2.5.7. Высокомолекулярные соединения (вмс) и их растворы
Растворы высокомолекулярных соединений (ВМС) – гомогенные термодинамически устойчивые обратимые системы, которые образуются самопроизвольно и по своей природе являются истинными молекулярными растворами. Однако при всех различиях их объединяет с коллоидными системами такой важный признак, как размер частиц. Молекулы ВМС – макромолекулы; как и коллоидные частицы, состоят из многих тысяч атомов.
К высокомолекулярным веществам относят соединения с молекулярной массой порядка 104 – 106 и выше. Они могут быть природного происхождения (белки, высшие полисахариды, пектины, натуральный каучук) или получаются синтетически в процессах полимеризации и поликонденсации (полимеры). Практически важные свойства ВМС тесно связаны с их строением. Различают три основных типа структуры цепей: линейная, разветвленная, пространственная.
Линейные полимеры (натуральный каучук) построены из длинных цепей одномерных элементов (рис. 46, а).
Разветвленные полимеры имеют цепи с боковыми ответвлениями (рис. 46, б). Так построены молекулы крахмала.
Пространственные полимеры представляют собой трехмерную сетку (рис. 46, в), которая образуется при соединении отрезков цепей химическими связями (например, фенолформальдегидные смолы). Из пространственных полимеров в особую группу выделяют полимеры со сшитой структурой, цепи которых сшиты короткими мостиковыми химическими связями через атомы кислорода или серы (рис. 46, г). Такую структуру имеет, например, резина.
Рис. 46. Схемы строения макромолекул полимеров:
а – линейного; б – разветвленного;
в – пространственного; г – сшитого.
Специфические свойства полимеров обусловлены главным образом двумя особенностями:
1) существованием двух типов связей – химических и межмолекулярных, удерживающих макромолекулярные цепи друг около друга;
2) гибкостью цепей, связанной с внутренним вращением звеньев.
2.5.8. Полимерные полиэлектролиты
Полиэлектролиты – высокомолекулярные соединения, имеющие ионогенные группы
Полимеры этого типа отличаются от полимеров - неэлектролитов так же, как низкомолекулярные электролиты от неэлектролитов. Они растворимы в полимерных растворителях, электропроводны, и на их свойствах сильно отражается кулоновское взаимодействие зарядов.
По характеру образуемых ионов полиэлектролиты делят на три группы:
Полиэлектролиты кислотного типа, содержащие группы – COO– (гуммиарабик, альгинаты, растворимый крахмал) или –OSO3– (агар – агар).
Полиэлектролиты основного типа, имеющие, например, группу –NH3. Такие полимеры получают синтетическим путем.
Полиамфолиты – высокомолекулярные соединения, содержащие и кислотную, и основную группы (белки с группами – COO– и –NH3+ и синтетические полимеры).
Белки в их естественном состоянии называют нативными, а их коллоидные свойства зависят от структуры макромолекул; различают глобулярную и фибриллярную структуру белков.
Макромолекулы фибриллярных белков представляют собой полипептидные цепи, вытянутые вдоль одной оси. Фибриллярные белки обычно нерастворимы в воде. В организме фибриллярные белки часто выполняют механические функции. Так, например, к фибриллярным белкам относятся коллаген и желатин – составные части кожи и сухожилий, а также миозин, входящий в состав мышц.
Белки, которые способны к образованию глобул, называют глобулярными. Глобулярные белки характеризуются специфической формой свертывания полипептидной цепи в пространстве. Коллоидно-химические свойства у глобулярных белков проявляются в большей степени, чем у фибриллярных. Большая часть полярных гидрофильных центров макромолекул белков находится снаружи глобул, что и определяет их гидрофильность, хорошую растворимость в воде и высокую реакционную способность.
Глобулярные белки содержаться в крови, лимфе, протоплазме клеток. К белкам этой группы относятся альбумины и глобулины яичного белка, молока, сыворотки крови, пепсин желудочного сока.
В зависимости от рН раствора макроионы белков имеют положительный заряд (в кислой среде за счет групп –NH3+) или отрицательный заряд (за счет групп – COO– в щелочной среде). Между этими состояниями белка существует состояние, при котором число ионизированных основных групп равно числу ионизированных кислотных групп. Это равнозарядное состояние называют изоэлектрическим, а значение рН, отвечающее этому состоянию, – изоэлектрической точкой (ИЭТ).
Для ИЭТ характерно свертывание макромолекул белка в клубки; в заряженном состоянии цепи белков имеют вытянутую форму.
ИЭТ может быть измерена однозначно с помощью электрофореза, поскольку в этой точке подвижность становится равной нулю. Для определения ИЭТ могут быть использованы данные по набуханию полиамфолитов в растворах с различными значениями рН.