Понятие о ВМС, их получение и классификация. Набухание и растворение ВМС. Влияние разных факторов на величину набухания

1.

Понятие о ВМС, их получение и
классификация.
Набухание и растворение ВМС.
Влияние разных факторов на
величину набухания

2. Понятие о ВМС, их получение и классификация

К высокомолекулярным веществам (ВМВ) относят соединения с молекулярной
массой 104-106 и выше.
Высокомолекулярные вещества имеют важное значение в разных
областях науки и техники. Особенно большая их роль в процессах
жизнедеятельности. К высокомолекулярным соединениям
принадлежат белки (казеин, желатин, крахмал и др.), которые
составляют основу питания, нуклеиновые кислоты и другие
биополимеры.
В технике и быту находят широкое применение такие ВМР, как
целлюлоза и ее производные, шерсть, натуральный шелк, хлопок,
разнообразные синтетические смолы, пластмассы, натуральные и
синтетические каучуки, пленкообразующих материалы,
синтетические волокна (капрон, нитрон, полиэстер ) и др.
определенное использование нашли ВМР в медицине и фармации. Из
полимеров изготовляют инструментарий, предметы ухода за
больными, протезы для замены утраченных органов. В фармации
полимеры используют для изготовления оболочек капсул, в которые
помещают врачебные вещества, как покрытие и составные части
таблеток, как вспомогательные вещества для создания мазей и
пластырей. Из модифицированной целлюлозы, например, изготовляют
бинты и вату с кровоостанавливающим свойствами. И это далеко не
полный перечень применения ВМР в фармации.

3. Физические свойства полимеров

Полимеры большей частью аморфные вещества. Длинные цепочки и
большая молекулярная масса не разрешают полимерам переходить к
жидкому состоянию (быстрее наступает химический распад). Тем не
менее при повышении температуры с полимерами происходят
изменения - они размякают и становятся очень пластическими.
Большей частью используются механические свойства полимеров.
При повышенной температуре их нетрудно прессовать в
произвольную форму, при застывании они сохраняют форму и могут
служить для других целей. Тем не менее, полимеры все более чаще
используются как органические полупроводники.

4. Мономе́р (рус. мономер, англ. monomer, нім. monomere Substanz f, Monomere n, Grundmolekül n) - структурное звено полимера,

низкомолекулярное химическое соединение, которое является
первоначальным материалом для синтеза полимеров. Мономерами
служат соединения, которые имеют кратные связи, циклические группы и
соединения с разными функциональными группами.
При химическом обозначении полимера , химическая формула мономера
берется в квадратные дужки, к которым добавляется индекс n. Например,
полиетилен обозначается [-CH2-CH2-]n.
Мономерами белков являются аминокислоты. Из мономеров
составляются углеводы, липиды, белки, витамины.
Все протеины и белковые молекулы образовываются благодаря связыванию аминокислот
пептидной связью. Стадии формирования пептидной связи:
1-Аминокислота
2 - Ионизированная аминокислота в водном растворе (в форме цвиттер-иона)
3 - две аминокислоты образовывают пептидную связь

5.

Полимер (рус. полимеры, англ. polymers,
нім. Polymere n pl, Polymerisate n pl) —
общее название органических материалов,
состоящие из молекул, которые являются
длинными цепочками ( 100-10000 звеньев)
периодически повторяемых структурных
единиц. Естественным полимером является
целлюлоза.
Структурные единицы, из которых
составляются полимеры, называются
мономерами.
Полимеры могут состоять из мономеров
одного типа или разных типов.
Мономерами белков являются
аминокислоты. Из мономеров составляются
углеводы, липиды, белки, витамины.
Естественный полимер
крахмал

