Реферат по химии полимеров. РЕФЕРАТ ПО ХИМИИ ПОЛИМЕРОВ. Природные полимеры. Полиэлектролиты

• Название: Природные полимеры. Полиэлектролиты
• Анкор: Реферат по химии полимеров
• Дата: 13.06.2022
• Размер: 50.75 Kb.
• Имя файла: РЕФЕРАТ ПО ХИМИИ ПОЛИМЕРОВ.docx
• Тип: Реферат; #588458

Министерство науки и высшего образования Российской Федерации

Себряковский филиал федерального государственного бюджетного

образовательного учреждения Высшего образования

«Волгоградский государственный технический университет»
РЕФЕРАТ
на тему: Природные полимеры. Полиэлектролиты

	Выполнил: студент группы С-21д-20 / Парфёнов А.А. (подпись) (Ф.И.О.)
	Проверил: преподаватель СФ ВолгГТУ _ ___/_Бабкин В.А. (Ф.И.О.)

г. Михайловка 2022г.

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ………………………………………………………………… 1. ПОЛИМЕРЫ ………………………………………………………….. 2. ПРИРОДНЫЕ ПОЛИМЕРЫ …………………………………………. 2.1 Полисахариды ……………………………………...............……….. 2.2 Протеины и полипептиды …………………………………………… 2.3 Энзимы ………………………………………………………………… 3. ПОЛИЭЛЕКТРОЛИТЫ ……………………………………………… 3.1 Физико-химический свойства растворов полиэлектролитов ………. 3.2 Водорастворимые полиэлектролиты ……………………………… Заключение ...….…………….…………………………………………… Список используемой литературы ………………………………………

3 5 6 7 10 10 11 14 15 16 17

Введение

Термин “поли­мерия” был введен в науку И.Берцелиусом в 1833 для обозначения особого вида изомерии, при которой вещества (полимеры), имеющие одинаковый состав, обладают различной молекулярной массой, например этилен и бутилен, кислород и озон. Такое содер­жание термина не соответствовало современным представлениям о полимерах. “Истинные” синтетические полимеры к тому времени еще не были известны. Ряд полимеров был, по-видимому, получен еще в первой половине 19 века. Однако химики тогда обычно пытались подавить полимеризацию и поликонденсацию, которые вели к “осмолению” продуктов основной химической реакции, т.е., собственно, к образованию полимеров (до сих пор полимеры часто называют “смолами”).

Первые упоминания о синтетических полимерах отно­сятся к 1838 (поливинилиденхлорид) и 1839 (полистирол). Химия полимеров возникла только в связи с созданием А.М.Бутлеровым теории химического строения. А.М.Бутлеров изучал связь между строением и относительной устойчивостью мо­лекул, проявляющейся в реакциях поли­меризации. Дальнейшее свое развитие наука о полимерах по­лучила главным образом благодаря интенсивным поискам способов синтеза каучука, в которых участвовали крупнейшие учёные многих стран (Г.Бушарда, У.Тилден, немецкий учёный К Гарриес, И.Л.Кондаков, С.В.Лебедев и другие).

В 30-х годов было до­казано существование свободнорадикального и ионного механиз­мов полимеризации. Большую роль в развитии представлений о поликонденса­ции сыграли работы У.Карозерса. С начала 20-х годов 20 века развиваются также теоретические представления о строении полимеров. В начале предполагалось, что такие био­полимеры, как целлюлоза, крахмал, каучук, белки, а также некоторые син­тетические полимеры, сходные с ними по свойствам (например, полиизопрен), состоят из малых молекул, обладающих необычной способ­ностью ассоциировать в растворе в комп­лексы коллоидной природы благодаря нековалентным связям (теория “малых блоков”). Автором принципиально но­вого представления о полимерах как о веществах, состоящих из макромолекул, частиц необычайно большой молекулярной массы, был Г.Штаудингер. Победа идей этого учёного заставила рассматривать полимеры как качественно новый объект исследования химии и физики.

Наука о полимерах стала развиваться как самостоятельная область знания к началу Второй мировой войны и сформировалась как единое целое в 50-х гг. XX столетия, когда была осознана роль полимеров в развитии технического прогресса и жизнедеятельности биологических объектов. Она тесно связана с физикой, физической, коллоидной и органической химией и может рассматриваться как одна из базовых основ современной молекулярной биологии, объектами изучения которой являются биополимеры.

