Задание 27

Устойчивость коллоидных систем. Агрегационная и седиментационнная устойчивость. Коагуляция. Коагуляция под действием сильных электролитов. Порог коагуляции. Правила Шульца-Гарди. Коллоидная защита.

Коллоидные системы - дисперсные системы, промежуточные между истинными растворами и грубодисперсными системами, в которых дискретные частицы, капли или пузырьки дисперсной фазы, распределены в дисперсионной сфере.

Основные свойства коллоидов:

• Коллоидные частицы не препятствуют происхождению света.

• В прозрачных коллоидах наблюдается рассеивание светового луча (эффект Тиндаля).

• Дисперсные частицы не выпадают о садок.

Устойчивость коллоидного раствора – свойство коллоидной системы противостоять тенденции к агрегации частиц. Зависит от размера и концентрации частиц вещества, температуры, присутствия электролитов.

Агрегационная устойчивость – устойчивость к слипанию частиц, против коагуляции. В коллоидной химии под устойчивостью понимают агрегативную устойчивость, независимо от того, оседают частицы или нет под действием силы тяжести. Понятие агрегативной устойчивости ввел Песков.

Седиментационная устойчивость – устойчивость против оседания частиц под действием силы тяжести. Все грубодисперсные системы седиментационно неустойчивы, так как частицы очень тяжелы. При седиментации могут наблюдаться два случая:

1. Каждая частица оседает в отдельности, не сцепляясь с другими частицами (медленное оседание). Такая система агрегативно устойчива.

2. Частицы сцепляются между собой и агрегаты частиц оседают совместно (быстрое оседание). Такая система агрегативно неустойчива.

Коагуляция – процесс необратимой агрегации частиц дисперсной фазы. Агрегация приводит к их окруплению и их быстрому оседанию.

Факторы, вызывающие коагуляцию: повышение температуры, введение неорганических веществ.

Коагуляция под действием сильных электролитов.

В механизме коагулирующего действия электролитов можно выделить три фактора.

1. Сжатие диффузионного слоя. Чем больше заряд коагулирующих ионов, тем сильнее они сжимают диффузный слой противоионов.

2. Адсорбция ионов на коллоидной частице. Чем выше заряд ионов, тем интенсивнее они адсорбируются.

3. Процесс ионообменной адсорбции. Противоионы адсорбционного слоя обмениваются на одноименно заряженные ионы добавленного электролита.

Порог коагуляции – минимальное количество электролитов, вызывающие коагуляцию.

Правила Шульца-Гарди.

1. Коагуляцию вызывает не весь электролит, а только те ионы, что противоположны заряду гранулы.

2. Коагуляционная способность иона возрастает с возрастанием его заряда.

3. Для ионов равного заряда коагулирующее действие увеличивается с увеличением ионного радиуса.

Коллоидная защита – увеличение стабильности лиофобного золя при добавлении высокомолекулярных веществ.

Задание 28

Классификация высокомолекулярных соединений. Сравнительная характеристика раствора ВМС, коллоидных и истинных растворов. Основные классы биополимеров: белки, нуклеиновые кислоты, полисахариды. Глобулярная и фибриллярная структура белков. Изоэлектрическое состояние. Изоэлектрическая точка белка. Электрофорез.

ВМС – химические соединения с молекулярной массой 10⁴ г/моль и выше.

Классификация ВМС (по происхождению):

1. Природные (биополимеры): целлюлоза, крахмал, каучук, белки.

2. Синтетические (получены химически): полиэтилен, полибутален, нейлон, лаксан.

3. Искусственные (получены путем модификации природы): ацетатный шелк. Цель получения – улучшение.

Классификация ВМС (по природе):

1. Неорганические (песок, глины, кремнезем)

2. Органические

• Полисахариды (глюкоза)

• Нуклеиновые кислоты (нуклеотиды)

• Белки (аминокислоты)

В отличие от коллоидных растворов растворы ВМС имеют:

• Значительную постоянную концентрацию растворенного вещества

• Большее осмотическое давление

• Аномально высокую вязкость

• Высокую растворимость в дисперсионной среде

• Макромолекулярную природу дисперсной фазы.

Растворы ВМС отличаются от растворов НМС:

• Механизмом растворения

• Более низким осмотическим давлением

• Образованием в определенных условиях студней

• Образованием новой фазы при повышении концентрации и снижении температуры

• Малой скоростью диффузии макромолекул и в результате – медленным достижением равновесия

Биополиме́ры — класс полимеров, встречающихся в природе в естественном виде, входящие в состав живых организмов: белки, нуклеиновые кислоты, полисахариды. Биополимеры состоят из одинаковых звеньев — мономеров. Мономеры белков — аминокислоты, нуклеиновых кислот — нуклеотиды, в полисахаридах — моносахариды. Выделяют два типа биополимеров — регулярные (некоторые полисахариды) и нерегулярные (белки, нуклеиновые кислоты, некоторые полисахариды).

Белки́ (протеи́ны, полипепти́ды) — высокомолекулярные органические вещества, состоящие из альфа-аминокислот, соединённых в цепочку пептидной связью. В живых организмах аминокислотный состав белков определяется генетическим кодом, при синтезе в большинстве случаев используется 20 стандартных аминокислот. Множество их комбинаций создают молекулы белков с большим разнообразием свойств. 

