Аномален вискозитет на разтвори на IUD - Пептиди и протеинова структура, класификация и физико-химични
ВМС разтвори само при много високи разреждания (
0,01%) се подчиняват на законите на Нютон и Поазей. Характерна особеност на HMS разтворите е техният висок вискозитет в сравнение с чист разтворител, дори при ниски концентрации.
Вискозитетът (вътрешното триене) е свойството на течностите да устояват на действието на външни сили, които ги карат да текат. В допълнение, разтворите на HMS не са нютонови течности, тъй като стойността на техния вискозитет (η) зависи от напрежението на срязване (p) - съотношението на силата, приложена тангенциално към пробата към повърхността на единицата (фиг. 17).
Причините за вискозитетната аномалия се крият в наличието на структурен вискозитет в такива системи. Структурният вискозитет е допълнителен вискозитет, дължащ се на допълнително съпротивление на потока от страна на вътрешни надмолекулни пространствени структури - мрежи, нишки, големи капки емулсии. Вискозитетът на такива системи не остава постоянен с увеличаване на напрежението на срязване, но рязко спада, докато достигне постоянна стойност, но на по-ниско ниво поради разрушаването на структурата (фиг. 18).
Фиг. 17. Зависимост на вискозитета на разтвори на нискомолекулни вещества на нютонови течности (1) и разтвори на HMS (2) от напрежението на срязване
Това свойство е особено изразено при полимери с дълги линейни молекули, като каучук. Разтвори на полимери със същото молекулно тегло, но със сферична форма на молекулите, имат по-нисък вискозитет. Оттук следва, че вискозитетът на полимерните разтвори нараства пропорционално на асиметрията на техните молекули. При същата химическа структура вискозитетът се увеличава с увеличаване на молекулното тегло. Това също зависи от концентрацията на полимера и междумолекулните сили на взаимодействие.
Ориз. 18.Промяна в структурата на HMS разтвори с нарастване на напрежението на срязване
Областта на постоянство на вискозитета на аномално вискозни течности се нарича псевдопластична област. По-нататъшното увеличаване на напрежението на срязване води до увеличаване на коефициента на вискозитет, което е свързано с турбулентност.
Експерименталните данни показват, че колоидните аномално вискозни системи могат да текат дори при много ниско налягане, докато вискозитетът остава постоянен, но много висок. Такова течение се нарича пълзене.
Повишаването на налягането рязко намалява вискозитета на пълзящите системи, докато не настъпи втората област на постоянство на вискозитета, псевдопластичната.
Аномалиите във вискозитета са причинени от редица причини.
1. Образуване на структура - процесът на агрегация на частици от колоидни разтвори, суспензии, разтвори на ВМС и образуването на пространствени лесно разрушими структури.
2. Промяна в ориентацията на продълговати частици и макромолекули в потока с увеличаване на градиента на скоростта.
3. Деформация на намотки от полимерни макромолекули или капки емулсии в поток.
С повишаване на температурата вискозитетът на структурираните системи рязко намалява поради разрушаването на структурата. С понижаването на температурата делът на структурния вискозитет се увеличава значително.
За характеризиране на вискозитета на разтворите се използват стойностите на относителния и специфичния вискозитет. Относителният вискозитет ηrel се изчислява по уравнението:
където η е вискозитетът на разтвора; ηо е вискозитетът на разтворителя. За да изчислите специфичния вискозитет, използвайте съотношението:
Вискозитетът на HMS разтворите се увеличава с увеличаване на тяхната средна моларна маса; следователно, вискозитетът на полимерните разтвори често се характеризира с намален вискозитет ηpr:
където Sosn - концентрация в основни молове:
Намаленият вискозитет се увеличава снарастваща концентрация (фиг. 19).
Намаленият вискозитет на безкрайно разреден разтвор се нарича присъщ вискозитет [η].
Ориз. 19. Графика на намаления вискозитет спрямо концентрацията
Разтворите за IUD са истински решения, т.е. хомогенни, термодинамично стабилни, без нужда от стабилизатор и спонтанно образувани системи. Въпреки това, разтворите на HMS се разглеждат в колоидната химия, тъй като размерите на техните молекули се доближават, а в някои случаи дори надвишават размера на колоидните частици. В допълнение, разтворите на HMS в "лоши" разтворители съдържат молекули или агрегати от молекули с подчертана междуфазна повърхност. В концентрираните HMS разтвори обикновено се появяват доста големи асоциати на молекули, които могат да се разглеждат като втора фаза. И накрая, HMS разтворите, поради големия размер на техните молекули, имат редица свойства на лиозолите: сходство на оптичните свойства, ниска скорост на дифузия и ниско осмотично налягане. Всичко това дава възможност да се разглеждат много проблеми едновременно както за колоидни разтвори, така и за HMS разтвори.
За разлика от золите, осмотичното налягане на HMS разтворите е значително и може да бъде измерено с достатъчна точност, което се използва за определяне на тяхното молекулно тегло.
С увеличаване на концентрацията на ВМС тяхното осмотично налягане престава да се подчинява на закона на Ван Хоф (π = cRT) и расте по-бързо, а експериментално получената крива лежи над теоретичната права линия.
Ориз. 20. Зависимост на осмотичното налягане от концентрацията на разтвора: 1 - разтвор на IUD; 2 - разтвор на неелектролит с ниско молекулно тегло
Причината за отклонението от законите на van't Hoff е гъвкавостта на веригите на IUD, които се държат като няколко къси молекули. За изчисляване на осмотичнитеналягане на HMS разтвори, се предлага уравнението на Халер:
където c е концентрацията на разтвора на ВМС, g/l; M - моларна маса, g/mol; b е коефициент, който отчита гъвкавостта и формата на молекулата на IUD в разтвора.
В сложните биологични системи общото осмотично налягане се създава както от нискомолекулни електролити и неелектролити, така и от биополимери. Компонентът на общото осмотично налягане, който се дължи на наличието на протеини и други колоидни частици, се нарича онкотично налягане. Делът на онкотичното налягане е сравнително малък: той е приблизително 0,5% от общото осмотично налягане (≈3,1 kPa), но отклонението на тази стойност от нормата води до сериозни нарушения във функционирането на организма.