1. 
   Полимеры
   

Полимеры – это химические соединения, которые состоят из мономерных звеньев, соединенных в длинные макромолекулы. То есть они имеют длинную цепочку с повторяющимся фрагментом.

Чаще всего полимеры – это искусственно созданные соединения, но прежде, чем человек научился их делать, он узнал о природных полимерах – соединениях созданных природой

Полимеры — вещества, молекулы которых (макромолекулы) состоят из большого числа повторяющихся звеньев. Являются основой пластмасс, химических волокон, резины, лакокрасочных материалов, клеев.

Сополимеры — полимеры, содержащие звенья различного химического строения, например СВЭД [- (-СН2 -СН2- )(-СН2-СН(ОСОСН3-)-]n

Олигомеры — химические соединения, занимающие по величине молекулярной массы промежуточное состояние между мономерами и полимерами, их м.м. колеблется от сотен до нескольких тысяч единиц.

По происхождению полимеры делятся на природные (биополимеры), например белки, нуклеиновые кислоты, смолы природные, искусственные, полученные химической модификацией природных, и синтетические, полученные химическим синтезом из мономеров или химической модификацией синтетических полимеров, например полиэтилен, полистирол, поливинилхлорид, полиэтилентерефталат, полиметилметакрилат и т.д.
Природные полимеры образуются в процессе биосинтеза в клетках живых организмов. С помощью экстракции, фракционного осаждения и других методов они могут быть выделены из раститель­ного и животного сырья.
       Типичным полимером является молекула белка, состоящая из сотен молекул аминокислот. В природе полимеры встречаются на каждом шагу. Они - важная часть любого микроорганизма, растения, животного. Например, целлюлоза, крахмал, каучук, природные смолы-примеры полимеров растительного мира. В человеческом организме также немало полимеров:

мышцы, кожа, волосы и др.

К широко применяемым  природным полимерам в первую очередь относятся животные (белковые) и растительные клеи. Животные клеи получают из коллагена тканей животных. Например, рыбий клей, получаемый из коллагена осетровых рыб, широко применяется в реставрации станковой живописи и икон.

Природные полимеры образуются в процессе биосинтеза в клетках живых организмов. С помощью экстракции, фракционного осаждения и других методов они могут быть выделены из растительного и животного сырья. Животные клеи растворимы в тёплой воде и разбавленных растворах солей; нерастворимы в этиловом спирте, ацетоне, сложных эфирах, предельных и ароматических углеводородах. Животные клеи имеют высокую молекулярную массу и поэтому образуют вязкие растворы.
Концентрированные растворы желатины (30-45%) уже при 30°С образуют гель (студень). Менее концентрированные растворы теряют текучесть при более низкой температуре. Свойство клеев образовывать гели

удобно для реставраторов.

  Растительные клеи готовят на основе крахмала, камедей природных смол - даммары, канифоли, сандарака, янтаря, шеллака копалов. Крахмал является традиционной основой для клеев.
Природные полимеры синтезируются клетками растительных и животных организмов, а синтетические человек научился получать в процессе переработки природного газа, нефти, каменного угля. Полимеры могут быть кристаллическими или аморфными. Для кристаллизации высокомолекулярных веществ необходимо упорядоченное строение достаточно длинных участ­ков молекулярной цепи. Высокомолекулярные соединения не имеют четкой температуры плавле­ния. При нагревании многие полиме­ры не плавятся, а лишь размягчаются, что позволяет
формовать из них изде­лия методами пластической деформа­ции — прессованием, выдавливанием, литьём. Такие полимеры называют пластическими массами (пластмасса­ми, пластиками). У пластмасс низкая плотность, они легче самых лёгких ме­таллов (магния, алюминия) и потому считаются ценными конструкцион­ными материалами. По прочности некоторые пластики превосходят чу­гун и алюминий, а по химической стойкости — почти все металлы. Они могут быть устойчивы к действию

воды и кислорода, кислот и щелочей.

2. Природные полимеры

К природным полимерам относятся жизненно важные ДНК и РНК. Эти соединения важны для генов и продолжения жизни человека. Среди природных полимеров можно также назвать крахмал, целлюлозу, полисахариды, натуральный каучук и другие.

