Общая характеристика и свойства растворов высокомолекулярных соединений

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И  НАУКИ РФ

Федеральное государственное  бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования

«Тамбовский государственный  технический университет»

 

 

Факультет «Нанотехнологий»

 

 

Кафедра «Химия наноматериалов»

 

 

Реферат по дисциплине  
«Поверхностные явления и дисперсные системы»

на тему: «Общая характеристика и свойства растворов высокомолекулярных соединений»

 

 

 

 

 

Выполнил: студент группы СХП31

 Еськов В.А.

 

 

Проверил: к.х.н., доцент

Зарапина И.В.

 

 

 

 

 

 

 

Тамбов 2013

 

 

Содержание

1.Общие характеристики растворов ВМС………………………………………3

2.Электрические, молекулярно-кинетические и оптические свойства растворов ВМС……………………………………………………………………5

3.Осмотическое давление растворов ВМС……………………………………...7

4.Светорассеяние и поглощение света…………………………………………..8

5.Набухание и растворение ВМС………………………………………………..8

6.Степень набухания и скорость набухания…………………………………...10

7.Факторы набухания……………………………………………………………11

8.Давление набухания…………………………………………………………...11

9.Нарушение устойчивости растворов ВМС…………………………………..12

10.Применение…………………………………………………………………...13

Заключение……………………………………………………………………….14

Список литературы………………………………………………………………15

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1.ОБЩИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ РАСТВОРОВ ВМС

         Многие высокомолекулярные соединения (ВМС) являются полимерами с молекулярной массой >10⁴. Молекулы биополимеров состоят из большого числа мономерных звеньев - повторяющихся одинаковых групп атомов.                  Структурные единицы ВМС - макромолекулы (10⁴-10⁶ г/моль). Размер макромолекул весьма велик по сравнению с размерами обычных молекул.        Например, если длина молекулы этана составляет несколько ангстрем, то длина некоторых линейных макромолекул составляет 4000- 8000 Ǻ (при поперечном размере 3-7,5 А). Моделью подобных молекул могут служить нити длиной от 800 до 1600 мм и диаметром 1 мм.

        Структурной химической основой организмов являются природные высокомолекулярные биополимеры: белки, нуклеиновые кислоты, полисахариды, пектины, натуральный каучук, а также биополимеры смешанного типа: липопротеиды, гликопротеиды и липополисахариды. Природные ВМС характеризуются постоянным значением молекулярной массы.

         Синтетические полимеры получаются в результате реакции полимеризации или поликонденсации. К ним относятся: полиэтилен, синтетический каучук, фенолформальдегидные пластмассы. Синтетические полимеры состоят из смеси макромолекул, различных по длине и массе.         Таким образом, ВМС - это обычные органические вещества, молекулы которых имеют очень большой размер.

            Практически все важные свойства ВМС тесно связаны с их строением. Различают три типа структуры цепей: линейную, разветвленную и пространственную (сетчатую) (рис. 1).

            Линейные ВМС представляют собой открытую линейную цепь (натуральный каучук, целлюлоза).

            Макромолекулы разветвленных ВМС имеют форму линейной цепи с ответвлениями (амилопектин, гликоген).

           Пространственные (сетчатые) ВМС, макромолекулы которых представляют собой трехмерные сетки, образованы отрезками цепного строения (например, фенолформальдегидные смолы). Из пространственных полимеров в особую группу выделяют полимеры со сшитой структурой, цепи которых сшиты короткими мостиками.

короткими мостиками.

Рис. 1. Схемы строения макромолекул полимеров: а - линейного; б - разветвленного; в - пространственного; г – сшитого.

Однако из всех структур именно линейной формой макромолекул определяются типичные свойства полимеров: каучуко подобная эластичность, способность образовывать прочные пленки и нити, набухать, давать при растворении вязкие растворы. Эти свойства цепных макромолекул и их растворов представляют наибольший интерес.

Растворы ВМС характеризуются следующими особенностями:

1. Растворы ВМС представляют собой гомогенные системы, являясь истинными растворами, где взвешенные частицы не содержат ядер, а представлены макромолекулами – молекулами гигантских размеров.

2. Растворение ВМС осуществляется с образованием менее упорядоченной системой и более упорядоченными.

Растворы ВМС образуются самопроизвольно с уменьшением  свободной энергии, они представляют собой термодинамически устойчивые системы, способные существовать без стабилизатора неограниченное время в весьма больших массовых и значительных молярных концентрациях.

3. В отличие от лиофобных коллоидов растворы ВМС представляют собой равновесные системы, к которым применимо правило фаз.

4. Растворы ВМС, подобно растворам низкомолекулярных соединений, могут быть и молекулярными, и ионными, причем в последнем случае природа зарядов связана с наличием функциональных групп.

5. ВМС способны образовывать не только истинные растворы, но и типичные лиофобные золи, если в качестве диспрессионной среды использовать такую жидкость, по отношению к которой данное высокомолекулярное вещество является лиофобным, т.е. не способным растворяться в нем.

6. Являясь истинными растворами, растворы ВМС отличаются от растворов низкомолекулярных соединений. Огромные размеры молекул являются ответственными за большинство физических свойств растворов ВМС, отличающихся от низкомолекулярных соединений. На поведение растворов ВМС сильное влияние оказывают форма и отдельные фрагменты строения микро молекул.

 

2.ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ, МОЛЕКУЛЯРНО-КИНЕТИЧЕСКИЕ И ОПТИЧЕСКИЕ С-ВА РАСТВОРОВ ВМС

Заряд частицы ВМС. Изоэлектрическая точка (ИТ). Одной из важных проблем, возникающих при изучении ВМС, является проблема появления на поверхности молекул заряда, который возникает по разным причинам.

Поверхность ВМС может иметь собственный  заряд, возникающий благодаря расположенным  на ней анионным и катионным группам.

Заряженная  поверхность является одной из особенностей крупных частиц, отличающей их от обычных низкомолекулярных растворенных веществ, наличия заряда у частиц.

Доказательством наличия заряда у частицы ВМС является ее поведение при электрофорезе: заряженная частица, присутствующая в растворе, в частности микромолекула, под действием электрических сил движется к электроду противоположного знака.

Для белков между  зарядом молекул и электрофоретической  подвижностью существует прямая пропорциональная зависимость в широком интервале  рН.

Значение  рН, при котором электрофоретическая  подвижность белка равна нулю, называется изоэлектрической точкой.

 

 

В кислой среде, когда в результате избытка водородных ионов подавлена ионизация карбоксильных групп, молекула белка ведет себя как основание, приобретает положительный заряд и при электрофорезе движется к катоду. В щелочной среде, наоборот, подавлена ионизация аминогрупп, и молекула белка ведет себя как кислота и при электрофорезе передвигается к аноду.

В изоэлектрическом состоянии свойства растворов белков резко меняется: при этом они имеют, наименьшую вязкость, плохую растворимость. При значении рН, близком к изоэлектрической точки, разноименно заряженное группы -NH₃⁺ и COO^- притягиваются друг к другу и нить закручивается в спираль. Молекулы ВМС в развернутом состоянии придают растворам более высокую вязкость, чем молекулы ВМС, свернутые в спираль или клубок.

Вязкость. Вязкость растворов, обычно выше вязкости растворов низкомолекулярных соединений и коллоидных растворов тех же концентраций. Высокую вязкость растворов ВМС объясняли большой сольватацией макромолекул. А.В. Думанский поэтому ввел уравнение Эйнштейна поправку, учитывающую сольватацию

где j – доля объема суспендированных частиц в единице объема суспензии

V – сольватный объем частиц дисперсной фазы.

          Основной причиной отклонения вязкости растворов ВМС является взаимодействие вытянутых и гибких макромолекул, часто образующих структурированные системы (ассоциаты). Ассоциаты сильно увеличивают вязкость растворов.

Вязкость растворов  ВМС сложным образом связано  с формой макромолекул и характером межмолекулярных взаимодействий.

При исследовании растворов  ВМС часто используют значение характеристической вязкости обозначаемой через [h].