6. Классификация ВМС

ВMP классифицируют по разным признакам. По происхождению они
разделяются на естественные и синтетические. К естественным принадлежат
белки (протеины), высшие полисахариды (крахмал., целлюлоза), натуральный
каучук.
Синтетические BMP получают в процессах полимеризации и поликонденсации.
К ним принадлежат синтетические каучуки (полибутадиен, полихлорпропен и
др.) и разные синтетические полимеры (полиэтилен, поливинилхлорид,
полиамиды и т.д.).
Органические BMP по составу главной цепи макромолекул разделяют на
такие три группы:
Карбоцепные BMP, основные полимерные цепи которых построены
исключительно из атомов углерода. Например, полиэтилен.
BMP, полимерные цепи их кроме атомов углерода содержат также гетероатомы
(кислород, азот, фосфор, серу и др.). Например, полигликоли.
Элементоорганичные BMP, они содержат в макромолекулах атомы элементов,
которые не входят в состав естественных органических соединений — кремния,
алюминия, титана, свинца, сурьмы и др. Например, кремнийорганические
полисилановые соединения.
Кроме органических существуют также и неорганические BMP. К ним можно
отнести одну из модификаций серы (пластическая сера).

7. Классификация ВМС

Важное значение имеет структура полимерной цепи. По структуре
полимерной цепи BMP разделяют на линейные, разветвленные и по
пространству - сетчатые или трехмерные.
В линейных BMP макромолекулы — это длинные цепи.
Макромолекулы разветвленных полимеров имеют длинную цепь
(главную) с боковыми разветвлениями. Пространственными, или
сетчатыми, называются BMP, построенные из длинных цепей,
соединенных в трехмерную сетку поперечной химической связью.
По форме макромолекул различают глобулярные и фибриллярные
BMP. В глобулярных макромолекулами есть образования - глобулы.
Представители таких BMP - растительный белок, кровяные тельца.
Под влиянием внешних действий глобулярные BMP могут
разворачиваться и переходить в фибриллярную форму.
Фибриллярные BMP состоят из испрямленных линейных или
слаборазветвленных макромолекул, которые агрегируются за счет
межмолекулярного взаимодействия с образованием пачек молекул фибрилл . Примерами таких BMP есть целлюлозные волокна,
полиакрилат натрия.

8. Методы получения ВМС

Естественные BMС содержатся в разных растительных и животных организмах и могут быть
выделены из них с помощью экстракции, фракционного осаждения и других методов.
Синтетические BMС получают из низкомолекулярных веществ методами полимеризации и
поликонденсации.
Полимеризация — это реакция соединения большого числа молекул низкомолекулярных
веществ (мономеров), которые имеют кратные связи. Реакция не сопровождается выделением
побочных продуктов. Этим методом получают полиэтилен, поливинилхлорид, полиизобутилен
и другие BMP.
Поликонденсацией называется процесс соединения молекул одинакового или разного
строения, который сопровождается, как правило, выделением низкомолекулярных веществ.
Исходные мономеры должны содержать в молекуле не меньше двух функциональных групп ( ОН, -СООН, -NНз и др.). При поликонденсации бифункциональных соединений получают
линейные или циклические BMP, а при поликонденсации три- и тетрафункциональных
соединений - BMP пространственного строения. Например, поликонденсацией двухатомних
спиртов получают линейные простые полиэфиры:
n ( HO-R-OH) + n( HO-R'-OH) → (- R-O-R'-)n+ пН2О.
BMP можно получить также методом химических преобразований. Метод основывается на
химических реакциях, когда в готовые высокомолекулярные вещества вводят новые
функциональные группы, или старые группы замещают новыми, или происходит сшивание
макромолекул или их деструкция.
В зависимости от характера реакций они разделяются на два вида: полимераналогичниое
преобразование и макромолекулярные реакции. К первому виду принадлежит, например,
реакция взаимодействия целлюлозы с азотной кислотой, в результате которой образовывается
тринитрат целлюлозы. Примером макромолекулярной реакции есть сшивания макромолекул
полиакриловой кислоты этиленгликолем, при этом образовывается пространственный полимер
с новыми физическими свойствами.

9. Набухание и растворение ВМС.

Механизм растворения полимеров отличается от
механизма растворения низкомолекулярных веществ.
При растворении последних частички их диффундируют
в объем растворителя. В случае растворения полимеров
полимер выполняет роль растворителя, а
низкомолекулярная жидкость — растворенного
вещества. Т.е. происходит диффузия молекул
растворителя в объем полимера. В начальный период
молекулы растворителя проникают в «пустоты» между
макроцепями полимера. При этом происходит
уменьшение общего объема системы. Это явление
называется контракцией (V). Контракция
сопровождается выделением теплоты сольватации и в
большинстве случаев подчиняется эмпирическому
уравнению:
V = am (b + m)
где m – масса жидкости, поглощенной 1 г полимера, а, b
— постоянные величины.

10.

Дальше межмолекулярные связи в полимере ослабляются и
молекулы растворителя все больше проникают вглубь полимера.
Объем его увеличивается, а общий объем системы остается
постоянным. Односторонний процесс проникновения молекул
растворителя в фазу полимера называется набуханием.
В зависимости от строения макроцепи и характера взаимодействия
макромолекул между собой и молекулами растворителя различают
ограниченное и неограниченное набухания.
Неограниченное набухание - это набухание, которое
самопроизвольно переходит в растворение, при этом
образовывается однофазная гомогенная система.
Ограниченным набуханием называется процесс взаимодействия
полимера с низкомолекулярной жидкостью, ограниченный стадией
набухания. Самопроизвольное растворение полимера не
происходит, т.е. цепи полимера полностью не отделяются один от
другого. При этом образовываются две сосуществующих фазы.
Одна фаза является раствором низкомолекулярной жидкости в
полимере, а вторая - чистой низкомолекулярной жидкостью. Эти
фазы, разделенные видимой поверхностью деления , находятся в
равновесии.

11. Влияние разных факторов на величину набухания.

Нужно различать ограниченное набухание полимеров
линейного и сетчатого строения. Для линейных
полимеров в зависимости от условий (температура,
концентрация) набухание может быть ограниченным
и неограниченным. Примером являются набухания
желатина в воде. Между макромолекулами желатина
существуют крепкие водородные связи, которые не
поднимаются в процессе набухания при комнатной
температуре, и желатин набухает ограниченно. Лишь
при более высокой температуре желатин набухает
неограниченно с образованием гомогенного
раствора.
Если в полимере есть пространственная сетка,
образованная химическими связями, то цепи
макромолекул ни при каких температурах не могут
быть разделенные. Итак, пространственные
полимеры принципиально нерастворимые, однако
они могут набухать, образовывая студень или гели.

12.

Процесс набухания количественно характеризуется степенью и
скоростью набухания. Степень набухания (а) выражается
количеством жидкости, поглощенной единицей массы или объема
полимера.
Степень набухания может быть определена весовым или
объемным методом. Весовой метод состоит во взвешивании
образца до и после набухания. Степень набухания
рассчитывается формулой:
α= m-m0 /m0
где m0— масса исходного полимера; m – масса набухшего
полимера.
Скорость набухания полимера определяется скоростью диффузии
растворителя , поэтому она характеризуется теми же
закономерностями. Итак, константу скорости набухания
полимера можно рассчитать уравнением:
k = 1/ t*ln αmax/ αmax-a1
где αmax — предельная или максимальная степень набухания, α —
степень набухания к времени t

13. Осмотическое давление растворов ВМС. Уравнение Галлера.

Как известно, осмотическое давление
растворов низкомолекулярных веществ
подчиняется закону Вант-Гоффа:
п = СRT/M
где с — массовая концентрация
растворенного вещества (г/л); М — ее
молярная масса.
К растворам полимеров закон ВантГоффа не применим.
Измеряя осмотическое давление в ряде
растворов разных концентраций,
рассчитывают молекулярную массу
полимера. Для этого строят график
зависимости (рис), определяют
величину отрезка , за которым
рассчитывают среднюю молекулярную
массу полимера , поскольку
осмотическое давление
пропорционально числу молекул
растворенного вещества.
Зависимость п/с от концентрации
раствора полимера

14. Контрольные вопросы по данному материалу

1)
2)
3)
4)
Классификация дисперсных систем.
Механизм набухания ВМС?
Что такое мицелла? Из чего состоит
мицелла ?
От чего зависит стойкость коллоидных
систем?