2.1Полисахариды

Большая группа природных полимеров, являющихся «полимерами сахара». К данной группе относятся ДНК и РНК соединения, состоящие из звеньев глюкозы, а к другой части относят крахмал и целлюлозу.

Крахмал – это полимер, полисахарид, с высокой молекулярной массой, в его состав может входить до 10000 звеньев глюкозы, связанных между собой. Крахмал содержится в кукурузе, картофеле.

Другим членом семейства полисахаридов является целлюлоза. Она – это главное составляющие растений. Крахмал и целлюлоза отличаются друг от друга по свойствам.

Целлюлоза (клетчатка) - природный полимер полисахарид, принадлежащий к классу углеводов, - прочное волокнистое вещество белого цвета, из которого состоит опорная ткань всех растительных клеток. Гигантская молекула (макромолекула) целлюлозы (С6Н10О5)n построена из многократно повторяющихся структурных звеньев - остатков в-глюкозы (остатком глюкозы называется то, что остается от ее молекулы после отсоединения одной молекулы воды).

Коэффициент полимеризации у целлюлозы различного происхождения различен: у древесной целлюлозы он равен 3000, у хлопковой - 12 000, у льняной - 36 000 (приблизительно). Длиной молекулярной цепи и объясняется большая прочность хлопкового и особенно льняного волокна по сравнению с волокнами древесной целлюлозы.

Каждое структурное звено молекулы целлюлозы -- остаток в-глюкозы -- имеет по три спиртовых гидроксила. Поэтому целлюлоза, несмотря на волокнистое строение и нерастворимость в воде, подобно спиртам способна образовывать простые и сложные эфиры, щелочную целлюлозу. Спиртовые гидроксилы в молекуле целлюлозы являются причиной возникновения химических водородных связей между молекулярными цепями, обеспечивающих образование технического целлюлозного волокна и формование на сетке бумагоделательной машины прочного листа бумаги при постепенной отдаче воды, доведении сухости бумаги до 92 - 96%.

Целлюлоза выдерживает нагрев до 150°С без разрушения, при более высокой температуре наблюдается деполимеризация целлюлозы и связанная с этим потеря прочности, а при 270°С и выше начинается термическое разложение с выделением продуктов распада: уксусной кислоты, метилового спирта, кетонов, в остатке - деготь и уголь.

Каждое растительное волокно, например хлопковое, льняное, древесное, - одна клетка, оболочка которой состоит в основном из целлюлозы. Внутри волокна (клетки) имеется канал-капилляр, доступный для проникновения влаги и воздуха. Длина технического волокна целлюлозы в среднем 2,5-3 мм (ель, сосна, береза, тополь) и 20-25 мм (лен, хлопок, пенька) при диаметре около 25 мкм. Структура оболочки целлюлозной клетки очень сложна, имеет фибриллярное строение.

Фибриллы - это нитевидные элементарные волокна - пачки молекул целлюлозы, прочно соединенные между собой водородными связями длиной около 300 мкм и диаметром около 30 нм. В промежутках между фибриллами находятся гемицеллюлозы и лигнин, причем содержание их увеличивается от внутренних слоев клеточной стенки к наружным. Межмолекулярные пространства целлюлозы заполнены преимущественно лигнином. Так, абсолютно сухое хлопковое волокно - чистая 100%-ная целлюлоза; волокна льна и конопли содержат до 93 - 97% целлюлозы. В абсолютно сухой древесине различных пород деревьев содержание целлюлозы составляет примерно 50%, гемицеллюлоз - 20% и лигнина - 30%, а также некоторое количество минеральных солей, образующих золу при сжигании древесины, и до 3% (в сосне) смолистых веществ. Волокна чистой целлюлозы отличаются белизной, гибкостью, прочностью и упругоэластичностью.

Гемицеллюлозы (полисахариды) - нечто среднее между целлюлозой и крахмалом. Молекулы гемицеллюлоз построены из остатков моносахаридов: маннозы (гексозы) и ксилозы (пентозы). Гемицеллюлозы не имеют волокнистого строения. Они служат резервным питательным веществом для растений, деревьев и предохраняют их от инфекций. Гемицеллюлозы набухают в воде, сравнительно легко гидролизуются даже очень разбавленными кислотами, растворяются в 18,5%-ной щелочи.

