Phân tán chất hấp phụ chất hoạt động bề mặt

KIẾN THỨC HÓA LÝ DƯỢC
Hóa lý dược (Pharmaceutical Physical Chemistry): Khoa học
nghiên cứu mối quan hệ giữa các hiện tượng vật lý và hóa học của vật
chất áp dụng trong ngành dược.
Nội dung trao đổi và chia sẽ liên quan đến các chủ đề hóa lý
dược trong nghiên cứu phát triển các dạng thuốc đi từ nguyên liệu ban
đầu đến sản phẩm thuốc hoàn chỉnh:
1. Hóa lý dược - Khái niệm cơ bản liên quan đến Hóa lý dược
2. Nhiệt động học - Động hóa học - Điện hóa học
3. Hóa lý nguyên liệu dược (hoạt chất – tá dược - bao bì)
4. Hiện tượng bề mặt – Chất hoạt động bề mặt
5. Hóa lý hệ phân tán (dung dịch, hệ tiểu phân nano, hệ tiểu
phân micro)
6. Hóa lý các dạng thuốc rắn, lỏng, bán rắn và sol khí
7. Biến đổi tính chất hóa lý vật chất trong quy trình sản xuất
thuốc.
Kết tinh là quá trình kết tập tạo tiểu phân khi có sự thay đổi các
điều kiện vật lý.
Kết tủa là quá trình kết tập tạo tiểu phân từ phản ứng hóa học.
Entropy là tiêu chuẩn tự diễn biến trong hệ cô lập, thước đo
mức độ trật tự của hệ, ký hiệu S.
Enthalpy là hiệu ứng nhiệt của một quá trình, kí hiệu H.
Đơn vị là một mẫu chuẩn được mọi người thừa nhận. Mẫu
chuẩn này thường có số đo là 1, có một cái tên và một ký hiệu tương
ứng.
Thí dụ: Mét là khoảng cách giữa hai vạch khắc của một cây
thước bằng bạch kim pha iridum ở 0 ºC đặt tại Viện Đo Lường Quốc
Tế (Sèvre, Pháp), được ký hiệu là m.
Kilogram là khối lượng của một khối hình trụ bằng bạch kim
pha iridum, có đường kính bằng chiều cao là 39 mm, đặt tại Viện Đo

Lường Quốc Tế (Sèvre, Pháp), được ký hiệu là kg.
Giây là khoảng thời gian tương đương với 1/86400 của một ngày mặt
trời trung bình, được ký hiệu là s."
"Thứ nguyên được xem như sự tổng quát hóa của đơn vị, trong
đó ta không còn coi trọng đến sự thể hiện cụ thể của đơn vị nữa mà
chỉ xét đến bản chất của đơn vị đó.
Thí dụ: Km, in, dặm, hải lý là các đơn vị khác nhau nhưng
chúng có một bản chất chung, đó là khoảng cách hay chiều dài, như
vậy các đơn vị này có cùng thứ nguyên, ký hiệu chung là L".
HIỆN TƯỢNG BỀ MẶT
Hiện tượng bề mặt: hiện tượng gây ra bởi sự khác nhau về lực
tương tác giữa các phần tử trên bề mặt tiếp xúc giữa các pha so với
các phần tử bên trong pha.
Các hiện tượng bề mặt: (1) sức căng bề mặt hay liên bề mặt
(surface and interfacial tension), (2) tính thấm ướt bề mặt rắn (wetting
of solid surfaces), (3) hấp phụ (adsorption), (4) hiện tượng mao quản
(capillary action).
1. Sức căng bề mặt: tính chất đặc trưng của chất lỏng gây nên
bởi sự hút lẫn nhau của các phần tử và xuất hiện trên bề mặt phân chia
giữa hai pha (rắn – lỏng, khí – lỏng hay lỏng – lỏng). Những phần tử
trên bề mặt phân chia thường có xu hướng bị kéo vào phía bên trong
của chất lỏng và liên tục ở trạng thái của một sức căng. Sức căng bề
mặt có thể được định nghĩa: (1) lực căng trên một đơn vị chiều dài bề
mặt (kí hiệu σ, dyn/cm, N/m); (2) công cơ học thực hiện (A) khi lực
căng làm cho diện tích bề mặt thay đổi một đơn vị đo diện tích (J/m2).
2. Thấm ướt: hiện tượng chất lỏng lan chảy ra trên bề mặt rắn
xẩy ra khi tương tác bề mặt lỏng – rắn lớn hơn tương tác giữa các
phần tử lỏng.
3. Hiện tượng mao quản: hiện tượng chất lỏng tự dâng lên cao

hơn hoặc hạ thấp hơn trong các ống rỗng so với chiều cao của môi
trường chất lỏng đặt các ống rỗng. Nguyên nhân do bản thân trong
chất lỏng có lực dính ướt (lực làm cho chất lỏng giữ lại trên thành ống
rỗng) và sức căng bề mặt. Khi lực dính ướt lớn hơn sức căng bề mặt


thì chất lỏng trong ống rỗng được kéo lên cao hơn so với bề mặt môi
trường chất lỏng một khoảng, ngược lại thì hạ thấp hơn trong ống
rỗng một khoảng.
4. Hấp phụ: sự gia tăng nồng độ của chất (chất bị hấp phụ) trên
bề mặt chất khác (chất hấp phụ). Hiện tượng hấp phụ xẩy ra khi tương
tác giữa chất bị hấp phụ và phần tử bề mặt chất hấp phụ lớn hơn so
với tương tác giữa chất bị hấp phụ và phần tử môi trường phân tán.
BÀI TẬP: CHẤT HOẠT ĐỘNG BỀ MẶT (CHĐBM, CHẤT
DIỆN HOẠT, SURFACTANT)
Mô tả hiện tượng xảy ra khi cho từ từ một chất hoạt động bề mặt
vào cốc thủy tinh chứa nước:
Giai đoạn 1: CHĐBM hòa tan tạo dung dịch bão hòa và sắp xếp
thưa thớt trên bề mặt lỏng - khí (đầu thân nước hướng vào môi trường
nước, đuôi kỵ nước hướng vào môi trường khí), sức căng bề mặt khá
lớn.
Giai đoạn 2: CHĐBM tiếp tục sắp xếp trên bề mặt lỏng - khí đến
khi bão hòa, sức căng bề mặt sẽ giảm đột ngột.
Giai đoạn 3: CHĐBM bắt đầu sắp xếp hình thành những micelle
đầu tiên (đầu thân nước hướng vào môi trường nước, đuôi kỵ nước
chụm vào nhau), sức căng bề mặt ổn định, thời điểm này gọi là nồng
độ micelle tới hạn (critical micelle concentration, kí hiệu CMC).
Giai đoạn 4: Tiếp tục hình thành các thể micelle.
Tương tự, hãy mô tả hiện tượng xảy ra khi cho từ từ một chất
hoạt động bề mặt vào môi trường dầu?

.......................................................................................................
.............................
Phân biệt độ tan (solubility) và độ hòa tan (dissolution)
Độ tan (tính tan, solubility) là nồng độ dung dịch bão hòa chất
tan trong môi trường hòa tan ở một điều kiện xác định. Nói cách khác,
độ tan chỉ mức độ hòa tan tối đa của chất tan trong một môi trường ở
một điều kiện xác định. Chính vì thế, độ tan quan tâm đến lượng chất
tan ở trạng thái dung dịch trong điều kiện cân bằng giữa hòa tan và
kết tinh.


Độ hòa tan (dissolution): một đại lượng dùng để đánh giá động
học quá trình hòa tan. Độ hòa tan là lượng chất tan giải phóng ra môi
trường hòa tan theo thời gian. Về mặt định lượng, độ hòa tan là lượng
chất tan hòa tan vào môi trường tại một thời điểm trong một điều kiện
xác định.
Các khái niệm khác cần hiểu rõ liên quan đến độ tan và độ hòa
tan: dung dịch, chất tan, môi trường hòa tan, bão hòa, hòa tan, kết
tinh, giải phóng ?
VẬT CHẤT RẮN (SOLID)
1. Vật chất rắn (solid): cấu trúc cứng và kháng lại sự thay đổi
hình dạng hoặc thể tích. Vật chất rắn là một trong bốn trạng thái vật
chất cơ bản: rắn, lỏng, khí và plasma.
2. Cấu trúc tinh thể (crystal structure): cấu trúc tạo bởi các
phần tử liên kết chặt chẻ với nhau bằng những lực tương tác và và sắp
xếp theo một trật tự hình học không gian xác định gọi là mạng tinh
thể, trong đó mỗi phần tử luôn dao động nhiệt quanh vị trí cân bằng
của nó. Thông thường, một cấu trúc tinh thể là một sự sắp xếp đặc
biệt của các nguyên tử trong tinh thể.
3. Chất rắn kết tinh (crystal or crystalline solid): chất rắn có

cấu
trúc
tinh
thể.
- Các chất rắn kết tinh được cấu tạo từ cùng một chất, nhưng cấu trúc
tinh thể không giống nhau thì tính chất vật lí của chúng có nhiều điểm
khác
nhau.
- Mỗi chất rắn kết tinh ứng với mỗi cấu trúc tinh thể có một nhiệt độ
nóng chảy xác định ở một áp suất xác định. - Chất rắn kết tinh có thể
là chất đơn tinh thể hoặc chất đa tinh thể. Chất đơn tinh thể có tính dị
hướng, còn chất đa tinh thể có tính đẵng hướng.
4. Chất rắn vô định (amorphous solid): chất không có cấu trúc
tinh thể, do đó không có dạng hình học xác định. Các chất rắn vô định
hình có tính đẵng hướng và không có nhiệt độ nóng chảy xác định.
Khi tăng nhiệt độ, chúng mềm dần và chuyển sang thể lỏng.


5. Điểm chuyển dịch lỏng – rắn (glass transition – điểm hóa
kính, ký hiệu Tg): nhiệt độ xảy ra hiện tượng chuyển dịch từ thể lỏng
hay trạng thái dẻo giống cao su thành thể rắn vô định hình.
6. Hiện tượng đa hình (polymorphism): hiện tượng tồn tại
nhiều dạng cấu trúc tinh thể khác nhau hoặc các dạng cấu trúc rắn
khác nhau của cùng một thành phần hóa học.
Phân biệt dung dịch (solution) và hệ tiểu phân (particulate
system)
Dung dịch là hệ đồng thể chứa các thành phần phân bố trong
môi trường phân tán lỏng ở mức độ phân tử, ion hoặc nguyên tử
(molecule, ion or atom). Dung dịch chỉ có duy nhất 1 pha và không
tồn tại bề mặt phân chia pha.

Hệ tiểu phân là hệ dị thể gồm pha phân tán phân bố trong môi
trường phân tán ở mức độ tiểu phân (particles) và ổn định. Hệ tiểu
phân tồn tại ít nhất 2 pha và có bề mặt phân chia pha.
Ví dụ hệ tiểu phân: hệ keo, mixen, liposome, tiểu phân nano,
tiểu phân micro, hỗn dịch, nhũ tương...
“HỆ TIỂU PHÂN = PHA PHÂN TÁN + MÔI TRƯỜNG PHÂN
TÁN + CHẤT ỔN ĐỊNH”
BÀI TẬP
Phân biệt hệ đồng thể, hệ dị thể và hệ đồng nhất ?
Phân biệt hệ đơn phân tán và hệ đa phân tán ?
Phân biệt tiểu phân và hệ tiểu phân ?
Phân biệt nhũ tương và hỗn dịch ?
Phân biệt khái niệm hòa tan (solubilization), phân tán
(dispersion or top-down) và kết tập (agglomeration or bottom-up)
Hòa tan là quá trình phân bố các thành phần vào trong môi
trường phân tán ở mức độ phân tử, ion hoặc nguyên tử. Kết quả của
hòa tan tạo ra dung dịch.
Phân tán là quá trình chia nhỏ các tiểu phân kích thước lớn
thành tiểu phân kích thước nhỏ hơn trong môi trường phân tán. Kết
quả của quá trình phân tán tạo hệ tiểu phân.


Kết tập là quá trình liên kết các phần tử kích thước nhỏ (ion,
nguyên tử, phân tử hoặc tiểu phân nhỏ) thành các tiểu phân kích thước
lớn hơn trong môi trường phân tán nhờ các liên kết hóa lý. Kết quả
của quá trình kết tập tạo hệ tiểu phân.
Bài tập: Kể tên các liên kết hóa lý ?
Phân biệt hai hệ tiểu phân: hỗn dịch (suspension) và nhũ tương
(emulsion)
“HỆ TIỂU PHÂN = PHA PHÂN TÁN + MÔI TRƯỜNG PHÂN

TÁN + CHẤT ỔN ĐỊNH”
Hỗn dịch (suspension): hệ phân tán dị thể gồm các tiểu phân rắn
phân bố trong môi trường lỏng thường được ổn định bởi các chất gây
thấm.
HỖN DỊCH = TIỂU PHÂN RẮN (pha phân tán) + DẪN CHẤT
(môi trường phân tán) + CHẤT GÂY THẤM (chất ổn định).
Nhũ tương (emulsion): hệ phân tán dị thể gồm các tiểu phân
lỏng phân bố trong môi trường lỏng được ổn định bởi chất nhũ hóa.
NHŨ TƯƠNG = TIỂU PHÂN LỎNG (pha nội, pha phân tán)
+ PHA NGOẠI (pha liên tục, môi trường phân tán) + CHẤT NHŨ
HÓA (chất ổn định).
Phân biệt dung dịch (solution) và hệ tiểu phân (particulate
system)
Dung dịch là hệ đồng thể chứa các thành phần phân bố trong môi
trường phân tán lỏng ở mức độ phân tử, ion hoặc nguyên tử
(molecule, ion or atom). Dung dịch chỉ có duy nhất 1 pha và không
tồn tại bề mặt phân chia pha.
Hệ tiểu phân là hệ dị thể gồm pha phân tán phân bố trong môi trường
phân tán ở mức độ tiểu phân (particles) và ổn định. Hệ tiểu phân tồn
tại ít nhất 2 pha và có bề mặt phân chia pha.
Ví dụ hệ tiểu phân: hệ keo, mixen, liposome, tiểu phân nano, tiểu
phân micro, hỗn dịch, nhũ tương...
HỆ TIỂU PHÂN = PHA PHÂN TÁN + MÔI TRƯỜNG PHÂN TÁN
+ CHẤT ỔN ĐỊNH


BÀI TẬP
Phân biệt hệ đồng thể, hệ dị thể và hệ đồng nhất ?
Phân biệt hệ đơn phân tán và hệ đa phân tán ?
Phân biệt tiểu phân và hệ tiểu phân ?

Phân biệt nhũ tương và hỗn dịch ?
Phân biệt khái niệm hòa tan (solubilization), phân tán (dispersion
or top-down) và kết tập (agglomeration or bottom-up)
Hòa tan là quá trình phân bố các thành phần vào trong môi trường
phân tán ở mức độ phân tử, ion hoặc nguyên tử. Kết quả của hòa tan
tạo ra dung dịch.
Phân tán là quá trình chia nhỏ các tiểu phân kích thước lớn thành tiểu
phân kích thước nhỏ hơn trong môi trường phân tán. Kết quả của quá
trình phân tán tạo hệ tiểu phân.
Kết tập là quá trình liên kết các phần tử kích thước nhỏ (ion, nguyên
tử, phân tử hoặc tiểu phân nhỏ) thành các tiểu phân kích thước lớn
hơn trong môi trường phân tán nhờ các liên kết hóa lý. Kết quả của
quá trình kết tập tạo hệ tiểu phân.
Bài tập: Kể tên các liên kết hóa lý ?
Phân biệt hai hệ tiểu phân: hỗn dịch (suspension) và nhũ tương
(emulsion)
HỆ TIỂU PHÂN = PHA PHÂN TÁN + MÔI TRƯỜNG PHÂN TÁN
+ CHẤT ỔN ĐỊNH
Hỗn dịch (suspension): hệ phân tán dị thể gồm các tiểu phân rắn phân
bố trong môi trường lỏng thường được ổn định bởi các chất gây thấm.
HỖN DỊCH = TIỂU PHÂN RẮN (pha phân tán) + DẪN CHẤT (môi
trường phân tán) + CHẤT GÂY THẤM (chất ổn định).
Nhũ tương (emulsion): hệ phân tán dị thể gồm các tiểu phân lỏng
phân bố trong môi trường lỏng được ổn định bởi chất nhũ hóa.
NHŨ TƯƠNG = TIỂU PHÂN LỎNG (pha nội, pha phân tán) + PHA
NGOẠI (pha liên tục, môi trường phân tán) + CHẤT NHŨ HÓA
(chất ổn định).


Phân biệt bão hòa (saturation) và hỗn hòa (miscibility)

1. Bão hòa (saturation) là trạng thái cân bằng được thiết lập giữa hòa
tan và kết tinh của chất tan trong môi trường phân tán ở điều kiện xác
định. Khi đó, chất tan được hòa tan tối đa vào dung môi. Chính vì vậy,
nồng độ bão hòa chính là độ tan (solubility) của chất tan trong dung
môi ở điều kiện xác định.
Hệ bão hòa vẫn còn tồn tại ở trạng thái dung dịch (hệ đồng thể). Khi
nồng độ chất tan vượt quá ngưỡng bão hòa sẽ xuất hiện tiểu phân, hệ
chuyển sang dị thể (hệ tiểu phân).
VD. Lưu huỳnh bão hòa trong ethanol, Canci sulfat bão hòa trong
nước đều là dung dịch (hệ đồng thể).
2. Hỗn hòa (miscibility) là tính chất của các thành phần hòa tan vào
nhau ở bất kỳ tỷ lệ nào tạo dung dịch đồng nhất (hệ đồng nhất).
VD. Ethanol và nước hòa tan vào nhau ở bất kỳ tỷ lệ nào gọi là hỗn
hòa.
3. Bài tập: Phân biệt hệ đồng thể, hệ dị thể và hệ đồng nhất ?
Phân biệt chất lưỡng tính (amphiphile) và chất lưỡng điện tích
(zwitterion)
Chất lưỡng tính (amphiphile) là thành phần hóa học vừa có nhóm thân
nước (hydrophilic group) vừa có nhóm thân dầu (lipophilic group)
trong công thức cấu tạo phân tử.
VD. Chất hoạt động bề mặt (surfactant)
Chất lưỡng điện tích (zwitterion) là thành phần hóa học tồn tại cả điện
tích âm (negative electrical charge) lẫn điện tích dương (positive
electrical charge) trong công thức cấu tạo phân tử.
VD. Acid amin, phosphatidylcholine
Bài tập:
- Phân biệt zwitterion và amphoteric compound ?
- Phân biệt chất diện hoạt (chất hoạt động bề mặt, surfactant) và chất
đồng diện hoạt (co-surfactant) ?
- Phân biệt dung môi (solvent) và đồng dung môi (co-solvent) ?

- Phân biệt giữa chất đồng diện hoạt (co-surfactant) và đồng dung môi
(co-solvent) trong hệ tiểu phân ?


Chất xúc tác (catalyst): Chất xúc tác đồng thể (homogeneous
catalyst) và chất xúc tác dị thể (heterogeneous catalyst)
Chất xúc tác (catalyst): chất làm thay đổi tốc độ phản ứng hóa học và
được bảo toàn khối lượng sau khi phản ứng kết thúc. Với sự hiện diện
của chất xúc tác, phản ứng hóa học xẩy ra nhanh hơn và cần năng
lượng hoạt hóa (activation energy) ít hơn.
Chất xúc tác đồng thể (homogeneous catalyst): chất xúc tác ở cùng
pha với chất phản ứng, phản ứng xẩy ra trong hệ đồng thể.
VD. HCl xúc tác trong phản ứng thủy phân ethyl acetat.
Chất xúc tác dị thể (heterogeneous catalyst): chất xúc tác ở khác pha
với chất phản ứng, phản ứng xẩy ra trên bề mặt phân chia pha trong
hệ dị thể.
VD. Pt hoặc Au xúc tác trong phản ứng phân hủy HI.
Bài tập:
Trình bày thuyết xúc tác đồng thể và thuyết xúc tác dị thể ?
Phân biệt hấp phụ (adsorption) và hấp thụ (absorption)
Hấp phụ (adsorption): quá trình gia tăng nồng độ của chất trên bề mặt
pha.
VD. Acid acetic hấp phụ trên than hoạt.
Hấp thụ (absorption): quá trình gia tăng nồng độ của chất vào bên
trong pha.
VD. Nước hấp thụ oxy từ không khí.
Bài tập:
Phân biệt hấp phụ vật lý và hấp phụ hóa học ?
Phân biệt hấp thụ vật lý và hấp thụ hóa học ?