Теоретична част – Студиопедия
Разтворите на високомолекулни съединения често се разглеждат в колоидната химия в раздела „Лиофилни золи“. Но те са коренно различни от колоидните системи. Разтворите на HMS (молекулярни колоиди) са хомогенни термодинамично стабилни обратими системи, които се образуват спонтанно при разтваряне на HMS в разтворител, който взаимодейства добре с него. Това са наистина молекулярни разтвори. При колоидните системи те се обединяват от размера на частиците. Молекулите на IUD са макромолекули. Това е свързано със сходството на оптичните свойства, ниската скорост на дифузия, ниското осмотично налягане. При определени условия (например при замяна на разтворител) ВМС могат да образуват не само истински разтвори, но и типично колоидни системи - золи.
Въпреки това, поради редица свойства, поради големите размери на макромолекулите, разтворите на IUD се доближават до колоидните разтвори, поради което се изучават в курса на колоидната химия. 23 показва някои свойства на разтворите на IUD в сравнение със свойствата на истинските и колоидните разтвори.
Процесът на разтваряне на ВМС се различава от разтварянето на вещества с ниско молекулно тегло. Разтварянето на полимера се предшества от набъбване. При набъбване молекулите на разтворителя интензивно проникват в твърдия полимер, образувайки с него силни солватни комплекси (желе). Желето е по същество наситен разтвор на течност с ниско молекулно тегло в полимер и може да се разглежда като система, състояща се от пространствена мрежа, от частично свързани помежду си макромолекули и от молекули на разтворителя, които запълват пространството между макромолекулите. В желето дисперсната фаза е разтворителят, чиито молекули са разпределени в разтворимата HMC, както в дисперсионна среда.
Набъбване – проникване на молекули на разтворителя в средатамакромолекулно съединение и свързаното с това увеличаване на неговата маса и обем.
Свойства на разтвори на високомолекулни съединения
| Индекс | Решения | ||
| ВМС | колоиден | вярно | |
| образование | спонтанен | неспонтанен | спонтанен |
| Термодинамична стабилност | устойчиви | нестабилен | устойчиви |
| обратимост | обратими | необратим | обратими |
| Разнородност | хомогенен | разнородни | хомогенен |
| Размер на частиците (радиус), m | 10 -9 …10 -7 | 10 -9 …10 -7 | 10-11 |
| Оптични свойства | разсейване на светлината | разсейване на светлината | Абсорбция и предаване |
| дифузия | тебеширен | бавен | бърз |
| Връзка с диализата | не е диализиран | не е диализиран | диализиран |
В зависимост от условията полимерът може да увеличи масата и обема си 10-15 пъти. Набъбването може да бъденеограничено, когато крайният му резултат е преминаването на полимера в разтвор (разтваряне), иограничено, ако набъбването не достигне разтварянето на полимера, полимерът преминава в желеобразно състояние. Пример за полимер с ограничено набъбване е вулканизиран каучук, в който серни атоми или полярни групи служат като мостове.
Количественото набъбване е степента на набъбване α, която може да има израз на маса или обем.
или
където V0 и V, m0 и m са съответно обемите и масите на първоначалния и набъбващия полимер.
Процесът на подуване зависи от много фактори: естеството на спиралата иразтворител, температура, налягане на парите на разтворителя, електролитни добавки и др. Подуването играе важна роля в жизнената дейност на организмите.
Свойства на разтворите на IUD.
Високомолекулните вещества могат да образуват истински или колоидни разтвори (дисперсии). Естеството на разтвора зависи от афинитета на ВМС към разтворителя. В разтворители, чиято полярност съответства на полярността на HMC, разтварянето става с образуването на молекулни разтвори (например агар-агар и желатин във вода).
Под въздействието на електролити и неразтворители протича процесът на изолиране на ВМС от разтвора -изсоляване Външно този процес е подобен на коагулацията, тъй като ВМС се освобождават под формата на люспи, влакна и пресовани утайки. Въпреки това, ако са необходими малки количества електролит за коагулация на хидрофобни золи под действието на електролит и процесът на коагулация често е необратим, тогава голяма концентрация на електролит се изразходва за разрушаването на воден разтвор на HMW и се наблюдава неподчинение на правилото на Шулце-Харди. Осоляването е обратим процес. Механизмът на изсоляване на спиралата се основава на процеса на дехидратация. Изсоляващият ефект на електролита не е свързан със заряда на йона, а се определя само от способността му да хидратира. Колкото повече вода е необходима за хидратирането на йона, толкова по-малко остава за разтворимостта на IMC и толкова по-лесно е изсоляването му.
По-силен изсоляващ ефект предизвикват анионите, които според силата на изсоляващото действие се подреждат в лиотропен ред:
В подобен ред, но с по-малък ефект върху изсоляването, се намират и катионите:
Активността на изсоляване на йоните е свързана с техния радиус и способност за солватиране. Колкото по-малък е радиусът на йона, толкова по-голяма е неговата солватираща способност поради по-високата плътност на заряда на йонната повърхност.
В някои случаи по време на изсоляването се наблюдавакоацервация. Състои се в разделянето на полимерния разтвор на два слоя: разтвор на HMC в разтворител и разтвор на разтворител в HMC. Разтвор, по-богат на макромолекулно вещество, обикновено се освобождава под формата на малки капчици, които след това могат да образуват непрекъснат слой.