Гемицеллюлозы не являются вредными примесями целлюлозы, идущей для изготовления бумаги. Наоборот, древесная целлюлоза с большим содержанием гемицеллюлоз легко поддается размолу, а приготовленная из нее бумага имеет повышенную прочность (особенно поверхности), так как гемицеллюлозы - хорошая естественная проклейка.

Лигнин - вещество химически неустойчивое, реакционно способное: под влиянием света, влаги, кислорода воздуха, тепла лигнин разрушается, вследствие чего растительные волокна, содержащие лигнин, теряют прочность и темнеют. Лигнин в отличие от целлюлозы растворяется в разбавленных кислотах и щелочах. На этом свойстве лигнина основаны способы производства целлюлозы из древесины, соломы, тростника и других растительных тканей. Лигнин - природный полимер, структурным звеном которого является остаток очень реакционно способного ароматического спирта - в-оксикониферилового. Одревеснение (омертвение) растительных клеток связано с появлением в них лигнина.

Крахмал растворим в воде, и его можно употреблять в пищу. Целлюлоза, это кристаллическое соединение, нерастворимое в воде. Её используют при изготовлении бумаги, волокон для тканей. Хлопок – типичный представитель изделия из целлюлозы. Приятный и удобный в носке материал.

Крахмал в виде микроскопических зерен образуется в зеленых частях растений из углекислого газа воздуха и влаги под влиянием света и уносится вместе с соками растения в клубни и зерна, где и отлагается как запасное питательное вещество.

Физические свойства крахмала.

Крахмальные зерна разных растений имеют различную форму и размер. Крахмал не растворяется в холодной воде, спирте и эфире. В горячей воде зерна крахмала набухают, увеличиваются в объеме в сотни раз, теряют форму и образуют вязкий и клейкий раствор. Температура растворения крахмала в воде называется температурой его клейстеризации. Для картофельного крахмала она будет равна 60°, для маисового (кукурузного) - 70°, пшеничного и рисового - 80 °С.

Химические свойства крахмала.

Крахмал, так же как и целлюлоза, является природным полимером - полисахаридом, принадлежащим к классу углеводов и отвечающим молекулярной формуле (С6Н10О5)n. Но структурным звеном молекулярной цепи крахмала будет остаток б-глюкозы, а целлюлозы - в-глюкозы. Поэтому в крахмале каждые два остатка б-глюкозы образуют остаток дисахарида мальтозы, а в целлюлозе - каждые два остатка в-глюкозы образуют остаток дисахарида целлобиоза. Мальтоза - геометрический изомер целлобиозы.

Крахмал содержит две фракции полисахаридов: амилозу и амилопектин. Амилозой богат картофельный крахмал, а амилопектином - кукурузный (маисовый). Амилоза растворяется в воде хорошо, амилопектин - плохо. Этим и объясняется плохое растворение и более высокая температура клейстеризации маисового крахмала.

Картофельный крахмал используется в полиграфии в качестве переплетного клея (клейстера), в бумажной промышленности - для проклейки бумаги, в производстве переплетных тканей - в качестве аппрета.

Натуральный каучук - полимер изопрена - (--СН2-- --СН = С(СН3)--СН2--)п добывается из латекса - сока некоторых тропических деревьев, главным образом гевеи бразильской, произрастающей в Южной Америке, Индии, Африке и Цейлоне (Шри-Ланке).

Латекс - это коллоидная система, золь из глобул молекул каучука в водной среде. Золь - дисперсная система в коллоидно-устойчивом состоянии; гель - та же система, которая потеряла устойчивость и скаогулировала, т.е. свернулась. Глобулы - это пачки молекул, закрученные в клубок; диаметр глобул около 1 нм. При добавлении к латексу кислот или нагревании устойчивость золя нарушается, и каучук выпадает в виде осадка, который высушивается, вальцуется, нарезается листами. В таком виде каучук поступает на резиновые заводы.

