Глава X

 

РАСТВОРЫ ВЫСОКОМОЛЕКУЛЯРНЫХ СОЕДИНЕНИЙ

 

§ 33. Общие сведения о высокомолекулярных соединениях

 

Высокомолекулярными соединениями (ВМС) называ­ются вещества, молекулы которых состоят из сотен, ты­сяч и десятков тысяч атомов, с молекулярной массой от нескольких тысяч до нескольких миллионов.

По происхождению высокомолекулярные вещества подразделяются на природные и синтетические. К чис­лу важнейших природных высокомолекулярных веществ растительного и животного происхождения относятся бел­ки (например, желатин, альбумин), полисахариды (крахмал, агар-агар, целлюлоза, пектиновые вещества натуральный каучук и др.)

Белки представляют собой наиболее сложные высо­комолекулярные соединения, молекулы которых постро­ены из α-аминокислот.

Аминокислоты, входящие в состав белков, соединя­ются за счет аминогрупп —NH₂ и карбоксильных групп —СООН в полипептидные цепи с образованием груп­пировки  — N— С—, называемой пептидной связью.

              │     ║

              Н     О

 

Образование полипептидной цепи можно предста­вить схемой

 

 

 

Полипептидные цепи белков строятся из десятков и сотен звеньев — остатков различных аминокислот. Обра­зуя цепь, они могут соединиться друг с другом в различ­ной последовательности, что приводит к огромному мно­гообразию белков.

В природном белке полипептидная цепь уложена в определенном порядке, причем в их укладке нет ничего случайного или хаотического, каждому белку присущ оп­ределенный, всегда постоянный характер укладки. В сложной структуре белка различают несколько уров­ней организации. Наиболее простой является первичная структура белка, полипептидная цепь, атомы в которой связаны прочными ковалентными связями.

На следующем, более высоком уровне организации (вторичная структура) полипептидные цепочки, распола­гаясь параллельно, скручены в спирали (рис. 47). При этом между атомами и аминокислотными радикалами, находящимися на соседних витках, возникают химиче­ские связи. В частности, между пептидными связями со­седних витков возникают водородные связи, которые хотя и слабее ковалентных, но дают довольно прочную структуру.

Вторичная структура белка подвергается дальнейшей укладке. В некоторых белках несколько спиралей-жгутов могут быть соединены в более сложный пучок. В других белках спирали-жгуты могут быть свернуты в сложный клубок, форма которого строго специфична для каждого

вида белка.

Эти более сложные комплексы представля­ют собой третичную структуру белка, которая поддер­живается слабыми молекулярными связями, возника­ющими между неполярными радикалами и неполярны­ми молекулами белка.

Очень важным для кулинарии полимером природно­го происхождения является крахмал. Наряду с глико­геном (животный крахмал) и целлюлозой (клетчатка) он относится к высшим полисахаридам, общая формула которых (С₆H₁₀O₅)_n.

Крахмал — широко распространенный в природе поли­сахарид, макромолекула которого состоит из звеньев остатков глюкозы. Молекулы крахмала не одинаковы по числу образующих их глюкозных остатков, кроме того, их цепи могут быть разветвленными. Обрабатывая крахмал, например, теплой водой, его можно разделить на две части: растворимую в теплой воде — амилозу (10—20%) и не растворимую, а только набухающую в воде — амилопектин (80—90%) (рис. 48).

Высокомолекулярные соединения существуют в четы­рех различных физических состояниях, из них три аморф­ных — стеклообразное, вязкотекучее, высокоэластиче­ское, а четвертое — кристаллическое состояние) Кристал­лическое, жидкое и стеклообразное состояния свойственны и низкомолекулярным веществам. Однако высоко­эластическое состояние характерно только для полиме­ров. С каждым из этих состояний связан определенный комплекс физических свойств.

При низкой температуре скорость перемещения мак­ромолекул становится ничтожной, молекулярные цепи не меняют своего взаимного расположения. В этом со­стоянии высокополимеры сходны со стеклом, имеющим аморфную структуру, и обладают обычной упругостью. Это состояние полимеров называется стеклообразным. Полимеры в стеклообразном состоянии широко применя­ются в производстве пластмасс, волокон, лаков, кино­пленок и т. д.

Высокоэластическое (каучукоподобное) состояние осуществляется в области температур, при которых энер­гия теплового движения и энергия взаимодействия мак­ромолекул близки между собой. Это состояние обнару­живается только у высокомолекулярных веществ и обус­ловлено оно гибкостью длинных цепных молекул. При этом изменяется взаимное расположение отдельных звеньев молекулярных цепей, а не макромолекулы в це­лом. Следовательно, под влиянием внешней среды про­исходит сжатие и распрямление макромолекул, но не сдвиг их по отношению друг к другу (каучук).

В случае жестких цепных молекул, а также густых пространственных сеток гибкость ослаблена или отсут­ствует, тело не обладает высокоэластичностью (эбонит).

Высокоэластическое состояние является неравновес­ным состоянием. При понижении температуры высокоэластичность исчезает, а упругость приобретает характер упругости обычных твердых тел. Высокоэластическое состояние характерно для резины, являющейся почти идеальным представителем высокоэластических тел.

При высокой температуре, когда энергия теплового движения велика по сравнению с энергией взаимодейст­вия молекул, возможно сравнительно легкое перемеще­ние молекул относительно друг друга. В этих условиях высокомолекулярное вещество под действием внешних сил способно течь, поэтому такое состояние называется

 

вязкотекучим. Переход в вязкотекучее состояние дости­гается либо повышением температуры, либо переводом полимера в раствор. Эта способность полимеров исполь­зуется при их переработке, например при вальцевании каучука, формировании синтетических и искусственных волокон.

Следовательно, свойства высокомолекулярных соеди­нений в основном зависят от температуры, которая ока­зывает влияние на переход полимера из одного состоя­ния в другое (рис. 49). Температура, при которой ох­лаждаемый полимер переходит из высокоэластического состояния в стеклообразное, называется температурой стеклования (Г_ст). Переход из высокоэластического со­стояния в вязкотекучее характеризуется температурой текучести (Г_тек). Эти переходы осуществляются в неко­тором температурном интервале.

В области I полимер находится в стеклообразном состоянии, в области II — в высокоэластическом состоянии, выше температуры текучести полимер находится в вязкотекучем состоянии (область III). У некоторых аморф­ных полимеров интервал Г_тек—Т_ст может достигать 150° С.

На температуры текучести и стеклования влияет мо­лекулярная масса полимера, строение его цепей и харак­тер взаимодействия между цепями. Например, в каучуке цепи подвижны и взаимодействие между ними очень слабое, поэтому он имеет низкую температуру стеклова­ния и при обычных условиях находится в высокоэласти­ческом состоянии. В полиамидах (найлон, капрон, энант) подвижность цепей ограничена за счет водород­ных связей. Поэтому они имеют более высокие темпера­туры стеклования и при обычных условиях находятся в стеклообразном состоянии.

У сетчатых полимеров молекулы представляют собой жестко связанные каркасы, которые не способны пере­мещаться относительно друг друга. Поэтому сетчатые полимеры не могут переходить из одного состояния в другое и находятся, как правило, в жесткоупругом со­стоянии, при значительном повышении температуры они разлагаются. Сетчатые полимеры термореактивны, при получении они затвердевают необратимо.

Полимеры, как правило, аморфны, поэтому их часто называют смолами, так как они похожи на смолы рас­тительного происхождения. Однако у полимеров, цепи которых обладают большой симметричностью, например у полиэтилена, могут возникать значительные кристалли­ческие участки, распределенные в аморфной массе этого же вещества, которая составляет 40—60% массы поли­мера (рис. 50). Кристалличность придает полимерам по­вышенную жесткость. Наличие же у кристаллических по­лимеров областей с аморфной структурой придает им эластичность. У некоторых полимеров кристаллизация наступает при понижении температуры. Например, на­туральный каучук при обычной температуре не содер­жит кристаллической фазы, но при температуре ниже +10° С происходит кристаллизация. Процесс протекает очень медленно (несколько месяцев) и сопровождается понижением эластичности каучука.

Полимеры являются диэлектриками. Они обладают малой теплопроводностью, малой плотностью и высокой механической прочностью.

Под действием кислорода воздуха, света, нагревания и других факторов полимеры в обычных условиях хра­нения и эксплуатации претерпевают химические превра­щения, которые приводят к изменению свойств. Этот процесс называется старением полимеров. Для его пред­отвращения или замедления в состав полимеров вводят специальные вещества — стабилизаторы, или антистари­тели.

Сочетание многих положительных свойств делает синтетические полимеры незаменимыми материалами в современной технике. Они применяются в производстве пластмасс, различных видов каучука, синтетических во­локон, ионообменных смол, пленок, клеев, поверхност­ных покрытий. Нет области народного хозяйства, в ко­торой не использовались бы полимерные материалы.

Многие полимерные материалы применяют в общест­венном питании. Так, например, аминопласт использует­ся для производства посуды, применяемой в вагонах-ресторанах и самолетах, капроновая ткань применяется для фильтрования соков и сиропов, полиэтилен — для подносов и т. д.