Высокомолекулярные соединения

Высокомолекулярные соединения (ВМС) или полимеры представляют собой кристаллические или аморфные вещества, макромолекулы которых построены из тысяч атомов, соединенных химическими связями в длинные цепи. Повторяющийся фрагмент полимерной цепи макромолекулы называют мономерным звеном. Длину макромолекул выражают средним числом звеньев мономера в полимере (n), которое называют степенью полимеризации.

В зависимости от структуры молекулярной цепи полимера, степени полимеризации, а также от свойств растворителя ВМС могут растворяться с образованием истинного раствора, набухать или не растворяться. Например, полиметилметакрилат растворяется в хлороформе, каучук набухает, а эбонит вообще не растворяется в органических растворителях.

Несмотря на то, что при растворении полимеры часто образуют истинные растворы, они являются предметом исследования коллоидной химии по двум причинам. Во-первых, длина полимерных цепей макромолекул сопоставима с размерами частиц дисперсной фазы. Во-вторых, макромолекулы ВМС при растворении в некоторых растворителях способны свертываться в клубки, образуя частицы дисперсной фазы. В последнем случае растворение полимера приводит к образованию гетерогенной системы с присущими ей свойствами.

Синтетические полимерные материалы, как свидетельствует название, получают в результате химических реакций синтеза макромолекул из мономеров. Полиэтилен, полиэтилентерефталат (тефлон), полиметилметакрилат (рис. 37) и другие полимерные материалы - это синтетические высокомолекулярные соединения.

Мономерное звено полимерной цепи

полиэтилентерефталат

полиэтилен

Полиметилметакрилат

Рис. 37. Структура молекул некоторых синтетических полимеров, n - степень полимеризации

Природные (натуральные) полимерные вещества синтезируются живыми организмами (растениями, животными, микробами). К ним относятся белки, полисахариды (крахмал, целлюлоза) и нуклеиновые кислоты.

Крахмал и целлюлоза – высокомолекулярные природные полимеры, построенные из остатков глюкозы (рис. 38).

Белки – высокомолекулярные природные полимеры, построенные из остатков аминокислот, соединенных пептидной связью –СО–NH – (рис. 38).

Пептидная Аминокислотный

группа остаток

Белок

Фрагмент молекулы крахмала (амилоза)

Целлюлоза

Рис. 38. Структура молекул некоторых природных полимеров: белка, крахмала и целлюлозы, R в белках – углеводородный радикал

Молярная масса белка может колебаться от 10000 до

1 000 000 г/моль, т.е. от 10⁴ до 10⁶ а.е.м. Например, гемоглобин крови состоит из 574 аминокислотных остатков, соединенных пептидными связями, и имеет молярную массу, равную 64500 г/моль. Составными частями кожи, сухожилий, миозина, входящего в состав мышц, являются белки. Некоторые белки характеризуются специфической формой свернутой полипептидной цепи. К ним относятся белки, входящие в состав крови, лимфы, протоплазма клеток, пепсин желудочного сока.

Белки относятся к группе полиэлектролитов. Для них характерно явление электрофореза – движение макромолекул белка в водной среде под действием электрического поля. Белок – биполярный ион, электролитическая диссоциация которого зависит от кислотности (рН) водного раствора:

В кислой среде (рН<7) В щелочной среде (рН>7)

При помощи рН среды можно изменять ионизирующую способность макромолекул белков. Константы диссоциации кислотных и основных групп в белках и аминокислотах не совпадают. По этой причине число диссоциированных кислотных и основных групп может быть одним и тем же только при определенном значении рН среды. Такое состояние соответствует изоэлектрической точке (ИЭТ) – условию, когда z = 0.

Специфичность отношения синтетических или природных полимеров к растворителю состоит в том, что не всякий растворитель является подходящей средой для растворения ВМС. Полярные полимеры набухают и растворяются в полярных, а неполярные – в неполярных растворителях.

Растворению полимера предшествует набухание – проникновение молекул органического растворителя в массу полимера. Растворитель, накапливаясь в полимере, увеличивает подвижность макромолекул и уменьшает межмолекулярное взаимодействие. Если полимер сшитый (имеет нерастворимый химически связанный каркас), то при его набухании образуется гель – дисперсная система, содержащая растворитель в полимерном каркасе.

Гель – [лат. gelo застываю] дисперсная система с жидкой дисперсионной средой, в которой частицы дисперсной фазы образуют пространственную структурную сетку. Это твердообразные «студенистые» тела, способные сохранять форму, обладающие упругостью и пластичностью. В коллоидной химии гели часто образуются при коагуляции золей за счет межмолекулярного взаимодействия частиц золя.

Если полимер имеет каркас, образованный слабыми межмолекулярными связями (водородными и силами Ван дер Ваальса), то при набухании каркас постепенно разрушается, и образуются два раствора. Более концентрированная фаза представляет собой каркас, содержащий слои жидкости с низкой концентрацией молекул полимера.

Явление набухания полимера и превращение его в гель используется для так называемой пластиозольной технологии получения покрытий и пленок.