Удельная вязкость связана с относительной вязкостью выражением. Общая формула модифицированного уравнения Штаудингера

где К и а – эмпирические константы

М – молекулярная масса.

 

3.ОСМОТИЧЕСКОЕ ДАВЛЕНИЕ РАСТВОРОВ ВМС

Согласно уравнению  Вант – Гоффа осмотическое давление растворов увеличивается прямо пропорционально концентрации. Для ВМС эксперимент показывает, что осмотическое давление значительно выше, чем это требуется по закону Вант – Гоффа.

Чем более гибка молекула, тем при прочих равных условиях осмотическое давление выше и тем больше оно  отклоняется от значения, вычисленного по уравнению Вант – Гоффа. Для описания зависимости осмотического давления предложено уравнение

где С – концентрация,

М – относительная молекулярная масса полимера,

В – некоторый коэффициент  характеризующий отклонение от уравнения  Вант-Гоффа.

                      

4.СВЕТОРАССЕЯНИЕ И ПОГЛОЩЕНИЕ СВЕТА

Цепные молекулы полимеров  нельзя обнаружить в растворах при ультрамикроскопических наблюдениях. Растворы ВМС характеризуются светорассеянием. Изменение величины рассеяния света используют в методе определения относительной массы полимеров. Метод основан на измерении мутности разбавленных растворов ВМС.

Инфракрасные спектры поглощения ВМС очень сложны и их редко используют при исследовании растворов ВМС, но они играют важную роль в современных исследований твердых полимеров.

 

5.НАБУХАНИЕ И РАСТВОРЕНИЕ ВМС

          Набухание представляет собой самопроизвольный процесс поглощение ВМС больших объемов низкомолекулярной жидкости, сопровождающейся значительным увеличением объема ВМС. В процессе растворения ВМС происходит главным образом диффузия молекул растворителя в высокомолекулярное вещество. Это обусловлено двумя факторами:

1. Большей подвижностью маленьких по сравнению с макромолекулами ВМС молекул растворителя

2. Неплотной упаковкой макромолекул ВМС.

Процесс проникновения  молекул растворителя в макромолекулы  ВМС приводит к тому, что при набухании объем полимера всегда увеличивается, а объем всей системы уменьшается. Уменьшение объема системы при набухании, называемая контракцией, в большинстве случаев описывается следующим эмпирическим уравнением с двумя константами.

 

где V – концентрация;

m – масса жидкости, поглощенной при набухании одного кг. полимера (степень оводнения);

a и b – константы.

Концентрация системы  при набухании полимера объясняется  ориентацией молекул растворителя в результате их «поглощения» макромолекулами, что способствует увеличению плотности системы.

На первой стадии взаимодействия ВМС и низкомолекулярной жидкости образуется гетерогенные системы, состоящая  из ВМС и свободной низкомолекулярной  жидкости.

Суммарный тепловой эффект при набухании ВМС обычно положительный.

Набухание представляет собой специфическую стадию процесса растворения ВМС, а весь процесс  растворения можно разделить  на четыре стадии.

          1. Исходная стадия. Система гетерогенна, двухфазна: чистая низкомолекулярная жидкость и чистый полимер

Ж1 + Ж2.

          2. Стадия набухания. Система расслаивается на две жидкие фазы: одна фаза – раствор низкомолекулярного компонента в компоненте ВМС:

Ж1 ® Ж2,

где Ж2 – набухший ВМС,

Ж1– чистая низкомолекулярная жидкость.

          Вторая фаза представлена чистой низкомолекулярной жидкостью.

          3. Стадия образования второго раствора

2 ® Ж1

          4. Стадия полного растворения – превращение гетерогенной (двухфазной) системы галогенной

Ж1 ® Ж2.

          Различают два вида набухания – неограниченное и ограниченное.

Неограниченное представляет собой набухание, последовательно  переходящее через все четыре стадии в полное растворение, то есть с образованием однофазной системы. Так набухают каучуки в бензоле, нитроцеллюлоза в ацетоне, белок в воде, целлюлоза в ацетоне, белок в воде, целлюлоза в медно – аммиачном растворе.