Очень крупные молекулы каучука длиной около 8 мкм не вытянуты в нитку, а закручены в клубок, поэтому каучук имеет высокую эластичность. Молекулы каучука распрямляются под действием соответствующего усилия, а затем, после прекращения действия этого усилия, опять собираются в клубок.

Еще одним представителем семейства полисахаридов, является хитин. Из него изготовлены панцири раков, креветок, крабов и других. Его свойства активно изучаются, но обширной области применения, как, например, целлюлоза, он не нашел.

2.2.Протеины и полипептиды

Протеины или белки – это первые примеры полиамидов. Также подобного рода полимеры называют «найлон» - это подобное природным, созданное искусственно соединения.

Природные и синтетические полимеры данного класса имеют общую черту - содержат амидные связи в основной цепи.

А различия связаны, конечно, с получением. Синтетические полимеры создаются из соединений содержащих большое количество СН₂ групп. Поэтому конечная молекула полимера имеет по пять-шесть атомов углерода между амидными группами. В то время как природа более экономична и в созданных ее молекулах всего по одному углероду, между амидными группами.

2.3 Энзимы

Энзимы - наиважнейшие представителя группы полипептидов. Они являются ключевым звеном для возникновения жизни на Земле. Энзимы - это своего рода катализаторы, благодаря которым все живые организмы могут строить, разрушать, создавать. На практике установлено, что определенный энзим может создавать определенный полимер. Как и почему происходит именно так пока точно не определено. Ответ известен только природе.

Шелк - еще один представитель полипептидов, который уже давно и широко используется человеком. Шелк производят гусеницы, которые плетут из него кокон. Из кокона прядут волокно. Структура молекулы шелка содержит не замещенные аминогруппы и глицерин. Глицериновые звенья способны образовывать плоские протяженные цепочки, которые плотно упаковываются друг с другом. Это придает шелку прочность и блеск. Шелк - прекрасный материал, он очень красивый и прохладный на ощупь. Из него можно создавать шикарные наряды.

3. 
   Полиэлектролиты
   

Полиэлектролиты, полимерные электролиты, т. е. полимеры, способные диссоциировать в растворах на ионы. При этом в одной макромолекуле возникает большое число периодически повторяющихся зарядов. Полиэлектролиты делятся на полимерные кислоты (например, полиакриловые), полимерные основания (например, поливинил пиридиний) и полиамфолиты (сополимеры, в состав которых входят как основные, так и кислотные группы). Большинство Полиэлектролиты содержит слабые кислотные или основные группы и поэтому ионизованы только в присутствии сильного основания — для поликислоты или сильной кислоты — для полиоснования.

Полимеры, макромолекулы которых содержат ионогенные группы, способные диссоциировать в растворах, называют полиэлектролитами. Полиэлектролиты представлены тремя классами:

1) полимерные кислоты, или поликислоты (например, полиакриловая и полиметакриловая кислоты); 2) полимерные основания, или полиоснования (например, поливинилпи-ридин); 3) полиамфолиты - сополимеры, в состав которых входят как основные, так и кислотные группы.

К числу полиэлектролиты относятся важнейшие биополимеры — белки и нуклеиновые кислоты. В промышленности и лабораторной практике большое значение имеют сшитые полиэлектролиты, которые готовят путём введения легко диссоциирующих групп (например, сульфо-, аминогрупп и т.п.) в различные сетчатые пространственные полимеры. Из сшитых полиэлектролитов наибольшее значение имеют ионообменные смолы.

Диссоциирующие группы в полимерных молекулах обусловливают растворимость полиэлектролиов в воде и других полярных жидкостях. Так, сульфированный линейный полистирол хорошо растворяется в воде, тогда как сам полистирол — один из наиболее водостойких полимеров. Сшитые полиэлектролиты пространственного строения в воде не растворяются, а только набухают. Свойства молекул полиэлектролиты в растворе определяются электростатическим взаимодействием заряженных групп цепи друг с другом и с низкомолекулярными ионами раствора. Полиэлектролиты, достаточно прочно удерживает вблизи молекулы значительное число противоположно заряженных ионов. Электростатическое отталкивание одноимённо заряженных групп приводит к существенному изменению конформаций макромолекул в растворах: увеличивается эффективный размер молекул; цепи, свёрнутые в клубок, распрямляются, приобретая при увеличении степени диссоциации форму, приближающуюся к линейной, и т.д. Существенно меняются и физико-химические свойства растворов (например, в сотни и тысячи раз увеличивается вязкость раствора, и тем больше, чем выше его концентрация, и т.д.). Для растворов полиэлектролиов перестаёт быть справедливой теория, развитая для растворов низкомолекулярных электролитов. Низкомолекулярные ионы, возникающие при диссоциации полярных групп, создают диффузную оболочку около противоположно заряженной поверхности полимера и могут в большей или меньшей степени обмениваться на другие ионы того же знака.

