Общие сведения о высокомолекулярных соединениях

И СВОЙСТВА ИХ РАСТВОРОВ

СТРУКТУРА ВЫСОКОМОЛЕКУЛЯРНЫХ СОЕДИНЕНИЙ

Высокомолекулярные соединения (ВМС) получили свое название из-за очень большой относительной молекулярной массы (не менее 10000–15000). Если относительная молекулярная масса обычных низкомолекулярных веществ редко достигает нескольких сотен, например, воды – 18; диоксида углерода – 44; глюкозы – 180, то молекулярная масса натурального каучука (ВМС) находится в пределах от 7 10⁴ до 2,5 10⁶. Молекулы ВМС из-за их большой молекулярной массы называют обычно макромолекулами.

Высокомолекулярные соединения из-за их большой молекулярной массы нелетучи и не способны перегоняться, весьма чувствительны к воздействию внешних факторов. Макромолекулы легко распадаются под воздействием самых незначительных количеств кислорода и других деструктирующих агентов. Большинство ВМС при повышении температуры размягчаются постепенно и не имеют определенной температуры плавления. Температура разложения этих веществ ниже температуры кипения, т. е. ВМС могут находиться только в конденсированном состоянии.

Свойства ВМС зависят не только от размера, но и от формы молекул. Так, ВМС с изодиаметрическими молекулами (гемоглобин, гликоген) – порошкообразные вещества, при растворении почти не набухают, а растворы их не обладают высокой вязкостью. ВМС с сильно асимметричными вытянутыми молекулами (желатин, целлюлоза, каучук) при растворении очень сильно набухают и образуют высоковязкие растворы.

ВМС с линейными молекулами обладают волокнистой структурой, обусловливающей анизотропию свойств и высокую механическую прочность, поэтому они образуют волокна и пленки. Некоторые полимеры высокоэластичны.

Природные и синтетические ВМС. К наиболее важным природным ВМС относятся белки, являющиеся главной составной частью всех веществ животного и растительного происхождения. Молекулы белков построены из различных аминокислот, содержащих ионогенные группы (СООН, NH₃OH) и соединенных пептидными связями. Молекулярная масса различных белков колеблется в широких пределах и достигает нескольких миллионов. Белки используются в основном для пищевых целей. Однако ряд содержащих белки веществ (кожа, шерсть, шелк) находят и техническое применение.

Природными ВМС являются и полисахариды – крахмал, целлюлоза. Целлюлоза – составная часть тканей растений. Наибольшее содержание целлюлозы (96–98 %) в хлопке. Молекулы целлюлозы имеют линейное строение и составлены из остатков глюкозы. Молекулярная масса колеблется от 500 тыс. до миллионов. Крахмал – составная часть всех злаков и картофеля. Макромолекулы крахмала состоят из звеньев глюкозы, и он является не индивидуальным веществом, а смесью полисахаридов, отличающихся размерами молекул и строением. Путем гидролиза из крахмала получают декстрин, патоку и глюкозу.

К природным ВМС относится и натуральный каучук – материал, обладающий высокой эластичностью. Его добывают из млечного сока (латекса) некоторых растений – каучуконосов. Это углеводород, состоящий из изопентеновых (изопреновых) остатков. При нагревании с серой каучук подвергается вулканизации, образуя резину, эбонит.

Помимо природных ВМС в технике и быту применяют синтетические ВМС. К ним относятся синтетические каучуки и различные синтетические полимеры. Эти продукты чрезвычайно разнообразны по химическому составу и свойствам, они являются заменителями природных ВМС, их используют для получения пластмасс, синтетических тканей и др. Производство синтетических ВМС значительно превысило производство конструкционных материалов (алюминиевых и магниевых сплавов и др.). К достоинствам синтетических ВМС относится то, что их можно получить с заранее заданными свойствами, подбирая необходимые исходные материалы и регулируя технологический процесс.

Строение макромолекул и структура ВМС. Молекулы ВМС могут быть линейными и разветвленными. Именно линейной формой макромолекул определяются типичные свойства полимеров: эластичность, способность образовывать нити и пленки высокой прочности, набухать, давать при растворении вязкие растворы и т. д. Эти типичные для полимеров свойства определяются гибкостью их линейных молекул, способностью к колебательно-вращательному движению отдельных звеньев макромолекул вокруг соединяющих их отдельных связей. Благодаря вращению отдельных звеньев, макромолекула изгибается и может принимать различные конформации. Конформации – формы молекул, переходящие друг в друга без разрыва химической связи за счет свободного поворота звеньев.