Високомолекулярні сполуки. Властивості високомолекулярних полімерів. Високомолекулярні електроліти - білки. Ізоелектрична крапка білку

Лекція 6. Високомолекулярні сполуки

План

1.  Властивості високомолекулярних полімерів.

2.  Високомолекулярні електроліти - білки.

3.  Ізоелектрична крапка білку.

1.         Високомолекулярними називаються речовини (ВМС), молекулярна маса яких сягає від 100000 до декількох мільйонів

Температура кипіння таких речовин вище ніж температура їх розкладання , тому вони існують як правило в рідкому чи твердому стані.

Розрізняють природні ВМС (неорганічні : алмаз, глини, слюда; органічні - білки, поліцукри, вовна) та штучні (різні волокна, тканини, пластмаси та ін).

Методи одержання штучних ВМС основані на таких типах реакцій:

-  полімеризації – сполучення молекул мономерів з утворенням макромолекул, що по елементному складу не відрізняються від мономеру :n (СН₂=СН₂)à(-CH₂-CH₂-)n

-  -поліконденсації – сполучення мономерів, що упроводжується виділенням води або іншої низькомолекулярної сполуки (Наприклад утворення нейлону )

-  сополімеризація – сполучення двох і більше мономерів різного складу

Ступенем полімеризації – n- називають число, що показує скільки разів повторюються ланцюги в макромолекулі.

По будові макромолекул ВМС виділяють :

-  Лінійні полімери (поліетилен) вони мють високі еластичі властивості, здатні розчинятися. Утворюють нитки, волокна.

-  Просторові полімери утворюються , коли мономери, що утворюють полімер мають більше двох функціональних груп. Вони менш еластичні, мають більшу твердість , менш розчинні, але здатні до набухання – (фенол формальдегідні смоли)

-  Розгалужені полімери – утворюються з мономерів, що мають більше двох функціональних груп. Їх властивості – середні між розглянутими першими двома групами – Приклад – крохмаль

Розрізняють ВМС – електроліти і неелектроліти

Властивості розчинів ВМС можна розглядати як властивості справжніх молекулярних розчинів і як властивості ліофобних золів.

З молекулярними розчинами їх поєднує :

- агрегативна стійкість

- активна взаємодія частинок ВМС з рідким середовищем

- гомогенність,

- відсутня поверхня поділу фаз, що робить систему нестійкою.

Одночасно існують властивості, що поєднують розчини ВМС з колоїдними розчинами:

-  великі розміри молекул ВМС (відповідають розмірам міцел)

-  не здатні проходити крізь мембрани (великі розміри молекул)

-  не значна швидкість дифузії

При взаємодії ВМС з розчинником відбувається набрякання – процес збільшення об’єму та маси полімеру при контакті з розчинником. (збільшення в10-15 разів)

Кількісною мірою набрякання є ступінь набрякання - a

де m₀ ,V₀ – маса  або об’єм сухого полімеру,  m, V – маса та об’єм полімеру після набряку

Причина набрякання в різниці властивостей ВМС і розчинника. Молекули ВМС на декілька порядків по розмірам і по рухливості відрізняються від молекул розчинника. Тому перехід макромолекул у фазу розчинника відбувається дуже повільно, а молекули розчинника швидко проникають в сітку полімеру, розсовуючи його ланцюги і збільшують об’єм.

Але набрякання це не простий процес проникнення - це є міжмолекулярна взаємодія , наслідком якої є гідратації молекул. Тому процес набрякання дуже специфічний : полімер набрякає лише в тому випадку коли розчинник з яким контактує ВМС підходять дин одному по своїй природі– «подібне в подібному».

Обмеженість набрякання визначається співвідношенням між енергією решітки ВМС, енергії гідратації та ентропійного фактору.

Лінійні молекули набрякають при підвищених температурах в «добрих»розчинниках дуже сильно.

Просторові ВМС – набрякають обмежено, так як енергія на розсування решітки ВМС більша ніж виграш енергії гідратації.

            Лінійний полімер – натуральний каучук – необмежено набрякає в бензолі, а вулканізований каучук (просторова структура) обмежено набрякає в бензолі. Введення в полімер полярних груп зменшує набрякання в неполярних розчинниках і збільшує в полярних.

Процес набрякання відбувається самовільно

На першій стадії – відбувається сольватація молекул виділяється енергія – набрякання незначне.

На другій стадії теплота не виділяється , але відбувається розсовування решітки ВМС – зростає ентропія системи – відбувається максимальний процес набрякання.

Набрякання може закінчитися повним розчиненням - необмежене набрякання.

Розчинення ВМС супроводжується зменшенням енергії Гіббса отже утворюються термодинамічна стійка система.

Однак слід сказати, що в розчинниках, які не відповідають природі ВМС молекули ВМС згортаються в клубок. При цьому виникає між фазна поверхня, система стає гетерогенною – не стійкою.

2. Високомолекулярні електроліти – ВМС здатні в розчинах дисоціювати з утворенням іонів.

В залежності від природи іонів ВМС поділяють:

- кислотні – що мають кислотні групи - -СОО^-;

- основні – що мають групу –NH₃⁺

- поліамфоліти - що мають як кислотні групи - -СОО^- так і групу –NH₃⁺. До останніх відносяться білки.

Структура білку :

- Молекули білків складаються з амінокислот, що мають кислотні та основні групи

 

де R – достатньо великий вуглеводневий радикал.

В кислому середовищі дисоціація карбоксильної групи практично не відбувається і білок веде себе як слабка основа:

Внаслідок розглянутої взаємодії білок набуває позитивного заряду, сили відштовхування сприяють розгорненню молекули в лінійну.

В лужному середовищі (NaOH) дисоціація групи NH₃OH практично не відбувається і білок веде себе як слабка кислота

Молекула набуває негативного заряду і також намагається розгорнутися. Таким чином в лужному чи кислому середовищі молекула білку має певний заряд і лінійну структуру.

 Підбираючи певне значення рН білкового розчину можна досягнути – ізоелектричного стану білку –

стан білкової молекули , при якому позитивні та негативні заряди взаємно компенсовані.

 Молекулу білка в такому стані можна вважати нейтральною, хоча вона має певні функціональні групи. В цьому стані молекула білку згорнута в клубок або спіраль.

Ізоелектрична крапка білку – (ІКБ) це значення рН при якому білок переходе в ізоелектричний стан.

В більшості випадків білок є більш сильна кислота , тому ІКБ має значення рН <7. Отже для одержання ізоелектричного стану в розчині має бути незначний надлишок кислоти.

Як показують спостереження в ізоелектричному стані білковий розчин має найменшу в’язкість , що пов’язане із зміною форми макромолекул. В розгорнутому стані молекули білку займають більший об’єм і як наслідок розчин має більшу в’язкість.

На форму білка впливає не тільки середовище, але і введення в розчин індиферентного електроліту. Невеликі кількості електроліту знижують дисоціацію функціональних груп, і молекула лишається скрученою в клубок чи спіраль.

При великих концентраціях електроліту відбувається висолювання – зменшується розчинність білку, а макромолекули його утворюють щільні клубки. Дія іонів на білкові розчини  відповідно ліотропного ряду катіонів та аніонів.

2.Термінологічний словник.

Високомолекулярні сполуки ВМС-

Набрякання

Ізоелектричний стан

Ізоелектрична крапка білку ІКБ

3. Рекомендована література