Лекция 4. Физические свойства биополимеров.
Белки и нуклеиновые кислоты – представляют собой высокомолекулярные соединения. Физика полимеров, занимающаяся их физическими свойствами, установила общие закономерности, которые применимы и к биологическим полимерам. Каковы же основные физические свойства, присущие высокомолекулярным соединениям? Несмотря на разнообразие явлений, физические свойства полимеров определяются тремя основными факторами:
1. Число мономерных звеньев N в цепи велико: N >> 1;
2. Мономерные звенья связаны в цепь. Это означает, что они не в состоянии двигаться совсем независимо друг от друга (в отличие от систем несвязанных частиц, таких как низкомолекулярные газы или жидкости) а также, что полимерные системы бедны энтропией.
3. Полимерные цепи в основном гибкие.
Одними из основных характеристик полимерных цепей является их полимерность и молекулярный вес (1 дальтон равен 1/12 атомной массы углерода). Молекулы полимеров состоят из мономерных единиц и характеризуются степенью полимеризации Р. Степень полимеризации связана с молекулярным весом М соотношением Р=М/м, где м – молекулярный вес мономерной единицы. При этом надо понимать условность понятия "молекулярный вес мономера", т.к. речь идет не о молекуле, а об отдельном звене молекулы. Можно также записать М=мР.
Вообще для полимерных соединений понятия точного молекулярного веса не существует. Для низкомолекулярных химических соединений величина молекулярного веса – это константа, характеризующая индивидуальность химического соединения. Изменение молекулярного веса всегда свидетельствует о переходе к другому веществу и сопровождается существенным изменением химических и часто физических свойств, например, температурой кипения и т.д. Для полимерных молекул изменение молекулярного веса практически не изменяет физические свойства в рамках полимеров, имеющих в своем составе одинаковые мономерные составляющие. Например, изменение мол.веса в ряду полиэтилена в 10 раз практически не изменяет температуру кипения. Молекулярный вес высокомолекулярных соединений является величиной среднестатистической, а не константой. Поэтому в химии и физике полимеров вводится понятие среднего молекулярного веса. Средний молекулярный вес складывается из суммы произведений молекулярных весов компонентов, входящих в состав полимера на долю каждого из компонентов в составе полимера или еще говорят "в смеси полимергомологов": <M>= M1a1 + M2a2 +…Если усреднение производится по массе компонентов, то молекулярный вес каждого компонента необходимо умножить на весовую долю f= масса компонентов с мол.в. Мк/общая масса молекулы = МкNr/ åMiNi.
При этом получается значение средневесового молекулярного веса:
<Mв> = M1f1+M2f2+M3f3+…+Mxfx = M1(M1N1/åM1N1) + …= åMi2Ni/åMiNi
При определении среднечисленного молекулярного веса усреднение производится по числу компонентов, т.е.
<Mч> = M1(N1/åN) + M2(N2/åN) + …=åMiNi/åNi = 1/(åNi/åMiNi
Величина среднего молекулярного веса полимера не может однозначно характеризовать его свойства, так как при одинаковом среднем молекулярном весе различные образцы полимера могут отличаться по соотношению количеств различных полимергомологов. Для описания количественного распределения полимергомологов вводится понятие полидисперсности макромолекул, т.е. распределение компонентов по молекулярным весам. Степень полидисперсности определяется как отношение средневесового молекулярного веса к среднечисленному молекулярному весу. Можно построить кривые распределения полимера по молекулярному весу (рис). Чем более однороден по молекулярному весу полимер, тем уже кривая распределения. Средневесовой молекулярный вес определяют различными химическими методами, например, осмометрией. Среднечисленный молекулярный вес определяют с помощью вискозиметрии или светорассеяния, седиментационным методом. Высокий молекулярный вес приводит к отсутствию у высокополимерных соединений газообразного агрегатного состояния, т.к. у них практически полностью отсутствует такое физическое свойство как летучесть. При нагревании при определенной температуре наступает термическое разложение с разрывом химических связей и перегруппировкой атомов.
Модели полимерных цепей. Гибкость полимерной цепи.
Чтобы получить количественные характеристики макромолекул (размеры – линейные, объемные и проч.) необходимо иметь модельные представления о строении полимера. Существует несколько моделей полимерных цепей, позволяющих построить теории по определению различных физических свойств полимеров. Простейшей моделью является свободно-сочлененная цепь, в которой все значения валентных углов и углов вращения представляются равновероятными. Эта модель, будучи далека от действительности, благодаря своей простоте широко используется в физике полимеров. Она удобна для построения теории исключенного объема, теории эластичности полимеров. Любую достаточно длинную макромолекулу можно представить как свободно-сочлененную цепь, если считать, что цепь состоит из шариков, соединенных жесткими связями, и на шарики действуют силы, создаваемые другими частями цепи и молекулами растворителя.
Уважаемый посетитель!
Чтобы распечатать файл, скачайте его (в формате Word).
Ссылка на скачивание - внизу страницы.