лекция 13

1.

Свойства растворов ВМС:
особенности растворения,
реологические свойства, осмос.
Устойчивость растворов ВМС.
Химия
Институт фундаментальных основ и информационных технологий в
медицине
Автор: старший преподаватель
Махачкеева Татьяна Александровна

2.

ПЛАН ЛЕКЦИИ
1. Сходства и различия растворов ВМС и коллоидных растворов.
2. Факторы устойчивости растворов ВМС.
3. Особенность растворения ВМС: ограниченное и неограниченное набухание;
количественная характеристика набухания.
4. Свойства растворов ВМС
- коагуляция
- коацервация
- высаливание
- застудневание
- вязкость
- осмос.
5. Онкотическое давление крови.
6. Мембранное равновесие Доннана.

3.

Высокомолекулярные соединения…
… вещества, молекулярная масса которых, по данным
одних авторов составляет от 104 до 106 Д, по данным других,
от 103 до 1010 Д.
К числу природных ВМС, играющих важную роль в
жизнедеятельности человека, следует отнести белки, НК,
полисахариды.

4.

Сходства и различия растворов ВМС и коллоидных
растворов
Сходства
По размерам частицы ВМС приближаются к
коллоидным:
dкол. част = 10-7 – 10-9 м
dчаст. ВМС = 10-8 – 10-9 м
И те, и другие не способны проходить через
мембраны
Имеют незначительную скорость диффузии
Обладают незначительным осмотическим
давлением
Обладают способностью коагулировать и
пептизироваться
Различия
В типичных коллоидных растворах
взвешенными частицами являются мицеллы, в
растворах ВМС – гигантские макромолекулы
Концентрированные растворы ВМС отличаются
самопроизвольностью образования
Растворы ВМС отличаются термодинамической
устойчивостью и обратимостью

5.

Растворы ВМС …
• …
лиофильные
коллоидные
системы,
термодинамически устойчивые и обратимые;
• … молекулярнодисперсные системы, в которых
взвешенными частицами являются не мицеллы с
их ядерным строением, а молекулы гигантских
размеров.

6.

Строение (структура) ВМС
линейная
пространственная
разветвлённая
Специфические свойства ВМС обусловлены их способностью принимать
различные конформации (глобулы, клубки или растянутые формы).
Конформации – энергетически неравноценные формы макромолекул,
возникающие при простом повороте звеньев без разрыва химической
связи.

7.

Полиэлектролиты - …
… ВМС с ионогенными группами.
Полиэлектролиты
Кислотного типа
(-СООН)
Основного типа (NH2)
Полиамфолиты
(-СООН, - NH2)

8.

В растворе полиамфолита устанавливается равновесие
COO-
ОН
-
R
NH2
COOH
R
NH2
Н
+
COOH
R
NH3+
Заряд белка зависит от:
• количества и способности к диссоциации его –СООН и , -NH2
групп,
• рН среды.
ИЭТ – значение рН, при котором белок не заряжен за счёт равного
числа кислотных и основных групп. В ИЭТ белок имеет вид: NH3+ - R –
COO--

9.

Свойства растворов ВМС
Факторы устойчивости ВМС на примере белка:
1. COOH
Наличие заряда у частиц белкаCOO
COOH
R
R
R
+Н
О
NH
NH+
NH OH
2. Наличие гидратной оболочки
2
2
3
3
+
+
-
+
- +
-
+
-
+
+
+
-
+
+
- -
ВМС
-
-
+
ОН
Вода
связанная
+
+
-
Вода
свободна
я
-
+
+Н -
+

10.

Пути коагуляции растворов ВМС
К коагуляции растворов приводит:
• одновременная нейтрализация заряда частицы ВМС
и полное разрушение всей гидратной оболочки.
1. Электролитом нейтрализовать заряд и добавить
дегидратирующее вещество (спирт, ацетон, танин и
др.).
2. В начале провести дегидратацию, а затем
нейтрализовать заряд частицы ВМС.
Данные схемы предложены учёным Кройтом.

11.

Коацервация…
… расслаивание концентрированного раствора ВМС при действии
дегидратирующих веществ на 2 фазы, одна из которых обогащена
ВМС.
коацерват
Причина: слияние свободной воды у частиц ВМС; связанная вода
не затрагивается. Считать коагуляцией коацервацию нельзя, т.к. у
частицы сохранилась часть гидратной оболочки.

12.

