Лекция №30 Растворы высокомолекулярных соединений (ВМС) и их свойства

Объектами изучения коллоидной химии являются такжае растворы высокомолекулярных соединений, далее сокращенно их будем называть ВМС.

К высокомолекулярным соединениям относятся различные классы веществ, имеющих молекулярную массу более 10000 и, следовательно, большой размер молекул.

Свойства высокомолекулярных соединений и их растворов зависят от природы их происхождения (или химического состава), от размера и формы молекул.

Природные высокомолекулярные соединения играют особо важную роль в процессах жизнедеятельности. Они выполняют различные функции в живых организмах:

а) Источник пищи для человека и животных. б)Строительной материал (мышцы, вены, сухожилия и др.). в) Они выполняют транспортную функцию (гемоглобин).

г) Нуклеиновые кислоты участвуют в процессе передачи наследственной информации, в процессе биосинтеза белков.

д) Ферменты играют роль катализаторов, т.е. участвуют в различных биохимических процессах.

е) Многие белки являются компонентами иммунной системы.

Без многих высокомолекулярных соединений современная медицина не может обходиться. Например, это полимеры, которые используют для изготовления одноразовых шприцов, систем для внутривенного вливания растворов лекарственных веществ, различные хирургические нити, применяемые в качестве шовного материала, лекарственные вещества и упаковочные материалы для них, а также многое другое.

Различные высокомолекулярные соединения, применяются в самых разных отраслях народного хозяйства и в быту.

Классификация высокомолекулярных соединений (ВМС)

1.по природе происхождения,

2.по строению молекул.

По природе происхождения высокомолекулярные соединения делятся на три группы:

а) Природные (крахмал, целлюлоза, гликоген, нуклеиновые кислоты, природные белки, натуральный каучук и др.)

б) Искусственные высокомолекулярные соединения, их получают путём химической обработки природных (нитрат целлюлозы, ацетат целлюлозы и др.)

в) Синтетические высокомолекулярные соединения, их получают из низкомолекулярных веществ (обычно органических) в результате реакций полимеризации или поликонденсации (полиэтилен, капрон, найлон, фенолформальдегидные смолы, синтетический каучук и др.)

По строению молекул высокомолекулярные соединения бывают трех видов:

1)Линейные, 2)Разветвленные , 3)Сшитые или трехмерные

Сходство и отличие между свойствами растворов высокомолекулярных соединений и обычными коллоидными системами

1) В этих растворах происходит тепловое движение молекул высокомолекулярных соединений, т.е. для них характерно броуновское движение.

2) Размер молекул высокомолекулярных соединений обычно равен 10-7-10-6см, в обычных коллоидных системах размер частиц составляет 10-7-10-5см.

3)Молекулы высокомолекулярных соединений не проникают через полупроницаемые мембраны и ультрафильтры.

4)В растворах высокомолекулярных соединений, как и в обычных коллоидных растворах, скорость диффузии очень низкая.

5)Осмотическое давление в этих растворах очень низкое даже при высоком значении концентрации.

6)В этих растворах различные химические и физические процессы происходят очень медленно

7) ВМС подвергаются процессу коагуляции и пептизации под влиянием различных внешних факторов.

8) В этих растворах образуются различные молекулярные комплексы.

9) Растворы высокомолекулярных соединений рассеивают свет также как и обычные коллоидные системы, т.е. дают «конус Тиндаля».

В ХХ веке исследователями разных стран было доказано, что лиофильные золи по существу не является таковыми, а представляют собой истинные растворы высокомолекулярных соединений. С современной точки зрения, растворы высокомолекулярных соединений являются гомогенными системами, в которых роль коллоидных частиц играют не мицеллы, а молекулы очень больших размеров

Отличия

1)В отличие от обычных коллоидных растворов растворы ВМС могут образовываться самопроизвольно.

2)С термодинамической точки зрения, растворы ВМС являются очень устойчивыми, а обычные коллоидные системы только относительно устойчивы.

3)В растворах ВМС не имеется видимой границы раздела между фазами, а в обычных золях такая граница раздела между фазами всегда существует.

