворення кристало­гідрату.

3.2.2. РОЗЧИНИ РІДКИХ РЕЧОВИН

Рідини здатні по-різному змішуватись одна з одною — від повної нерозчинності до змішування в будь-яких кількісних співвідношеннях.

У формі водних розчинів звичайно застосовують рідкі лікар­ські речовини, що мають повну взаємну розчинність, але можуть бути прописані й речовини з обмеженою розчинністю у воді. У разі розчинення полярних сполук відбуваються гідратація полярних молекул та дисоціація їх у розчині на вільні гідратовані іони (рис. 3.2). Наприклад, так поводяться молекули HC1, що дисоцію­ють у водних розчинах на вільні гідратовані іони Н⁺ і C1".

При розчиненні неорганічних кислот у воді спостерігається виділення теплоти. Наприклад, теплота розчинення H₂S0₄ дорів­нює +92,38 кДж/(г • моль), HC1 — +75,09 кДж/(г • моль), HN0₃ — +33,28 кДж/(г*моль). Очевидно, що у всіх цих випадках пози­тивний ефект гідратації значно вищий за негативний тепловий ефект руйнації асоціатів молекул. Аналогічна картина спостері­гається і при розчиненні етилового спирту у воді.

При розчиненні рідин у рідині помітніше, ніж при розчиненні твердих речовин у рідині, відбувається збільшення або зменшен­ня сумарного об'єму. Збільшення сумарного об'єму звичайно зале­жить від руйнації асоціатів молекул. Зменшення сумарного об'єму (стиснення, концентрація) найчастіше спричиняється утворенням сполук між рідинами, що змішуються.

Зміна об'єму розчину, якщо вона викликана його самоохоло-дженням або саморозігріванням, має тимчасовий характер, тому її слід враховувати під час готування розчинів заданого об'єму.

Уперше дифузійний механізм розчинення описав A. M. Шу-карєв у 1896 році. За його рівнянням швидкість процесу зале­жить від різниці концентрацій і поверхні розділення фаз. Сучас­на теорія про розчинення твердих тіл ґрунтується на уявленні про цей процес як про кінетику гетерогенних процесів, під час яких можуть проявлятися і дифузійні, і міжфазні процеси (хіміч­ні). Ця теорія розвинута в наукових працях О. Б. Здановського, M. Товдіна, О. Брама та ін. Відправним положенням дифузійно-кінетичної теорії слід вважати наявність пограничного дифузій­ного шару і його вплив на зміну швидкості процесу.

Кінетика процесу розчинення описується таким рівнянням:

де D — коефіцієнт дифузії;

Y — коефіцієнт швидкості міжфазного процесу;

8 — ефективна товщина пограничного дифузійного шару,

м;

S — поверхня твердої фази, м²;

С₀ — концентрація насиченого розчину, кг/м³;

C_t — концентрація розчину на даний момент, кг/м³;

— кількість речовини, яка розчинилася за одиницю часу (швидкість розчинення), кг/с; n — порядок реакції розчинення. У воді майже для всіх лікарських речовин дорівнює одиниці (кінетична об­ласть розчинення). Константа швидкості розчинення K_v при сталому об'ємі рід­кої фази визначається за формулою

ТИПИ РОЗЧИНЕННЯ

Залежно від співвідношення дифузійних і кінетич­них (міжфазних) механізмів можливі три основні типи розчинення:

1. Дифузійний у» D/ 5, тобто K_v -^ D/ 5.

2. Кінетичний у «D/ 5, тобто K_v -^ у.

3. Дифузійно-кінетичний, якщо значення коефіцієнта швид­кості міжфазного і дифузійного процесів порівнювані.

На виробництві розчинення бажано проводити в кінетичній області, прискорюючи дифузійні процеси перемішуванням рідкої

фази. Однак для повільно- і важкорозчинних речовин міжфазний процес відбувається навіть при інтенсивному перемішуванні.

Змочування твердого тіла залежить від полярності поверхні та розчинника. Гідрофільні і гідрофобні властивості поверхні можуть змінюватися внаслідок адсорбції повітря, вологи або домішок. На змочування і проникнення розчинника у пори впливають також пористість і шорсткість поверхні, наявність дефектів кристалічних ґраток й мікротріщин. Для кращого змочування і для запобіган­ня адсорбції здрібнення доцільно проводити в середовищі розчин­ника, іноді з додаванням поверхнево-активних речовин.

Вступаючи в контакт при змочуванні, молекули чи іони твердої фази і розчинника починають взаємодіяти, утворюючи відповідні сольвати або їх асоціати. У близьких за властивостями і структурою розчинних системах (наприклад сполуки гомологічного ряду або ізомери між собою майже не взаємодіють) властивості розчинених речовин і розчинника зберігаються, змінюється лише концентрація речовини в розчині і може змінитися агрегатний стан. Однак час­тіше між розчинником і поверхневими молекулами твердих тіл утворюються водневі зв'язки, відбувається міждипольна взаємодія. Це приводить до утворення сольватів, асоційованих комплексів із різним ступенем стійкості та до дисоціації комплексів і молекул на іони. У таких розчинах розчинна речовина і розчинник знаходяться в зміненому стані порівняно з початковим.

ТЕОРІЯ ГІДРАТАЦІЇ

За молекулярно-кінетичною теорією гідратації при розчиненні речовин, що дають частинки з досить високою густи­ною заряду (іони Li, Ca, Mg, F та ін.), молекули розчинника, які знаходяться навколо цих частинок, притягуються, їх рухливість зменшується, уповільнюється обмін з іншими молекулами. Це явище одержало назву позитивної гідратації. Деякі іони, такі як K, Na, Rb, Cs, Br, I, C1, неначе відштовхують молекули розчинни­ка, що спричиняє збільшення обміну між найближчими молеку­лами у порівнянні з чистим розчинником, зростає невпорядкова­ність молекул розчинника. У цьому разі відбувається негативна гідратація. Встановлено, що вона можлива тільки у певному ін­тервалі температур. При досягненні граничних температур нега­тивна гідратація переходить у позитивну. Наприклад, для іонів Na, Cs, C1,1 ці температури відповідно дорівнюють 11, 89, 27, 75 °С. Це пояснюється тим, що з підвищенням температури зростає теп­ловий рух молекул розчинника. Різноманітність взаємодій настіль­ки велика, що досі немає єдиної теорії розчинів.

Однак сучасні уявлення про процес розчинення дозволяють на наукових засадах трактувати біофармацевтичні закономірності

в зміні біологічної доступності і терапевтичної активності лікар­ських речовин у розчинах залежно від діелектричної проникнос­ті, наявності постійних та індукованих дипольних моментів, по-ляризованості іонів та молекул розчиненої речовини. У технології розчинів стає зрозумілою роль вибору середовища або додавання електролітів, високомолекулярних сполук, поверхово-активних речовин тощо.

При розчиненні руйнуються зв'язки між молекулами або іона­ми в розчинній речовині та розчиннику, що пов'язано із витра­чанням енергії. Водночас починається процес комплексоутворен-ня, тобто виникають нові зв'язки між молекулами та іонами, утворюються сольвати. Процес супроводжується виділенням енергії. Загальна енергетична зміна в системі може бути позитив­ною або негативною.

Так, при розчиненні спирту й води, багатьох лугів, кислот та інших речовин у воді виділяється теплота, тому додаткове нагрівання призводить до зменшення розчинності. Якщо розчи­нення супроводжується поглинанням теплоти, нагрівання збіль­шує розчинність.

Іноді розчинність супроводжується зміною сумарного об'єму (явище контракції) при відмірюванні метанолу, етанолу, гліцери­ну та інших спиртів з водою.

Очевидно, що цим процесом можна керувати, варіюючи різні технологічні фактори. Так, для збільшення швидкості розчинення (рівн. 3.1) можна змінити температурний режим, збільшити різницю концентрацій, зменшити в'язкість і товщину пограничного дифу­зійного шару шляхом зміни гідродинамічних умов, здрібнити ви­хідну речовину, збільшуючи таким чином поверхню контакту з розчинником. Для реалізації цих можливостей технологічний процесздійснюють у реакторах, які мають оболонку для обігріван­ня парою або для охолодження системи розсолом і перемішувальне обладнання. Інтенсивне перемішування зменшує товщину погра­ничного дифузійного шару.

ЧТО ПРОИСХОДИТ, КОГДА МЫ ССОРИМСЯ Не понимая различий, существующих между мужчинами и женщинами, очень легко довести дело до ссоры...

ЧТО И КАК ПИСАЛИ О МОДЕ В ЖУРНАЛАХ НАЧАЛА XX ВЕКА Первый номер журнала «Аполлон» за 1909 г. начинался, по сути, с программного заявления редакции журнала...

Что делает отдел по эксплуатации и сопровождению ИС? Отвечает за сохранность данных (расписания копирования, копирование и пр.)...

Что делать, если нет взаимности? А теперь спустимся с небес на землю. Приземлились? Продолжаем разговор...

Не нашли то, что искали? Воспользуйтесь поиском гугл на сайте: