В русском языке встречается три термина, схожих между собой – гели, студни и желе. По структуре большой разницы между ними нет, а вот применяются эти понятия в разных сферах деятельности. Термин «гель» чаще используется в химии или применительно к лекарственным и косметическим средствам, «студень» - в кулинарии, реже в химии, «желе» - в кулинарии и косметологии. Давайте выясним, что такое гели и как они могут использоваться.
Понятие «гель»
Слово «гель» латинского происхождения. Gelo в переводе означает «застываю», gelatus – означает «неподвижный, замороженный».
Определение понятию дает коллоидная химия – наука, изучающая дисперсные системы и поверхностные явления.
Что такое гель с точки зрения химии? Гель – это такая дисперсная система с дисперсионной средой, в которой частицы фазы формируют пространственную структурную сетку. В состав геля входят как минимум два компонента.
Гель – коллоидная система
Дисперсными называют такие системы, в которых частицы одного вещества равномерно распределены среди частиц другого вещества. В таких системах различают:
- дисперсионную среду – вещество, в котором происходит распределение,
- дисперсную фазу – вещество, частицы которого распределены.
Дисперсной системой, например, является туман. Здесь дисперсионная среда – газообразная, в ее роли выступает воздух, а дисперсная фаза – жидкая, ею являются частички воды, распределенные в воздухе. Примеров дисперсных систем много. Все эти системы отличаются по агрегатному состоянию фазы и среды, а также по степени измельченности частичек фазы. Наибольшая степень измельчения фазы - до отдельных молекул – в истинных растворах. Здесь нет поверхности раздела между частицами – молекулами фазы и среды. Такие системы называют гомогенными, они устойчивы. Примеры истинных растворов: раствор серной кислоты, воздух, морская вода, чугун.
В грубодисперсных системах размер частиц - более 100 нм, это крупные частички, которые можно увидеть невооруженным глазом. Между частицами фазы и среды можно выделить поверхность раздела, поэтому такие системы называют гетерогенными, они неустойчивы и со временем расслаиваются. Примеры грубодисперсных систем: измельченный мел в воде, побелка, строительные растворы, зубная паста, растительное масло в воде, молоко.
Частички фазы размером от 1 до 100 нм образуют коллоидные растворы. Эти системы характеризуются особыми свойствами, не характерными для истинных растворов и грубодисперсных систем. Коллоидные растворы – микрогетерогенные довольно устойчивые системы, их частицы не оседают со временем под действием силы тяжести. Примеры: водные коллоиды сульфидов металлов, серы.
Гели определяют по степени дисперсности фазы к коллоидным системам.
Агрегатное состояние фазы и среды в гелях
В зависимости от агрегатного состояния дисперсионной среды и дисперсной фазы различают 8 типов дисперсных систем. Если среда – газ, то фаза может быть жидкостью (мы уже рассматривали туман) или твердым веществом. Например, дым или смог – в газообразной среде распределены частички твердой фазы. Оба варианта систем называют аэрозолем.
Если средой является жидкость, а в ней распределены твердые частички фазы, то такая система называется золем или суспензией, в зависимости от размера частиц. Из золей при определенных условиях получаются гели.
По определению химии гели – дисперсные системы, в которых дисперсионная среда – твердое вещество, дисперсная фаза – жидкость. То есть гель – название типа дисперсионной системы наряду с эмульсией, аэрозолем, суспензией и др.
Гели – растворы, потерявшие текучесть
Некоторые растворы высокомолекулярных веществ и золей при длительном хранении могут превращаться в гели. Частицы ВМС или золя связываются между собой, образуя сплошную сетку. Внутрь такой сетки проникают частицы растворителя. Таким образом, дисперсионная среда и дисперсная фаза меняются своими ролями. Фаза становится непрерывной, а частицы среды – изолированными. Так, система теряет текучесть и приобретает новые механические свойства. Что такое гель? Это коллоидные системы, потерявшие текучесть вследствие формирования в них внутренних структур.
Некоторые гели со временем расслаиваются, при этом происходит самопроизвольное выделение жидкости. Это явление называют синерезисом. Наблюдается уплотнение пространственной сетки, уменьшение объема геля, образование так называемого твердого коллоида.
Образование твердого коллоида из геля – обычное природное явление. Например, суть свертывания крови заключается в превращении фибриногена, растворимого белка, в фибрин - нерастворимый белок. В обычных условиях свертывание крови – жизненно необходимый процесс. Синерезис важен при приготовлении творога, сыра. В этих случаях явление синерезиса – полезное. Однако часто это явление нужно предотвращать, так как оно определяет сроки хранения и годности различных гелей – медицинских, косметических, пищевых. К примеру, мармелад и суфле при длительном хранении начинают выделять жидкость и становятся непригодными к употреблению.
Процессы превращения золя в гель и геля в твердый коллоид обратимы. Например, белок желатин, представляющий собой твердый коллоид, при набухании в воде превращается в желе – гель. Важно соблюдать температурный режим, доводить желатин до кипения, но не кипятить, иначе структура разрушается, и гель превращается в золь, приобретая текучесть.
При высыхании гели необратимо разрушаются.
Классификация гелей
В зависимости от химического характера дисперсионной среды различают гели: гидрогели, алкогели, бензогели и др. Гели, бедные жидкостью или совершенно безводные, называют ксерогелями. Ксерогелем является столярный клей в плитках, крахмал, сухой листовой желатин. Сложными по составу ксерогелями являются печенье, мука, сухари.
Некоторые гели содержат мало сухого вещества, но все равно обладают пространственной структурой. Это кисель, студень, простокваша, растворы мыл. Их называют лиогелями.
Выделяют группу коагелей. Это студенистые осадки, которые получаются при коагуляции золей (кремниевой кислоты, гидроксида железа (III) и пр.) и высаливании растворов полимеров. В коагелях дисперсионная среда образует отдельную фазу, только небольшая часть среды связана.
Использование и значение гелей в медицинской практике
В медицине гели используют:
- при проведении ультразвуковых и электрографических исследований;
- для создания искусственных суставов, связок;
- для остановки кровотечения закупоркой (эмболией) сосудов;
- для восстановления роговицы;
- антибактериальные, противовирусные гели;
- разогревающие гели для обезболивания различных частей опорно-двигательного аппарата;
- охлаждающие гели при травмах.
Разогревающие гели
Разогревающие гели повышают проницаемость капилляров за счет компонентов, входящих в их состав – это пчелиный и змеиный яд, экстракт перца; менее выраженным действием обладает метилсалицилат. Эти компоненты вызывают увеличение кровенаполнения сосудов – гиперемию, таким образом повышая местный теплообмен. Разогревающие гели применяют местно при различных поражениях опорно-двигательного аппарата – суставов, мышц, связок, сухожилий. Их используют для снятия отечности, снижения болезненности, активизации циркуляции крови в области поражения. Разогревающие гели используют спортсмены перед тренировками для подготовки мышц. Мышечная ткань под действием компонентов геля разогревается и поэтому меньше повреждается во время занятия, что предотвращает растяжения и травмы. Использование таких гелей после тренировки помогает снимать напряжение мышц и усталость.
Популярные разогревающие гели изготавливают на основе:
- капсаицина перца или его синтетического аналога – "Финалгон", "Капсикам";
- яда пчел и змей – "Випросал";
- диклофенака, ибупрофена, индометацина - нестероидных противовоспалительных веществ – "Диклофенак", "Ортофен", "Индометацин".
При использовании разогревающих средств необходимо ознакомиться с инструкцией по применению гелей, учесть противопоказания и соблюдать частоту применения.
Охлаждающие гели
Разогревающие гели нельзя применять сразу после травм. В это время необходимо использовать наоборот охлаждающие средства. Лучше всего ненадолго приложить лед и использовать холодный компресс. Спортсмены применяют специальные охлаждающие спреи. Затем можно нанести охлаждающий гель, например с ментолом. Охлаждение предотвращает развитие отека и воспаления, обезболивает. Холод нужно применять в первые сутки после травмы. Через 2-3 дня начинают использовать разогревающие средства, усиливающие местный кровоток, что способствует рассасыванию гематом.
Определение прочности геля
Производителям медицинских, фармацевтичеких, косметических гелей необходимо знать их твердость. Эластичность и сила разрыва гелей важна для изготовления коронарных стентов, материал которых должен быть сходен по механическим свойствам с живой тканью; контактных линз, свечей, гелеобразных смазочных веществ, питательных средств для культивирования микроорганизмов. Прочность гелей важна при изготовлении зубных паст, кремов, пастилок.
Для определения прочности геля по Блуму используют прибор Блума. На нем определяют нагрузку, необходимую для продавливания поверхности геля цилиндрической насадкой определенным диаметром (12,7 мм) на глубину 4 мм.
Что такое гель? Это дисперсные системы, которые характеризуются определенной структурой, придающей им свойства твердых тел. Гели состоят как минимум из двух компонентов, один из них непрерывно распределен в другом. Их можно получить коагуляцией золей. Для гелей характерно явление набухания. Надеемся, что если на экзамене вас попросят: «Охарактеризуйте понятие "гели"!», вы с легкостью сможете это сделать!
