Будова молекул ВМС

Високомолекулярними сполуками (ВМС) називають речовини, молекули яких складаються з великої кількості атомів (тисячі і десятки тисяч), а молярна маса сягає 10⁴...10⁶ г/моль і більше. ВМС, молекули яких побудовані шляхом багаторазового повторення структурних одиниць, називають полімерами.

За походженням ВМС поділяються на природні і синтетичні. Особливо велику роль у життєдіяльності людини займають природні ВМС. До природних ВМС належать білки, полісахариди, нуклеїнові кислоти, натуральний каучук та інші біополімери. До переваг синтетичних ВМС відносять те, що їх можна одержати із заданими властивостями – міцністю, еластичністю, хімічною і термічною стійкістю. Найбільш поширеними синтетичними ВМС є поліетилен, полівінілхлорид, полістирол, поліаміди. У харчовій промисловості з них виготовляють одноразовий посуд, підноси, лицювальні та конструкційні матеріали.

Полімери у залежності від своєї будови поділяються на лінійні, розгалужені і просторові або сітчасті (рис. 22.1). Лінійні ВМС являють собою окремі ланцюги, що не зв’язані між собою міцними хімічними зв’язками. Довжина полімерного ланцюга при цьому перебільшує його поперечні розміри у тисячі разів. Лінійні ВМС відрізняються високою гнучкістю їх ланцюгів і їх здатністю скручуватися у клубки. Частина ланцюга, в якій відбувається його повний поворот, називається сегментом. У найбільш гнучких полімерах, таких як каучук, у сегментах міститься не більше 20 атомів Карбону.

Рисунок 22.1 – Будова макромолекул полімерів: а – лінійних; б – розгалужених; в – сітчастих

У сітчастих полімерах наявність міцних хімічних зв’язків між ланцюгами призводить до утворення єдиного просторового каркасу. Сітчаста структура може утворюватися безпосередньо під час одержання полімеру або внаслідок спеціальної реакції зшивання ланцюгів ВМС. Розгалужені ВМС за своїми властивостями займають проміжне положення між лінійними та сітчастими.

За формою макромолекул розрізняють глобулярні і фібрилярні ВМС. У глобулярних ВМС макромолекули звернуті у кулясті утворення – глобули. Типові представники таких ВМС – природні білки. Під впливом зовнішніх факторів глобулярні ВМС можуть розгортатися і переходити у фібрилярну форму. Фібрилярні ВМС складаються з випрямлених лінійних або слабо розгалужених макромолекул, що об'єднуються за рахунок міжмолекулярної взаємодії і утворюють пачки молекул – фібрили. Прикладами таких ВМС є целюлоза, поліакрилати.

22.2 Фізичний стан полімерів

ВМС можуть знаходитись у трьох фізичних станах: склоподібному, в’язкотекучому або високоеластичному. З кожним із цих станів пов’язаний певний комплект фізичних властивостей. Як правило, ВМС – це аморфні речовини.

За низьких температур швидкість переміщення макромолекул лінійних або розгалужених ВМС стає мінімальною, їх ланцюги практично не змінюють свого взаємного розташування. Такий стан ВМС називається склоподібний. Прикладом ВМС у склоподібному стані можуть бути штучні волокна. Високоеластичний стан полімеру зумовлюється високою гнучкістю довгих ланцюгових молекул. У полімерах у такому стані змінюється тільки взаємне розташування окремих ланок у макромолекулі, а сама вона практично не рухається відносно інших макромолекул. За підвищених температур можливе взаємне переміщення молекул полімеру відносно одна одної. За цих умов ВМС здатні текти, тому стан називають в’язкотекучим.

Температура є основним фактором, що впливає на процеси переходу полімеру з одного стану в інший. Температура, за якою охолоджуваний полімер переходить з високоеластичного у склоподібний стан називається температурою склування, а його перехід у в’язкотекучий стан характеризується температурою текучості.

22.3 Фракціонування ВМС

У реакціях полімеризації або поліконденсації внаслідок незначних відхилень в умовах, за яких формуються полімери, утворюються макромолекули різної довжини. Тому більшість ВМС є полідисперсною сумішшю полімергомологів. Для одержання ВМС більш однорідних за ступенем полімеризації проводять їх фракціонування. Фракціонування найчастіше проводять методом розчинення. Із збільшенням молярної маси полімерів у гомологічному ряду їх здатність до розчинення у певному розчиннику знижується. Низькомолекулярні члену ряду можуть необмежено розчинятися у рідині, з якою високомолекулярні члени того ж ряду навіть не змішуються.

Практично, для розділу на окремі фракції полідисперсний полімер спочатку обробляли розчинником, що розчиняє низькомолекулярні члени гомологічного ряду цього полімеру, потім проводили обробку зразка, що залишився, рідиною, в якій розчиняються більш високомолекулярні фракції і т.д.

Для прискорення процесу фракціонування можна користуватися методом екстракції: полімер занурюють у суміш двох рідин, одна з яких є хорошим розчинником для полімеру, а в іншій він розчиняється дуже погано. Декілька разів змінюючи співвідношення рідин у суміші проводять розділення полімеру на фракції. Так, для фракціонування каучуку застосовують суміш спирту і бензолу.

Лекція №23

Розчинення і набрякання високомолекулярних сполук

План лекції

1. Набрякання ВМС. Механізм процесу набрякання.

2. Характеристики процесу набрякання. Ступінь і швидкість набрякання.

3. Термодинаміка процесу набрякання. Теплота набрякання.

Рекомендована література: [1] С.590-593, 355-356, [2] С.117-120, [3] С.153-157, 185-188.