Разтворите на високомолекулни съединения имат значителен вискозитет, който бързо нараства с увеличаване на концентрацията на разтворите. Увеличаването на концентрацията на макромолекулни разтвори, добавянето на вещества, които намаляват разтворимостта на полимера, промяната на рН на разтвора и често понижаването на температурата водят до желиране, т.е. превръщането на силно вискозен, но течен разтвор в желе, което запазва формата си. По време на образуването на желе между полимерните макромолекули възникват молекулярни кохезионни сили, водещи до образуването на пространствена мрежеста рамка, клетките на която са пълни с течен разтвор. Образуването на желе може да се разглежда като начален етап на коагулация или като начало на процеса на разделяне на разтвора на IUD на две фази.
Желата се образуват предимно от високи полимери с гъвкави макромолекули. Благодарение на гъвкавостта на пространствената мрежа, желето лесно се деформира и компресира по време на сушене, така че чрез сушене може да се получи напълно сух полимер, който запазва еластичността. Той отново може да набъбне в подходящ разтворител. Процесът е обратим и може да се повтаря многократно.
За разлика от желетата,геловете са двуфазови хетерогенни системи, образувани от високи полимери с твърди макромолекули. Поради твърдостта на частиците и цялата рамка на гела, обемът му намалява относително леко при изсушаване. Тъй като разтворителят се отстранява, макромолекулите се приближават една към друга, но до определена граница поради големиятвърдост. Постепенно разтворителят в клетките се заменя с въздух, след което остава пореста маса, която е пронизана от най-тънките капиляри и пълни с въздух кухини - твърда пяна. След изсъхване геловете губят способността си отново да образуват разтвори, т.е. са необратими системи.
Много гелове и желета, под въздействието на механични въздействия по време на разбъркване, разклащане, могат да се втечнят, да се превърнат в золи или полимерни разтвори и след това, когато се съхраняват в покой, да желират отново. Такава трансформация може да се случи няколко пъти, тя протича изотермично и се наричатиксотропия.
По време на съхранението на гелове и желета настъпват промени в системите, свързани с агрегацията на частиците. В резултат рамката на желето постепенно се свива в по-плътна маса и подвижната течна фаза се ексфолира. На повърхността на желето първо се появяват отделни капки течност, които в крайна сметка се превръщат в непрекъсната маса; самото желе намалява обема си и става по-малко еластично. Такъв процес на спонтанно ексфолиране на желето се наричасинерезис. По правило този процес е необратим и показва стареене на желето или гела.
Разтвори на електролити с високо молекулно тегло. Електролитите или полиелектролитите с високо молекулно тегло съдържат йоногенни групи, които могат да претърпят процеси на електролитна дисоциация. Протеиновите молекули като продукти на кондензация на аминокиселини съдържат основни групи -NH2 и киселинни -COOH. Такива съединения се наричат амфолити, т.е. те са способни да се дисоциират както в киселинен, така и в основен тип, в зависимост от pH на средата. Във воден разтвор аминокиселините и протеините са предимно под формата на биполярни йони (вътрешни соли):
В кисела среда, когатоизлишъкът от водородни йони потиска йонизацията на карбоксилните групи, протеиновата молекула се държи като основа, придобивайки положителен заряд:
В алкална среда, напротив, йонизацията на аминогрупите се потиска и протеиновата молекула се държи като киселина:
Въпреки това, при определена стойност на рН, степента на дисоциация на амино и карбоксилните групи придобива същата стойност и след това протеиновите макромолекули стават електрически неутрални. Такова състояние на протеинова молекула се наричаизоелектрично. В това състояние свойствата на протеиновите разтвори се променят драматично: вискозитетът намалява, разтворимостта на протеина намалява, дори формата на макромолекулите се променя.
Стойността на pH, съответстваща на изоелектричното състояние на протеините, се наричаизоелектрична точка (IEP).
Стабилност на разтворите на HMC. Всички процеси на нарушаване на стабилността на разтворите на HMC са свързани с прехода от пълно към ограничено разтваряне или неразтваряне на HMC, когато към тях се добавят други разтворители или електролити. В този случай или силата на разтваряне на разтворителя намалява, както в случая на добавяне на ацетон към разтвор на каучук в бензен, или добавеният електролит "издърпва" разтворителя върху себе си, както в случая на изсоляване на водни разтвори на биополимери.
Изолирането на ВМС от разтвора става, когато към него се добави електролит, чието количество е с 3-5 порядъка по-високо от прага на коагулация и не се подчинява на правилото на Шулце-Харди. Процесът е обратим. След отстраняване на електролита от утайката чрез диализа, IUD отново е в състояние да се разтвори.
Под въздействието на високи и ниски температури, под действието на концентрирани киселини и основи, лъчиста енергия, ултразвук, механично въздействие, високо налягане в белтъчните разтвори настъпва тяхното специфично необратимо утаяване, т.нар.денатурация.
Протеинова електрофореза. Биологичните макромолекули - протеини, нуклеинови киселини, полизахариди, които са полиелектролити, са в разтвор под формата на заредени частици. Под действието на електрическо поле заредените частици се придвижват към катода или анода в зависимост от знака на общия им заряд. Това явление се наричаелектрофореза.
Не намерихте това, което търсихте? Използвайте търсачката: