921

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.

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.

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−

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−

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

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.