Функции белков в клетках живых организмов более разнообразны, чем функции других биополимеров — полисахаридов и ДНК. Так, белки-ферменты катализируют протекание биохимических реакций и играют важную роль в обмене веществ. Некоторые белки выполняют структурную или механическую функцию, образуя цитоскелет, поддерживающий форму клеток. Также белки играют ключевую роль в сигнальных системах клеток, при иммунном ответе и в клеточном цикле. В процессе пищеварения ферменты разрушают потреблённые белки до аминокислот, которые используются для биосинтеза собственных белков организма или подвергаются дальнейшему распаду для получения энергии.

Полисахариды (гликаны) – это молекулы полимерных углеводов, соединенных длинной цепочкой моносахаридных остатков, объединённые вместе гликозидной связью, а при гидролизе становятся составной частью моносахаридов или олисахаридов. Они выстраиваются либо линейной в структурной форме, либо разветвленной. Примерами могут служить резервные полисахариды, такие как крахмал и гликоген и структурные полисахариды – целлюлоза и хитин. Полисахариды чаще всего неоднородны, состоят из смеси непрочных повторяющихся остатков. В зависимости от структуры у этих макромолекул могут быть различные свойства в зависимости от их моносахаридных блочных молекул. Они могут быть аморфные или даже нерастворимы в воде.

Целлюлоза и хитин – это структурные полисахариды. Целлюлоза служит структурной основой клеточной мембраны растений и других микроорганизмов, это самое наиболее распространенное органическое вещество на земле. Она очень чаще всего используется в значительной степени при производстве бумаги и текстильной индустрии, и в качестве исходного сырья для производства шелка, ацетилцеллюлозы, целлулоида и нитроцеллюлозы. У хитина такая же структура, но у него азотосодержащие боковое ответвление, увеличивающее его прочность. Он также используется во многих производствах, включая хирургические иглы.

Дезоксирибонуклеи́новая кислота́ (ДНК) — макромолекула обеспечивающая хранение, передачу из поколения в поколение и реализацию генетической программы развития и функционирования живых организмов. ДНК содержит информацию о структуре различных видов РНК и белков. В клетках эукариот ДНК находится в ядре клетки в составе хромосом, а также в некоторых клеточных органоидах (митохондриях и пластидах). 

С химической точки зрения ДНК — это длинная полимерная молекула, состоящая из повторяющихся блоков — нуклеотидов. Каждый нуклеотид состоит из азотистого основания, сахара (дезоксирибозы) и фосфатной группы. Связи между нуклеотидами в цепи образуются за счёт дезоксирибозы и фосфатной группы (фосфодиэфирные связи). В подавляющем большинстве случаев (кроме некоторых вирусов, содержащих одноцепочечную ДНК) макромолекула ДНК состоит из двух цепей, ориентированных азотистыми основаниями друг к другу. Эта двухцепочечная молекула спирализована. В целом структура молекулы ДНК получила название «двойной спирали». ДНК является носителем генетической информации, записанной в виде последовательности нуклеотидов с помощью генетического кода. С молекулами ДНК связаны два основополагающих свойства живых организмов — наследственность и изменчивость.

Фибриллярные белки — белки, имеющие вытянутую нитевидную структуру, в которой соотношение продольной и поперечной осей более 1:10. Полипептидные цепи многих фибриллярных белков расположены параллельно друг другу вдоль одной оси и образуют длинные волокна (фибриллы) или слои. Большинство фибриллярных белков не растворяются в воде. К фибриллярным белкам относят например, α-кератины (на их долю приходится почти весь сухой вес волос, белки шерсти, рогов, копыт, ногтей, чешуи, перьев) , коллаген — белок сухожилий и хрящей, фиброин — белок шёлка) . Большинство фибриллярных белков обладают особым свойством — в формировании их пространственной структуры участвуют, кроме слабых связей, ковалентные непептидные связи, тогда как в глобулярных белках основной вклад в стабилизацию конформации молекулы вносят слабые нековалентные взаимодействия. лобулярные белки́ — белки, в молекулах которых полипептидные цепи плотно свёрнуты в компактные шарообразные структуры — глобулы (третичные структуры белка) Глобулярная структура белков обусловлена гидрофобно-гидрофильными взаимодействиями. К глобулярным белкам относятся ферменты, иммуноглобулины, некоторые гормоны белковой природы (например, инсулин) а также другие белки, выполняющие транспортные, регуляторные и вспомогательные функции.

Изоэлектрическое состояние наступает у коллоидов с заряженными частицами, если к ним прибавить электролит. Изоэлектрическим состоянием называется состояние золя, при котором коллоидные частицы не имеют электрического заряда. В изоэлектрическом состоянии могут находиться и длительно существовать только такие растворы, устойчивость которых обусловлена в основном взаимодействием их частиц с дисперсионной средой. Например, раствор белка-казеина становится неустойчивым при приближении его к изоэлектрическому состоянию. 

Изоэлектрическая точка (pI) — кислотность среды (рН), при которой определённая молекула или поверхность не несёт электрического заряда. Амфотерные молекулы содержат как положительные, так и отрицательные заряды, наличием которых определяется pH раствора. Заряд различных функциональных групп таких молекул может меняться в результате связывания или, наоборот, потери протонов H⁺. Величина изоэлектрической точки такой амфотерной молекулы определяется величинами констант диссоциации кислотной и осно́вной фракций:

Электрофорез — это электрокинетическое явление перемещения частиц дисперсной фазы в жидкой или газообразной среде под действием внешнего электрического поля. С помощью электрофореза удаётся покрывать мелкими частицами поверхность, обеспечивая глубокое проникновение в углубления и поры. Электрофорез применяют в физиологии, в химической промышленности, для осаждения дымов и туманов, для изучения состава растворов и др. Электрофорез является одним из наиболее важных методов для разделения и анализа компонентов веществ в химии, биохимии и молекулярной биологии.