Свойства высокомолекулярных соединений и их растворов. Практическая значимость темы
Совершенно очевидно, что без образования ВМС вообще невозможно было бы возникновение жизни на Земле.
Изучение свойств ВМС и их растворов имеет исключительно важное значение для понимания механизма биохимических и физиологических процессов в организме: обмена веществ, пищеварения, роста и старения организма, а также патофизиологических процессов: воспалений, отеков, почечно-каменной и желчно-каменной болезней, атеросклероза.
Знания свойств полимеров широко используются в фармации для получения и применения высокомолекулярных лекарственных препаратов.
Высокомолекулярные соединения (ВМС) – это вещества, молекулы которых состоят из большого числа химически связанных атомов и имеют высокую молярную массу M > 5000 г/моль.
Молекулы ВМС представляют собой длинные цепи, состоящие из многократно повторяющихся группировок атомов, поэтому их называют макромолекулами.
Классификация полимеров
|
Основные виды классификации ВМС | ||
|
состав |
природа |
структура |
|
неорганические органические |
естественные искусственные синтетические |
линейные (одномерные) плоскостные (двухмерные) объемные (трехмерные) |
К неорганическим полимерам с цепным строением следует отнести пластическую серу, алюмосиликаты, поликремниевые кислоты.
Класс органических полимеров многочисленен. К ним относятся природные полимеры:
углеводороды (натуральный каучук);
углеводы (целлюлоза, агар-агар, гуммиарабик, гликоген, крахмал);
белки (альбумин, миозин, гемоглобин, желатин);
нуклеиновые кислоты (ДНК, РНК).
К искусственным полимерам относят ВМС, полученные путем специальной химической обработки природных полимеров. Например, ацетатное волокно (вискоза), получают путем реакции этерификации природного полимера целлюлозы с уксусной кислотой.
В настоящее время в технике и быту широко используются синтетические высокомолекулярные продукты. Сюда следует отнести синтетические каучуки (бутадиеновый, изопреновый), пластмассы, синтетические волокна (капрон, полиэстер), смолы (полиэтилен, полистирол, поливинилхлорид, полиакриламид), лаки, краски и т.д.
Классификация полимеров по их структуре самостоятельно: Методическое пособие «Физико-химия дисперсных систем», ч.II , стр.7.
Биополимеры
Одной из важнейших групп ВМС, которая особенно интересна для биологии и медицины, являются биополимеры.
Биополимеры – это высокомолекулярные вещества, обеспечивающие жизнедеятельность живых систем.
К ним относятся:
Белки.
Нуклеиновые кислоты (ДНК и РНК)
Полисахариды – целлюлоза, крахмал, гликоген.
Все они выполняют важнейшие различные функции в биосистемах.
Особые свойства вмс
Полимеры обладают свойствами, которые отличают их от других классов веществ. К ним относятся:
высокая молярная масса
асимметричное строение
гибкость и эластичность
1) Молярная масса полимеров колеблется в широких пределах от 5000 до десятков миллионов г/моль. (таблица 2)
Таблица 2
-
полимер
М, г/моль
Целлюлоза
1 000 000 – 2 000 000
Гликоген
1 000 000 – 4 000 000
Крахмал:
амилоза (10-20%)
амилопектин (90-80%)
10 000 – 60 000
до 1 000 000
Гемоглобин
66 000 – 68 000
Альбумин
более 75 000
Желатин
до 60 000
2) Асимметричное строение- длина молекулы в 10 и 100 раз больше, чем диаметр
Диаметр длинных полимерных цепей равен диаметру молекулы низкомолекулярного соединения (НМС). Например, длина макромолекулы целлюлозы составляет 400-800 нм, а диаметр 0,3-0,75 нм. Для образного представления такие молекулы можно сравнить с нитями, имеющими длину от 1 до 4 метров, а диаметр 0,5 мм.
3) Гибкость и эластичность.
Гибкость макромолекул – это способность отдельных звеньев или участков (сегментов) цепи полимера вращаться или колебаться относительно валентных связей – С – С – , что приводит к изменению конфигурации цепи.
барьера требуется энергия, называемая энергией активации.
Гибкость и эластичность полимеров зависит от:
температуры
При повышении температуры благодаря возрастанию кинетической энергии системы может быть снижен энергетический барьер, сегменты цепей будут легко вращаться или колебаться с большей амплитудой, и макромолекулы будут вести себя как гибкие нити, принимая всевозможные конфигурации. Поэтому при повышении температуры гибкость увеличивается.
природы групп атомов в макромолекуле
Увеличение
в макромолекуле количества полярных
групп – ОН, – СООН, – CN, – Cl,
усиливает внутримолекулярное
взаимодействие, ограничивает свободу
колебаний сегментов макромолекулы и
понижает ее гибкость.
расположения групп атомов в макромолекуле
Чем ближе расположены группы атомов, тем им легче взаимодействовать друг с другом и тем меньше гибкость.
длины полимерной цепи и количества сегментов в молекуле
Чем длиннее цепь и больше количество сегментов, тем выше гибкость макромолекул.
Присутствие пластификаторов.
Пластификация – это процесс, в результате которого увеличивается эластичность полимера. С этой целью в полимер можно вводить низкомолекулярные вещества (пластификаторы), которые будут препятствовать взаимодействию цепей макромолекул друг с другом. Для полярных полимеров, например белков, пластификатором является вода, которая, гидратируя полярные группы, препятствует образованию связей между ними. Для неполярных полимеров пластификаторами будут неполярные вещества, например для вулканизированного каучука применяют сажу.