Теоретичні відомості. Високомолекулярні сполуки (ВМС) отримали свою назву завдяки великій величині їхньої молекулярної маси

Високомолекулярні сполуки (ВМС) отримали свою назву завдяки великій величині їхньої молекулярної маси, яка відрізняє їх від низькомолекулярних сполук (НМС). До високомолекулярних сполук прийнято відносити речовини з молекулярною масою не менше 5000. Таку велику молекулярну масу можуть мати тільки хімічні речовини, молекули яких складаються з багатьох сотень атомів. Молекули ВМС внаслідок великих розмірів та мас називають макромолекулами.

Всі макромолекули ВМС незалежно від будови мономерної ланки мають ланцюгову будову. У процесі синтезу лінійне розташування у ланцюгу може порушуватися, можуть утворюватися просторові або зшиті структури макромолекул. Так, природний каучук має лінійне розташування ланок у ланцюгу, крохмаль – розгалужене, а вулканізований каучук (гума) є типовим прикладом зшитої структури.

Розчини ВМС мають властивості як істинних, так і колоїдних розчинів, а також проявляють специфічні властивості, що притаманні тільки ВМС, наприклад, набухання та драглеутворення.

ВМС у споріднених розчинниках утворюють молекулярні (істинні)розчини. Розчини ВМС утворюються довільно зі зменшенням вільної енергії і тому вони термодинамічно стійкі. Стійкість розчину ВМС визначається тим, що зв’язок між макромолекулами слабший, ніж зв’язок між макромолекулами і молекулами розчинника. Тому сухий залишок ВМС при додаванні до нього розчинника переходить у розчин. Розчини ВМС можуть бути як молекулярними, так і іонними. В усіх випадках вони є гомогенними системами. Всі перераховані ознаки характерні для істинних розчинів.

Розчини ВМС мають і деякі властивості ліофобних колоїдних розчинів, оскільки розміри макромолекул ВМС відповідають розмірам частинок високодисперсних систем – 10^-7÷10^-9м. Макромолекули ВМС не проходять крізь напівпроникні мембрани. Макромолекули розчинів ВМС подібно частинкам колоїдних розчинів здатні до броунівського руху і дифузії, а також до розсіювання світла. Для розчинів ВМС характерні осмос, зворотний осмос і ультрафільтрація. Макромолекули ВМС в рідкому середовищі можуть утворювати суспензії, емульсії, піни. Для них характерні такі поверхневі явища, як адсорбція та адгезія.

ВМС розчиняються лише у тих розчинниках, до яких вони ліофільні: гідрофільні полімери розчиняються у воді та інших полярних розчинниках, а олеофільні – у вуглеводневих. Наприклад, желатин при нагріванні розчиняється у воді і утворює істинний розчин, тому що до його складу входять полярні групи –СООН і –NH₂, які мають спорідненість до води. Якщо воду замінити на спирт, тоді істинний розчин желатину переходить у колоїдний і утворюється гель. Каучук розчинний у бензолі, бензині та інших вуглеводнях, але не розчинний у воді і утворює у водному середовищі колоїдні розчини, які називають латексами.

Розчини ВМС мають і специфічні властивості: їм притаманна висока в’язкість і здатність до набухання і драглеутворення.

Процес розчинення високомолекулярних сполук проходить у дві стадії. Перша стадія – це набухання ВМС, а друга – безпосередньо розчинення. Набухання – це мимовільний процес поглинання молекул розчинника (НМС) молекулами ВМС, що супроводжується значним збільшенням об’єму та маси полімеру. Воно характеризується ступенемнабухання α:

(12.1)

де m₀, m – маси наважки ВМС до і після набухання; m_p – маса поглиненої рідини.

Ступіньнабухання – це кількість рідини, що поглинається одиницею маси ВМС. Ступінь набухання змінюється в широких межах і для природних ВМС може досягати 1600%.

Причиною набухання є різниця властивостей двох компонентів ВМС і НМС (розчинника), тобто низькомолекулярної сполуки. Специфіка набухання полягає в тому, що взаємодіють і змішуються молекули різного розміру і вони, відповідно, мають різні швидкості дифузії. Тому перехід макромолекул в фазу розчинника відбувається дуже повільно, тоді як молекули НМС дуже рухливі, вони швидко дифундують в сітку полімеру, розсувають ланцюги і збільшують його об’єм.

Здатність до набухання – це специфічна властивість високомолекулярних сполук, яка залежить від їхнього складу та будови і визначається сольватацією макромолекул. Тому набухання завжди супроводжується виділеннямтеплоти () і збільшенням об’єму полімеру, а об’єм усієї системи (полімер + розчинник) зменшується. Зменшення об’єму системи (її стиснення) в цілому при набуханні називається контракцією.

Процес набухання може бути обмеженим або необмеженим. Набухання називається обмеженим, якщо в надлишку розчинника ВМС набухає до певної межі і цей процес закінчується утворенням драглів, а не розчиненням ВМС. Прикладом обмеженого набухання є набухання желатину у холодній воді. Обмежено набухлий полімер називається драглі.

Набухання вважається необмеженим, якщо в надлишку розчинника драглі полімеру мимовільно переходять в розчин із зростанням ентропії системи. Прикладом необмеженого набухання є желатин у гарячій воді.