Высаливание…
…нарушение устойчивости растворов ВМС при действии
неорганических солей.
Высаливающее действие соли заключается в её
собственной гидратации за счёт дегидратации коллоидных
частичек ВМС и понижения их растворимости. Для
фракционирования белков чаще используют раствор
(NH4)2SO4.

13.

Высаливающее действие анионов
Соль
С, моль/л
Na2C2O4
0,56
Na2SO4
0,80
CH3COONa
1,69
NaCl
5,42
NaI, NaSCN

14.

Ряды Гофмейстера
C2O42- > SO42- > CH3COO- > Cl- > NO3- > I- > SCN-
высаливающее действие
повышают устойчивость
коллоидов ВМС
Большое влияние на процесс высаливания оказывает длина
макромолекулы и молекулярная масса ВМС: чем они больше,
тем легче идёт высаливание. На этом принципе основано
фракционное высаливание, сущность которого заключается в
том, что добавляя к растворам ВМС возрастающие
концентрации соли можно выделить отдельные фракции
белков.

15.

Особенности растворения ВМС
Взаимодействие ВМС с водой начинается с процесса
набухания.
Набухание – самопроизвольный процесс поглощения ВМС
низкомолекулярной жидкости, сопровождающийся
увеличением массы и объёма.
Причина набухания – различия в размерах и подвижности
молекул: молекулы ВМС велики и малоподвижны, молекулы
НМС малы и очень подвижны.
Различают 2 вида набухания: ограниченное и
неограниченное.

16.

Ограниченное набухание
Сопровождается образованием студня.
Студень – пространственная сетка из
цепей макромолекул, заполненная НМС.
Оно характерно для ВМС, отдельные цепи
которых связаны так называемыми
«мостичными» связями (типа водородной,
бисульфидной и др.).

17.

Неограниченное набухание
Ведёт к растворению ВМС.

18.

Количественная оценка набухания
набухания
m - mСтепень
V - V0
0
α=
α=
m0
V0
где m0, V0 – масса и объём ВМС до набухания.
m, V – масса и объём после набухания.
Факторы, влияющие на набухание:
Обращённый ряд Гофмейстера
SCN->I- >NO3- >Cl- >CH3COO- >SO42- >C2O42-
•Температура
•Электролиты
•рН

19.

Застудневание растворов ВМС - …
… переход растворов к нетекучей, эластичной
форме.
Образование студня может быть вызвано двумя
способами:
рр
В
М
С
СТУДЕНЬ
твё
рд
ый
ВМ
С

20.

Основу студня составляет пространственная сетка из цепей
полимера, заполненная молекулами НМС.
Студни со слабыми связями (водородными или дипольными)
между
цепями
полимера
имеют
малую
прочность
и
подвергаются тиксотропии – обратимому разрушению при
механическом воздействии.
Студни
с
прочные.
сильными
связями
(химическими)
достаточно

21.

Старение студней…
Синерезис – уплотнение пространственной сетки студня за
счёт выдавливания части НМС; гель при этом уменьшается в
объёме, но сохраняет исходную форму.
Синерезис в живых тканях указывает на
старение организма: потеря воды приводит
к утоньшению костей, сухости кожи,
уменьшению эластичности тканей.

22.

Вязкость растворов ВМС ( ) …
… внутреннее трение между слоями ВМС, движущимися
относительно друг друга.
Величина вязкости определяется силами молекулярного
притяжения, поэтому
1. в растворах полярных веществ;
2. в растворах с размерами частиц, превышающими размеры
частиц растворителя;
3. на величину вязкости оказывает влияние форма частиц ( , ಟ,
ಯ, Ο и др);
4. с увеличением молекулярной массы растворённого
вещества;
5. с увеличением концентрации частиц вещества.

23.

Уравнение Эйнштейна
= 0(1+α )
- вязкость раствора
0 – вязкость растворителя
α – коэффициент, зависящий от
формы частиц
- объёмная доля частиц
Эйнштейн Альберт
14.III 1879 — 18.IV 1955
Недостаток: не учитывает наличие различных
слоёв у частиц (сольватных, адсорбционных,
электрических),
создающих
дополнительные
вязкостные эффекты.

24.

Виды вязкости
• Относительная -
t- время истечения объёма жидкости через капиллярную трубку (t-раствора, t0 –
растворителя)
• Удельная -
Зависит от концентрации, характеризовать вещество не может.
Для разбавленных растворов ВМС Штаудингер
получил уравнение:
К- константа
М- молекулярная масса
с– массовая концентрация.

