Розчини високомолекулярних сполук та колоїдні розчини

і навіть тисяч окремих атомів, зв'язаних один з одним силами головних валентностей, тому такі молекули прийнято називати макромолекулами. Молекули високомолекулярних сполук (ВМС) найчастіше являють собою довгі нитки, що переплітаються між собою чи згорнуті в клубки, причому довжина їх значно більша поперечника. Так, довжина молекули целюлози дорівнює 400-500 нм, а поперечник – 0, 3-0, 5 нм. Отже, ці молекули різко анізодіаметричні і при зіткненні з відповідним розчинником утворюють справжні (молекулярні) розчини.

Характерна риса більшості ВМС – наявність у їх молекулах багаторазово повторюваних ланок. Це повторення залежить від ступеня полімеризації. Звідси ці речовини мають ще і другу назву – полімери.

1.2 ОСОБЛИВОСТІ ВМС

Дослідженнями останніх десятиліть доведено, що розчини ВМС не можна віднести до типових колоїдних систем, хоча вони мають властивості, характерні для колоїдних розчинів: своєрідність часток розчиненої речовини; рух аналогічний броунівсько-му; малі швидкості дифузії в їх розчинах через великі розміри молекул ВМС, внаслідок чого вони не здатні проникати через напівпроникні мембрани; малі значення осмотичного тиску; повільніше протікання в розчинах ряду процесів (включаючи і хімічні, підвищену схильність до утворення різноманітних хімічних комплексів та ін.) Усе це вказує на те, що розчини ВМС сполучають у собі властивості як істинних, так і колоїдних розчинів. Пояснюється це тим, що арозчинах ВМС розчинена речовина роздроблена на молекули, і, отже, ці розчини являють собою гомогенні й однофазні системи. При розчиненні ВМС розчини утворюються самовільно, тобто не потрібні спеціальні добавки для їх утворення. Розчини ВМС – термодинамічно рівноважні системи, що тривалий час є стійкими, якщо немає впливу зовнішніх факторів (наприклад, розчинів електролітів). Розчини ВМС за молекулярно-кінетичними властивостями нічим не відрізняються від розчинів низькомолекулярних сполук. Незважаючи на те, що макромолекули не виявляються в ультрамікроскопі, вони мають здатність до світлорозсіювання, що приводить до опалесценції або деякої каламутності розчину.

Всі ВМС внаслідок їх великої молекулярної маси не леткі і не здатні переганятися. З цієї ж причини ВМС дуже чутливі до впливу різних зовнішніх факторів. Макромолекули легко розпадаються під впливом навіть незначних кількостей кисню та інших деструктивних агентів. Більшість ВМС при підвищенні температури розм'якшуються поступово і не мають визначеної температури плавлення. У цих речовин температура розкладання нижче температури кипіння, а тому вони можуть знаходитися тільки в конденсованому стані.

Гігантські ланцюжкоподібні молекули ВМС по окремих ланках неоднорідні, мають дифільний характер. Окремі ланки складаються з атомних груп, що мають полярний характер. До числа полярних атомних груп належать – СООН, – NH2, – ОН та ін. Ці радикали добре взаємодіють з полярними рідинами (водою, спиртом та ін.) – гідрату-ються, інакше кажучи, вони гідрофільні. Поряд з полярними макромолекули містять неполярні, гідрофобні радикали – - СН3, – СН2 – С6Н5 та ін., що можуть сольватуватися неполярними рідинами (бензол, петролейний ефір та ін.), але не можуть гідратуватися. У природних ВМС майже завжди переважають полярні групи, тому, потрапляючи у воду, вони поводяться як гідрофільні речовини. Чим більше полярних ділянок у молекулі ВМС, тим краще вона розчинна у воді.

1.3 НАБУХАННЯ ВМС

Властивості ВМС залежать від величини і форми їх молекули. Так, ВМС, що мають сферичні молекули (гемоглобін, глікоген, пепсин, трипсин, панкреатин та ін.) зазвичай являють собою порошкоподібні речовини і при розчиненні майже не набухають. Розчини цих речовин мають малу в'язкість навіть при порівняно великих концентраціях і підкоряються законам дифузії й осмотичного тиску.

ВМС із дуже асиметричними лінійними (розгалуженими), витягнутими молекулами (желатин, целюлоза та її похідні) при розчиненні дуже набухають і утворюють високов'язкі розчини, що не підкоряються закономірностям, властивим для розчинів низькомолекулярних речовин. Розчинення ВМС з лінійними молекулами супроводжується набуханням, останнє є першою стадією їх розчинення. Причина набухання в тому, що при розчиненні відбувається не тільки дифузія молекул речовини, яка розчиняється, у розчинник, як це відбувається при розчиненні низькомолекулярної речовини (НМР), але і дифундування розчинника у ВМС. Набухання полягає в наступному: молекули низькомолекулярної рідини-розчинника, рухливість яких у багато разів більша рухливості макромолекул, проникають у занурену в неї ВМС, заповнюючи вільні простори між макромолекулами. Далі розчинник починає надходити усередину речовини, що набухає, в наростаючій кількості завдяки гідратації полярних груп означених сполук. Основне значення гідратації полягає в ослабленні міжмолекулярних зв'язків, розпушенні цих сполук. Просвіти, що утворюються, заповнюються новими молекулами розчинника. Розсовуванню ланок і ланцюгів макромолекул сприяють і осмотичні явища, які протікають одночасно з гідратацією полярних груп високомолекулярних сполук.

Після того, як будуть зруйновані зв'язки між макромолекулами, тобто коли нитки їх будуть достатньо відсунуті одна від одної, макромолекули, набувши здатності до теплового руху, починають повільно дифундувати у фазу розчинника. Набухання переходить у розчинення, утворюючи однорідний істинний (молекулярний) розчин. Таким чином, розчинення ВМС із лінійними макромолекулами протікає у дві стадії: перша (сольватація-гідратація) супроводжується виділенням тепла, тобто зменшенням вільної енергії й об'ємним стиском. Основне призначення цієї стадії при розчиненні зводиться до руйнування зв'язків між окремими макромолекулами. В другій стадії набухання рідина поглинається без виділення тепла. Розчинник просто дифузно всмоктується в петлі сітки, утвореної поплутаними нитками макромолекул. У цій стадії відбувається поглинання великої кількості розчинника і збільшення об'єму набухаючої ВМС у 10-15 разів, а також змішування макромолекул з маленькими