4)В растворах молекулы ВМС способны взаимодействовать с дисперсионной средой, поэтому они относятся к лиофильным системам, а обычные коллоидные растворы являются лиофобными системами,

5)Опытным путем доказано, что в растворах ВМС различные процессы обратимы, а в лиофобных системах такие процессы необратимы.

6)Характерной особенностью растворов ВМС является то, что

впроцессе образования этих растворов происходит явление набухания.

Набухание и растворение ВМС Известно, что растворы высокомолекулярных веществ могут

образовываться самопроизвольно. Растворение этих соединений всегда сопровождается процессом набухания.

Механизм явления набухания, в основном связан с двумя процессами, которые происходят в системе.

Первое - это процесс сольватации или образование оболочки, состоящей из молекул растворителя у поверхности высокомолекулярного соединения.

Второе - это процесс распределения в полимере молекул растворителя.

На процесс набухания и растворения ВМС влияют разные факторы. Прежде всего, скорость набухания зависит от природы ВМС и растворителя, от температуры, от присутствия разных электролитов в растворе, от рН, от степени измельчения и возраста полимера.

Процесс набухания принято подразделять на ограниченное и неограниченное набухание. При ограниченном набухании процесс не доходит до стадии растворения. В этом случае происходит увеличение объёма и массы полимера. Например, резина в бензине или желатин в воде. При нагревании этих систем резина не растворяется в бензине, а желатин в воде растворяется.

При неограниченном набухании в итоге образуется однородный раствор ВМС. Например, белок в воде, каучук в бензине, полиметилметакрилат (органическое стекло) в дихлорэтане.

Процесс набухания полимеров в разных растворителях принято характеризовать степенью набухания, которую определяют по формулам:

α = α =

Факторы устойчивости растворов ВМС и белков

В водном растворе разные гидрофильные группы белков (СООН, NН2,

ОН, SН, СОNН) создают электрическое поле, вокруг которого молекулы воды ориентированы определенным образом. На поверхности молекул белков и других гидрофильных ВМС образуются оболочки, построенные из молекул воды, которые ориентированы отрицательными или положительными полюсами в строгом порядке относительно молекул белка. В результате этого, в растворах белков и других гидрофильных полимеров определенное количество воды прочно связано с ними, а остальные молекулы воды играют роль дисперсионной среды, в которой находятся мицеллы.

Связанная вода в растворах белков и других ВМС обладает аномальными свойствами.

Например, плотность связанной воды на поверхности разных полимеров может изменяться в пределах от 1,3 до 2,4г/см3, а диэлектрическая постоянная имеет значение 2,2 вместо 81. Вследствие этого, связанная вода не обладает растворяющей способностью.

Установлено, что одна из причин старения организмов состоит в том, что их ткани теряют способность удерживать связанную воду на определенном уровне.

изоэлектрическая точка (ИЭТ) белков

Изоэлектрическим состоянием (ИЭС) белка называют такое состояние в растворе, когда суммарный заряд его молекул равен нулю. Иначе можно сказать, что это состояние молекул белка, при котором он содержит одинаковое количество групп с положительным и отрицательным зарядом.

Изоэлектрическая точка (ИЭТ) белка – это значение рН раствора, при котором он является электронейтральными. То есть, в изоэлектрической точке (изоточке) белок находится в изоэлектрическом состоянии. Изоточка обозначается как рI.

В изоточке у белков наблюдается ряд аномальных свойств. Например, в изоэлектрической точке у растворов белков наименьшая вязкость. Это объясняется тем, что в изоэлектрическом состоянии молекулы белка имеют форму спирали.

В изоточке у белков наблюдается минимальная растворимость, величина набухания также минимальная, а скорость желатинирования максимальная. В изоэлектрической точке белки при электрофорезе не подвижны.

Существует несколько методов определения изоточки белков.

1) Метод электрофореза (в изоточке не подвижен)

2)Определение изоточки по степени коагуляции белка (наблюдается

максимальная коагуляция белка)

3)Определение изоточки белка по скорости желатинирования

(Максимальная скорость)

4)Определение изоточки по степени (величине) набухания

(Минимальное набухание )

Защитное действие растворов белков и ВМС

Явление, при котором высокомолекулярные соединения повышают устойчивость гидрофобных золей, называют защитным действием или коллоидной защитой.