25.

Виды вязкости
• Приведённая -
Устраняет влияние концентрации, но величина
непостоянная.
•Характеристическая -
Получают
графически
экстраполяцией приведённой
вязкости
к
нулевой
концентрации.
С

26.

Модифицированное уравнение
Штаудингера
Позволяет рассчитать
К – константа
α – характеризует форму частиц ½ ≤ α ≤ 1

27.

Вязкость крови
В норме для плазмы крови и лимфы =1,4∙10 -3Па∙См
(t=37 С).
• концентрации форменных элементов и белков
.
• На влияет и состояние мембран эритроцитов
(до 45% объёма крови): в норме высокая
эластичность, потеря или снижение которой ведёт
к крови.

28.

Осмотическое давление растворов ВМС ( )
…
… существенно и может быть измерено с
достаточной точностью по закону Вант-Гоффа.
, где
с – весовая концентрация полимера, г/л;
М- молекулярная масса полимера
Закон выполняется при двух условиях:
• низкая концентрация полимера;
• глобулярная форма молекул.

29.

Осмотическое давление растворов ВМС ( )
• Для реальных растворов ВМС Галлер предложил
более общее уравнение:
, где
b – константа, учитывающая форму и конформации макромолекул, а также природу
растворителя.
• Для нахождения b и используют график:
b = tg
•По полученным данным из
уравнения
Вант-Гоффа
находят М полимера.
C

30.

Онкотическое давление( онк) …
…часть осмотического давления крови, обусловленная наличием белков и их отдельных
сегментов коллоидного размера.
В норме 3,1 кПа. Отклонение этой величины от нормы приводит к серьёзным нарушениям
функционирования организма.
Причина: на кровь в капилляре действуют гидростатическое давление (р гидр.) 4,5 кПа и
онкотическое давление. Стенка капилляра представляет собой мембрану, непроницаемую для
белка, но проницаемую для воды и безбелковой части плазмы.
ргидр способствут выдавливанию воды и безбелковой части плазмы в межклеточную
жидкость. онк способствует всасыванию воды из ткани в капилляр.

31.

Микроциркуляторное русло
ргидр> онк
Артериола
ргидр< онк
Венула
Понижение онк, вызванное гипопротеинемией, ведёт к
развитию отёков. Гипопротеинемия может развиться при
голодании, нарушении пищеварения, заболеваниях почек и
т.д.

32.

Мембранное равновесие Доннана
Описывает распределение электролитов по обе стороны
клеточной мембраны.
2
c out
x=
c in + 2c out
сout – концентрация ионов в межклеточной жидкости;
сin – концентрация ионов внутри клетки;
х – количество ионов, перешедших в клетку из
межклеточной жидкости.

33.

Анализ уравнения Доннана
• Возможны 3 варианта распределения ионов:
1) cout > cin
x=
c out
2
2) cin > cout в клетку перейдёт малое число ионов
3) cin = cout
x=
c out
3
Вывод: концентрация ионов в клетке будет всегда выше, чем в
межклеточной жидкости.

34.

Причина мембранного равновесия
• избирательная проницаемость клеточных мембран, из-за
которой соли белка всегда остаются в клетке и способствуют
переходу ионов в клетку.
Значение равновесия Доннана в жизнедеятельности: in > out
поддержание тургора клеток даже в изотонических
растворах.

35.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ
1. По размеру частиц и основным свойствам растворы ВМС могут быть отнесены к лиофильным
коллоидным системам.
2. Лиофильность ВМС придает гидратная оболочка, состоящая из свободной и связанной воды.
3. Наличие гидратной оболочки такого строения объясняет особенности растворов ВМС
возможность проведения коагуляции с предварительной дегидратацией
коацервацию с сохранением у частиц ВМС части гидратной оболочки, что препятствует коагуляции
высаливание за счет дегидратации частиц ВМС и понижения их растворимости при действии солей
вязкость за счет наличия у частиц большой молекулярной массы слоев (гидратных, электрических),
создающих дополнительные вязкостные эффекты.
4. Онкотическое давление крови, обусловленное наличием белков и их отдельных сегментов
коллоидного характера, препятствует образованию отеков и нормализует функционирование
организма.
5. Белки, создавая избыточную концентрацию частиц в клетке, способствуют поддержанию тургора
клетки даже в изотонических растворах.

36.

Спасибо за внимание!