Для одного й того ж ВМС і розчинника можна одночасно спостерігати обмежене і необмежене набухання. Наприклад, 10÷20 % крохмалю у гарячій воді розчиняється, а решта – обмежено набухає. Цей процес залежить від будови макромолекул крохмалю, кількості його складових частин (амілозитаамілопектину

Процес набухання описується кінетичним рівнянням першого порядку:

(12.2)

де – швидкість набухання на момент часу t; α – ступінь набухання в момент часу t, α_∞ – граничний (максимальний) ступінь набухання; К – константа швидкості набухання.

Величини граничного ступеня набухання α_∞ та константи швидкості набухання К можна визначити графічно. Для цього експериментально визначають залежність ступеня набухання від часу, розраховують швидкість набухання в певні моменти часу та будують пряму в координатах (рис. 9.1). Відрізок, що відсікає пряма на осі ординат, дорівнює α_∞, а на осі абсцис – К α_∞.

Рис. 9.1. Залежність ступеня набухання від швидкості набухання полімеру

Набухання протікає в чотири стадії. На першій стадії відбувається сольватація (гідратація) ВМС. При цьому виділяється теплота . На другій стадії молекули розчинника дифундують у макромолекули ВМС, полярні молекули розчинника утворюють сольватний (гідратний) шар, відбувається відштовхування однойменних зарядів сольватних оболонок і слабкі зв’язки між макромолекулами рвуться.

На третій стадії спостерігається взаємне проникнення молекул ВМС і НМС. Об’єм набухлого полімеру стає ще більший. На цій стадії теплота сольватації майже не виділяється (), але зростає ентропія, що пов’язано з частковим вивільненням макромолекул і збільшенням числа їх конформацій , . Таким чином, третя стадія набухання обумовлена ентропійним ефектом. На четвертій стадії утворюється гомогенна система – розчин. Якщо процес набухання протікає в чотири стадії, то має місце необмежене набухання. Якщо ж процес обмежується другою або третьою стадією набухання – це обмежене набухання, утворюються драглі.

На ступінь набухання та розчинення ВМС впливають різні фактори. В першу чергу, це природа полімеру і розчинника. Полярні полімери добре розчиняються у полярних розчинниках, а неполярні – в неполярних органічних рідинах.

З підвищенням в’язкості розчинника швидкість його дифузії в макромолекули ВМС зменшується, що викликає сповільнення процесу набухання.

Температура і тиск впливають на набухання (розчинення) за принципом Ле Шательє. Оскільки набухання відбувається з виділенням теплоти, то з підвищенням температури ступінь набухання зменшується, але швидкість набухання зростає завдяки збільшенню швидкості дифузії.

При збільшенні молекулярної маси полімеру процеси набухання протікають повільніше, а розчинність зменшується.

Набухання поліелектролітів у воді залежить від рН середовища. Розглянемо це явище на прикладі білків, молекули яких містять полярні групи –NH₂ та –СООН.

У кислому середовищі при надлишку іонів Н⁺ желатин, завдяки іонізації аміногруп, заряджається позитивно, диполі води електростатично притягуються і орієнтуються – відбувається гідратація макромолекул. Під впливом однойменних позитивних зарядів і електростатичного відштовхування відбувається розтягування ланцюгів білка. У таких випадках гідратація супроводжується набуханням желатину.

NH₃⁺ NH₃⁺

R + H⁺ → R

COO^- COOH

В лужному середовищі виникає дисоціація кислотних груп, желатин заряджається негативно і набухає.

NH₃⁺ NH₃OH

R + OH^- → R

COO^- COO^-

Таким чином заряд білка буде залежать від рН середовища і від співвідношення карбоксильних і амінних груп у макромолекулі. Ізоелектричнаточка (ІЕТ) – це таке значення рН, при якому кількість іонізованих основних і кислотних груп в молекулі білку однакова і макромолекули згортаються в щільний клубок або спіраль. При цьому ступінь набухання білка мінімальний. При збільшенні або зменшенні рН від ізоелектричної точки однойменно заряджені групи відштовхуються, макромолекули розгортаються і набухання збільшується.

Значення рН ізоелектричної точки для деяких білків складає: казеїн – 4,6; желатин – 4,7; яєчний альбумін – 4,8; глобулін – 5,4; гліадін пшениці – 9,8.

При введенні електролітів в розчини ВМС спостерігається процес висолювання. При висолюванні відбувається боротьба за воду між макромолекулами та іонами. Іони електроліту зменшують кількість вільної води, що припадає на макромолекули ВМС. Це викликає виділення ВМС з розчину, тобто драглеутворення.

Висолювання із водних розчинів ВМС може відбуватися і при додаванні спирту, ацетону та інших органічних розчинників. Ці речовини з водою гідролізуються. Вони руйнують гідратну оболонку, знижують розчинність ВМС і утворюють осад. Це явище використовують для виділення із водних розчинів білків, а часто і для розділення їх на фракції. Для цього спирт добавляють порціями, спочатку випадають білки з великою молекулярною масою, тому що їх розчинність менша. При додаванні наступних порцій спирту в осад випадають білки з меншою молекулярною масою.

Швидкість і ступінь набухання полярних ВМС у воді зменшуються з додаванням спирту та інших нерозчинників, молекули яких добре гідратуються водою і тому є дегідратуючими агентами для полімеру.