Добавил:
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:

921

.pdf
Скачиваний:
2
Добавлен:
07.01.2021
Размер:
754.78 Кб
Скачать

13.6. Гели и их свойства

Трехмерная ячеистая структура, стенки которой образованы коллоидными частицами, а пространство внутри каркаса заполнено дисперсионной средой, называется гелем. Свойства таких структур во многом определяются характером межмолекулярных сил и свойствами прослойки дисперсионной среды. Для этих сил характерны: низкая прочность, тиксотропия, синерезис, способность к набуханию, ползучесть.

Тиксотропия – способность коагуляционных структур после их механического разрушения самопроизвольно восстанавливать свою структуру.

Синерезис – явление самопроизвольного уменьшения размеров геля засчетвыделениядисперсионнойсреды,содержащейсявструктурегеля.

14. ПОВЕРХНОСТНЫЕ ЯВЛЕНИЯ. АДСОРБЦИЯ

14.1. Виды адсорбции

Адсорбцией называется самопроизвольное изменение концентрации компонента в поверхностном слое по сравнению с его концентрацией в объеме фазы. Фазу, определяющую форму поверхности, называют адсорбентом. Вещество, молекулы которого удерживаются на поверхности адсорбента, называют адсорбатом. Процесс, обратный адсорбции, называют десорбцией. Различают физическую и химическую адсорбцию. Их особенности отражены в табл. 42.

Зависимость количества адсорбированного вещества от равновесной концентрации или давления адсорбата при постоянной температуре называется изотермой адсорбции.

 

 

Таблица 42

Особенности физической адсорбции и хемосорбции

 

 

 

Свойство

Физическая адсорбция

Хемосорбция

Силы, обусловливающие

Межмолекулярные,

Химические связи

взаимодействие

Ван-дер-ваальсовые

 

Универсальность

Универсальна

Специфична

Обратимость

Обратимая

Необратимая

Тепловой эффект адсорбции

8 – 40 кДж/моль

800 – 1000 кДж/моль

Влияние повышения

Равновесие смещается

Скорость хемосорбции

температуры

в сторону десорбции

возрастает

14.2. Поверхностно-активные вещества

Вещества, понижающие поверхностное натяжение, называются

поверхностно-активными веществами (ПАВ). По отношению к водным растворам поверхностно-активными являются спирты, жирные кислоты

иих соли, амины и другие вещества, имеющие в своем составе полярную

инеполярную группы. Говорят, что молекула ПАВ имеет дифильное строение. Молекулу ПАВ изображают так: ───O, где круг обозначает полярную часть, а прямая линия – неполярный углеводородный радикал. Полярныегруппы– этогруппы–СООН, –СН2ОН,–NH2 и другие.

На границе раздела полярной и неполярной фаз молекулы ПАВ располагаются таким образом, что неполярный углеводородный радикал ориентируется в сторону неполярной фазы, а полярные функциональные группы находятся в полярной фазе.

ПАВ, способные в растворе распадаться на ионы, называют

ионогенными. Ионогенные ПАВ делятся на катионоактивные, анионоактивные и амфолиты, или амфотерные ПАВ. Если в растворе ПАВ не диссоциируют на ионы, они называются

неионогенными.

Поверхностной активностью, то есть способностью понижать поверхностное натяжение, обладают, как правило, молекулы, имеющие не менее 10 атомов углерода в составе радикала. Экспериментально определено, что поверхностная активность предельных жирных кислот в водных растворах возрастает в 3 – 3,5 раза при удлинении углеводородной цепи на одно звено –СН2 (правило Дюкло – Траубе). В табл. 43 приведена классификация поверхностно-активных веществ в зависимости от их строения.

 

 

 

 

Таблица 43

Классификация поверхностно-активных веществ по их строению

 

 

 

 

 

 

 

В какой

 

 

 

 

Виды ПАВ

среде

Как диссоциируют

 

Примеры

 

 

активны

 

 

 

 

 

 

 

Продукты

оксиэтилирования

 

 

 

длинноцепочечных

жирных

Неионогенные

Любая

Не диссоциируют

кислот,

спиртов, аминов,

алкилфенолов,

сложные

 

 

 

 

 

 

эфиры многоатомных спиртов

 

 

 

и жирных кислот,

амиды

 

 

 

 

жирных

 

кислот,

 

 

 

 

лигносульфоновые

кислоты,

 

 

 

 

производные целлюлозы

 

 

 

RCOONa = RCOO+ Na+

Карбоновые

кислоты, их

 

Анионоак

Щелочная

соли,

 

алкилсульфаты,

 

тивные

 

 

алкилсульфонаты,

 

 

 

 

 

алкиларилсульфонаты

Ионогенные

 

 

 

Амины,

четвертичные

 

 

RNH2Cl = RNH2+ + Cl

аммониевые

 

основания,

Катионоак

Кислая

азотосодержащие

основания,

тивные

 

четвертичные фосфониевые и

 

 

 

 

 

третичные

сульфониевые

 

 

 

основания

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Амфолиты

Любая

RNH(CH2)nCOO

Белки, содержащие –СОО и

 

RNH(CH2)nCOOH ↔

+

 

 

 

 

 

 

RN+H2(CH2)nCOOH

−NН3

группы

 

 

 

 

 

 

 

 

 

15.ВЫСОКОМОЛЕКУЛЯРНЫЕ СОЕДИНЕНИЯ

15.1.Классификация высокомолекулярных соединений

Высокомолекулярными соединениями (ВМС) называются вещества, имеющие молекулярную массу от 10 000 до нескольких миллионов атомных единиц массы.

По происхождению ВМС делятся на натуральные (природные) и синтетические. Натуральные ВМС – белки (казеин, желатин, яичный альбумин), шерсть, шелк, полисахариды (целлюлоза, крахмал).

Полисахариды – это полимерные углеводы (С6Н10О5)n, образующиеся в растениях при фотосинтезе.

Синтетические ВМС получают в результате химического синтеза. В качестве исходных веществ для получения полимеров используют низкомолекулярные ненасыщенные или полифункциональные соединения – мономеры. Повторяющиеся остатки мономеров называются звеньями. Количество звеньев в макромолекуле называется степенью полимеризации или

поликонденсации.

Если цепь полимера состоит только из углеродных атомов, такой полимер называется гомоцепным, или гомополимером.

Если в цепь полимера входят атомы кислорода, азота, серы и фосфора, полимер называется гетероцепным, или гетерополимером.

Стереорегулярными называются полимеры, макромолекулы которых состоят из звеньев, имеющих одинаковые или различные, но повторяющиеся в определенной периодичности конфигурации. Они способны кристаллизоваться, обладают большой прочностью и теплостойкостью.

Изотактическими называются полимеры, у которых однотипные боковые заместители расположены по одну сторону макромолекулы.

Полимеры, в которых боковые заместители чередуются в строгой последовательности, называются синдиотактическими.

Атактическими называют полимеры, боковые заместители в цепи которых расположены в произвольном порядке. Атактические полимеры не способны кристаллизоваться и по прочности и теплостойкости уступают стереорегулярным полимерам того же состава.

15.2. Методы получения полимеров

Методы синтеза некоторых полимеров приведены в табл. 44. Полимеризацией называется соединение молекул мономера с

образованием макромолекул, по элементному составу не отличающихся от исходного мономера. В реакцию полимеризации могут вступать соединения с двойной или тройной связью и содержащие неустойчивые циклы.

Поликонденсацией называют соединение молекул мономера, сопровождающееся выделением низкомолекулярных веществ: Н2О, NH3. В реакцию поликонденсации могут вступать мономеры, содержащие две или более функциональные группы.

Сополимеризация – это соединение двух или нескольких мономеров разного состава, при котором не происходит выделения низкомолекулярных соединений.

Сополиконденсация – соединение молекул двух или нескольких различных мономеров, сопровождающееся выделением низкомолекулярных соединений.

15.3. Строение и свойства полимеров

По строению полимерной цепи ВМС бывают линейными,

разветвленными, пространственными. Линейные полимеры образуются из бифункциональных мономеров (имеют две функциональные группы). Линейные полимеры высокоэластичные, хорошо растворяются в растворителях, могут образовывать волокна, нити. Схематически линейный полимер можно изобразить схемой:

−А−А−А−А−А−А−А−А−

Пространственные полимеры образуются, если функциональность мономера больше двух и в процессе роста цепи функциональность макромолекулы увеличивается. Структура пространственного полимера представляет собой трехмерную сетку. Пространственные полимеры менее эластичны, обладают большей твердостью, менее растворимы, но способны к набуханию. Схематически пространственный полимер можно изобразить так:

А

А

А

|

|

|

−А−А−А−А−А−А−А−А−

|

|

|

А

А

А

|

|

|

−А−А−А−А−А−А−А−А−

Разветвленные полимеры также получают из мономеров с функциональностью больше двух. При определенных условиях в ходе синтеза образуются боковые ответвления от основной цепи. Разветвленные полимеры занимают промежуточное положение между линейными и пространственными полимерами.

А

А

|

|

−А−А−А−А−А−А−А−А−

|

|

|

А

А

А

|

|

|

А

А

А

15.4. Биополимеры

Классификация природных полимеров (биополимеров) представлена в табл. 45. Наиболее важные из биополимеров – белки. Мономерами, из которых построены молекулы белков, являются α – аминокислоты. В состав белков входят 20 аминокислот. Последовательность аминокислот в молекуле белка составляет его первичную структуру. Аминокислоты соединяются друг с другом, образуя пептидные связи. Макромолекула белка может «свернуться» в спираль – это определяет вторичную структуру белковой молекулы. Расположение элементов вторичной структуры в пространстве относительно друг друга называется третичной структурой белка. Образование в пространстве глобул, то есть свернутых в клубок макромолекул белка, определяет его четвертичную структуру. Реакция распада макромолекулы белка на более простые составляющие части в кислой или щелочной среде называется гидролизомбелка. При нагреванииразрушается

62

 

Методы синтеза полимеров

 

Таблица 44

 

 

 

 

 

 

 

 

Полимер

Название

Мономер

Название

Способ получения

(СН2 СН2)n

Полиэтилен

СН2=СН2

Этилен

Полимеризация

(СН2 СН)n

Полипропилен

СН2=СН

Пропилен

-||-

|

 

|

 

 

СН3

 

СН3

 

 

(СН2 СН)n

Полистирол

СН2=СН

Стирол

-||-

|

 

|

 

 

С6Н5

 

С6Н5

 

 

СН3

Полиметилметакрилат

СН3

Метилметакрилат

-||-

|

 

|

 

 

(СН2 С)n

 

СН2

 

 

|

 

|

 

 

СООСН3

 

СООСН3

 

 

(СН2 СН)n

Поливинилхлорид

СН2=СН

Винилхлорид

-||-

|

 

|

 

 

Сl

 

Сl

 

 

(СН2 СН)n

Поливинилацетат

СН2=СН

Винилацетат

-||-

|

 

|

 

 

С=О

 

С=О

 

 

|

 

|

 

 

СН3

 

СН3

 

 

(СF2 СF2)n

Политетрафторэтилен

СF2=СF2

Тетрафторэтилен

-||-

 

(тефлон)

 

 

 

(СН2 С=СН СН2)n

Полиизопрен

СН2=С СН=СН2

Изопрен

-||-

|

(натуральный каучук)

|

 

 

СН3

 

СН3

 

 

63

Окончание таблицы 44

(СН2 СН=СН СН2)n

Бутадиеновый

СН2=СН СН=СН2

Бутадиен

Полимериз-

 

каучук

 

 

 

ация

(NH (CH2)5 C)n

Капрон

CH2 CH2 CH2

ε-капролактам

Поликонден-

||

 

|

\

 

сация

O

 

|

NH

 

 

 

 

|

/

 

 

 

 

CH2 CH2 C=O

 

 

(NH (CH2)6 NH OCO (CH2)6

Найлон

NH2 (CH2)6 NH2

Гексаметилендиамин

Сополикон-

COO)n

 

HOOC (CH2)6 COOH

Адипиновая кислота

денсация

(HN CO NH O CH2)n

Карбамидфор-

 

CH2=O

Формальдегид

-||-

 