Полиэлектролиты – это ВМС, которые содержат в своём составе группы, способные к ионизации. Белки являются наиболее распространёнными полиэлектролитами. Макромолекулы белков формируются из аминокислот. При взаимодействии карбоксильных и аминогрупп образуются пептидные связи, которые формируют полипептидные цепи белков:

В макромолекулах белков возможно различное сочетание полипептидных цепей, формирующихся всего из 20 простых аминокислот. Полипептидные цепи образуют первичную структуру белковой молекулы, под которой подразумевается ковалентная структурная основа и определённая последовательность остатков аминокислот.

Различают фибриллярную и глобулярную структуру белковой молекулы. Фибриллярные белки обычно нерастворимы в воде. В их структуре макромолекулы навиты друг на друга, как канат. Например, это кератин волос, миозин мышц, коллаген и желатин. Глобулярные белки имеют специфически свёрнутую форму макромолекул и способны к образованию глобул. Они имеют хорошую растворимость в воде и реакционную способность. Примеры – альбумины и глобулины яичного белка, молока, сыворотка крови, пепсин желудочного сока.

В щелочной среде молекулы белка диссоциируют как кислота и заряжаются отрицательно.

В кислой среде белок диссоциирует как основание, заряжаясь положительно.

При определении рН раствора, когда количество ионизированных кислотных групп равно количеству ионизированных основных, молекулу можно считать не имеющей электрического заряда (изоэлектрическое состояние).

Значение рН, отвечающее изоэлектрическому состоянию, называется изоэлектрической точкой. В изоэлектрической точке полиионы, имеющие наименьший заряд, находятся в максимально изогнутой (клубкообразной ) форме и оказывают наименьшее сопротивление течению. Вследствие этого в изоэлектрической точке растворы белков имеют минимальную вязкость.

Различают кислые, основные и нейтральные белки в зависимости от рН изоэлектрической точки. Основные белки – глиадин пшеницы, проламин. Кислые – желатин, альбумин.

Макромолекулы белков способны к электрофорезу, что свидетельствует о наличии ДИС. Это обусловлено боковыми ответвлениями белковой молекулы.

Под действием различных факторов может происходить изменение структуры макромолекул белка и его свойств, например, денатурация белка.

Денатурация белка связана с разрывом слабых связей внутри макромолекулы и нарушением нативной структуры белка. Денатурация проявляется у глобулярных белков и предшествует у них образованию студней, при этом макромолекулы вытягиваются в нити.

Так, например, введение в раствор желатина этилового спирта способствует разрыву внутримолекулярных связей и приводит к денатурации. В результате на зависимости объёмных свойств от рН наблюдается максимум.

Денатурация может происходить под действием температуры (тепловая денатурация, при варке яиц, в хлебопечении, варке мяса, рыбы), при механическом воздействии (сбивание яичного белка со сливками и превращение его в пену, при этом тонкие жидкие прослойки пены нарушают укладку полипептидных цепей, происходит их распрямление, которое сопровождается разрывом водородных связей). Денатурация может быть кислотной, например, при скисании молока кислоты разрушают слабые водородные связи внутри макромолекул и т.д.

При высаливании белков и других ВМС иногда наблюдается образование капель новой жидкой фазы, называемой коацерватом. Сам процесс выделения из раствора новой жидкой фазы, обогащённой ВМС, называется коацервацией. Причина этого явления в том, что некоторые ВМС и белки способны образовывать в растворе ассоциаты из нескольких макромолекул, которые при достижении определённых размеров могут выделиться в отдельную фазу. Коацервация может происходить при понижении температуры и не сопровождаться высаливанием. Впоследствии отдельные капли соединяются в более крупные агрегаты, и образуется слой с повышенным содержанием ВМС, способный к застудневанию.