мальдегидная смола

H2N CO NH2

Карбамид

 

(СН2 СН=СН СН2 СН2 СН)n

Бутадиен-стирольный

СН2=СН СН=СН2

Бутадиен

Сополи-

|

каучук

 

СН2=СН

Стирол

меризация

С6Н5

 

 

|

 

 

 

 

 

С6Н5

 

 

(ОС С6Н4 СО О СН2 СН2 О)n

Лавсан

НООС С6Н4 СООН

Терефталеваякислота

Сополикон-

 

 

НОСН2 СН2ОН

Этиленгликоль

денсация

6Н4 СН2)n

Фенолформальдегидная

 

СН2

Формальдегид

-||-

|

смола (новолак)

 

С6Н5ОН

Фенол

 

ОН

Смола термопластичная

(соотношение

 

 

 

 

компонентов 1:1)

 

 

СН2ОН

Фенолформальдегидная

 

СН2

Формальдегид

-||-

|

смола (резол)

 

С6Н5ОН

Фенол

 

6Н4 СН2)n

Смола термореактивная

(щелочная среда)

 

 

|

 

 

 

 

 

ОН

 

 

 

 

 

 

Классификация биополимеров и их структура

Таблица 45

 

 

 

 

 

 

 

 

Мономер(ы)

Полимер

Формула полимера

Структура

 

 

Полисахариды

 

 

 

Фруктофураноза

Инулин

6Н10О5)n

 

 

-глюкопираноза

Крахмал

6Н10О5)n

Разветвленная

 

 

(амилоза + амилопектин)

 

 

 

-глюкопираноза

Амилоза

6Н10О5)n

Линейная

 

-глюкопираноза

Амилопектин

6Н10О5)n

Разветвленная

 

-глюкопираноза

Целлюлоза

6Н10О5)n

Линейная волокнистая

 

-глюкопираноза

Гликоген

6Н10О5)n

Разветвленная

 

 

Производные полисахаридов

 

 

 

N-ацетил- ( )-глюкозамин

Хитин

6Н9О4

Линейная

 

 

 

NНСОСН3)n

 

64

( )-глюкозамин

Хитозан

6Н9О4 2)n

Линейная

 

 

Полипептиды

 

 

 

-аминокислоты

Белки

 

Линейная, закрученная в

 

 

 

 

спираль, имеет

 

 

 

 

третичную и

 

 

 

 

четвертичную структуры

 

 

Нуклеиновые кислоты

 

 

 

D-рибофураноза + фосфорная кислота +

РНК (рибонуклеиновая

 

Линейная, закрученная в

 

пиримидиновое или пуриновое

кислота)

 

двойную спираль

 

основание (аденин, гуанин, цитозин,

 

 

 

 

урацил)

 

 

 

 

D-дезоксирибоза + фосфорная кислота +

ДНК

 

Линейная, закрученная в

 

пиримидиновое или пуриновое основа-

(дезоксирибонуклеиновая

 

двойную спираль

 

ние (аденин, гуанин, цитозин, тимин)

кислота)

 

 

четвертичная, третичная, вторичная структура белка, то есть происходит его денатурация.

Другая не менее распространенная разновидность природных полимеров – полисахариды. Наиболее распространенными являются крахмал и целлюлоза. Крахмал состоит из линейных (амилоза) и разветвленных (амилопектин) участков макромолекул. И амилоза, и амилопектин построены из мономера α – глюкозы. Целлюлоза тоже построена из мономера глюкозы, но это β – глюкоза. Целлюлоза намного прочнее крахмала, нерастворима в воде.

Мономерами нуклеиновых кислот являются нуклеотиды – азотистые основания аденин, гуанин, тимин, цитозин и урацил. Нуклеотиды соединяются с остатками сахаров (дезоксирибозой и рибозой) и фосфат-ионом, в результате чего образуются ДНК

(дезоксирибонуклеиновая) и РНК (рибонуклеиновая) кислоты. РНК химически более активна, так как в состав рибозы входит ОН-группы. ДНК более устойчива из-за отсутствия атома кислорода, что особенно важно, так как ДНК – это хранилище наследственной информации.

Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]