Денатурация отличается от высаливания тем, что она необратима.

3.1 Физико-химический свойства растворов полиэлектролитов

Все специфические свойства полиэлектролитов проявляются лишь в условиях, когда их макромолекулы несут локально некомпенсированные заряды. Эти свойства, которые и обусловливают широкое применение полиэлектролитов в качестве флокулянтов, структурообразователей почв, агентов уменьшения гидравлического сопротивления в турбулентном режиме течения, в производстве бумаги для улучшения ее физико-механических свойств, при шлихтовании нитей, в основном определяются взаимодействием заряженных групп полиионов между собой и с окружающими их низкомолекулярными противоионами. Поэтому огромный интерес представляют водные растворы полиэлектролитов, в которых происходит электролитическая диссоциация соответствующих функциональных групп, входящих в состав звеньев молекулярных цепей.

Различают разбавленные, умеренно концентрированные и концентрированные растворы полимеров. Разбавленным раствором полимера называют такой раствор, в котором макромолекулы находятся друг от друга на расстояниях, значительно превышающих их собственные геометрические размеры. В разбавленном растворе имеются хорошо выраженные области, каждая из которых занята одной макромолекулой, где средняя концентрация звеньев отлична от нуля, и области, не занятые макромолекулами, в которых концентрация звеньев полимера равна нулю. Под умеренно концентрированными растворами понимают растворы, в которых содержание полимера достаточно для установления одинаковой концентрации звеньев во всем объеме раствора. К концентрированным относят растворы полимеров, в которых имеет место взаимодействие макромолекул друг с другом. Положение граничных областей между разбавленными, умеренно-концентрированными и концентрированными растворами зависит от степени полимеризации макромолекул и от природы полимера и растворителя.

Особый интерес к разбавленным растворам высокомолекулярных соединений обусловливается, прежде всего, тем, что растворение полимеров в достаточно большом количестве растворителя является единственным способом диспергирования их до молекулярного уровня. Только в разбавленных растворах, когда расстояние между макромолекулами сравнительно велико, появляется возможность определения так называемых макромолекулярных характеристик полимера (размеры и форма макромолекулы, способность ее изменять свою форму и т. д.).

По имеющимся представлениям, в разбавленном растворе длинная гибкая макромолекула сворачивается в так называемый статистический клубок, возникающий как наиболее вероятная конформация в результате внутримолекулярного движения у многих полимеров. Существует две точки зрения на поведение таких клубков при течении. Согласно первой точке зрения, клубок рассматривается как образование, через которое свободно проникают молекулы растворителя. Это означает, что движение среды не зависит от движения сегментов, или, что каждый сегмент испытывает такое трение в окружающей среде, как если бы других сегментов не было. Вторая точка зрения сводится к тому, что макромолекула, свернутая в клубок, удерживает внутри себя определенное количество растворителя и движется вместе с этим растворителем. Такой клубок представляет собой как бы непроницаемую для остальной массы растворителя сферическую частицу с эффективным радиусом R_е (радиус сферы набухшего клубка).

Макромолекулярные клубки могут двигаться относительно молекул растворителя поступательно. Это движение может быть хаотическим (броуновское движение), направленным (диффузия), или движение в центробежном поле (седиментация). Энергия, рассеиваемая в форме теплоты в процессе течения жидкости, оценивается характеристической вязкостью.

Как известно, растворы полимеров обладают более высокой вязкостью по сравнению с низкомолекулярными жидкостями. Это происходит потому, что даже в разбавленном растворе макромолекула, находясь в ламинарном потоке растворителя, разными своими частями оказывается в слоях, движущихся с различными скоростями. В результате молекулярный клубок испытывает действие момента сил, который заставляет его вращаться в потоке, что приводит к дополнительной затрате энергии. Снижение вязкости с увеличением напряжения или градиента скорости объясняется разворачиванием молекулярных клубков и их взаимной ориентацией в потоке, которая нарушается тепловым движением. Поэтому степень ориентации зависит от соотношения интенсивности теплового движения и величины приложенною напряжения или градиента скорости. Чем больше градиент скорости, тем меньше роль теплового движения, тем больше ориентация и тем меньше вязкость. Когда макромолекулы полностью ориентированы, вязкость раствора перестает меняться с напряжением сдвига, то есть наблюдается течение с наименьшей ньютоновской вязкостью.

3.2 Водораствроимые полиэлектролиты

Водорастворимыми являются полимеры, в структуре которых содержатся звенья, способные к сольватации водой (неионогенные водорастворимые полимеры) или к диссоциации (полиэлектролиты). Водорастворимые полимеры являются одними из наиболее перспективных высокомолекулярных соединений и находят все более широкое применение. Преимущества использования таких полимеров во многом связаны с решением экологических проблем. На сегодня существуют два основных метода получения водорастворимых полимеров. Первый из них заключается в радикальной или ионной полимеризации водорастворимых мономеров. А второй метод заключается в полимераналогичном превращении, т.е. приводит к нерастворимым полимерам ионогенные группы такие как, гиросильный -ОН, карбосильный –СООН, аминный -NH₂, и.т.д.

Возрастающий интерес к химии и физикохимии синтетических полиэлектролитов обусловлен непрерывным расширением области их практического применения в качестве высокоэффективных флокулянтов, структурообразователей и стабилизаторов коллоидных дисперсий, ионообменных материалов, специфических сорбентов, биологически активных соединений и т. д. Кроме того, с их помощью иногда удается моделировать поведение биополимеров: ферментов и нуклеиновых кислот.

Заключение

Полимеры - неорганические и органические, аморфные и кристаллические вещества, получаемые путём многократного повторения различных групп атомов, называемых «мономерными звеньями», соединённых в длинные макромолекулы химическими или координационными связями. Полимер — это высокомолекулярное соединение: количество мономерных звеньев в полимере (степень полимеризации) должно быть достаточно велико. Во многих случаях количество звеньев может считаться достаточным, чтобы отнести молекулу к полимерам, если при добавлении очередного мономерного звена молекулярные свойства не изменяются.

Как правило, полимеры — вещества с молекулярной массой от нескольких тысяч до нескольких миллионов. Если связь между макромолекулами осуществляется с помощью слабых сил Ван-Дер-Ваальса, они называются термопласты, если с помощью химических связей — реактопласты. К линейным полимерам относится, например, целлюлоза, к разветвленным, например, амилопектин, есть полимеры со сложными пространственными трёхмерными структурами.

В строении полимера можно выделить мономерное звено — повторяющийся структурный фрагмент, включающий несколько атомов. Полимеры состоят из большого числа повторяющихся группировок (звеньев) одинакового строения, например поливинилхлорид (-СН2-CHCl-)n, каучук натуральный и др. Высокомолекулярные соединения, молекулы которых содержат несколько типов повторяющихся группировок, называют сополимерами или гетерополимерами. Полимер образуется из мономеров в результате реакций полимеризации или поликонденсации.

К полимерам относятся многочисленные природные соединения: белки, нуклеиновые кислоты, полисахариды, каучук и другие органические вещества. В большинстве случаев понятие относят к органическим соединениям, однако существует и множество неорганических полимеров. Большое число полимеров получают синтетическим путём на основе простейших соединений элементов природного происхождения путём реакций полимеризации, поликонденсации и химических превращений. Названия полимеров образуются из названия мономера с приставкой поли-:

полиэтилен, полипропилен, поливинилацетат и т. п.

Литература


1. Аржаков М. С. - Высокомолекулярные соединения - Введение в химию высокомолекулярных соединений. Лекции МГУ.
2. Киреев В.В.  Высокомолекулярные соединения.
3. Зубакова Л. Б., Тевлина А. С, Даванков А. Б. Синтетические ионообменные материалы. - М.: Химия, 1978. - 184 с.
4. Николаев А. Ф., Охрименко Г. И. Водорастворимые полимеры – Л.: Химия 1979.-144 с.
5. Оудиан Дж. Основы химии полимеров. - М.: Мир, 1974. - 616 с.
6. Шур А. М. Высокомолекулярные соединения. - М.: Высшая школа, 1981. - 656 с.
7. Полиэлектролиты в решении экологических проблем / Кабанов В.А., Зезин А.Б., Касаикин В.А. // Успехи химии. - 1991. - Вып. 3. - С. 595 - 601.