Тема: Свойства ВМС

ЗАНЯТИЕ №

Тема: Свойства ВМС

Мотивация изучения темы: ВМС имеют большое значение в областях народного хозяйства, в том числе и медицине. В медицине их применяют для создания искусственных сосудов, разнообразных протезов, при изготовлении специальных хирургических клеев.

Белки – основа процессов жизнедеятельности всех живых организмов – высокомолекулярные соединения. Из биополимеров построены клетки живых организмов. Изучение физико-химических свойств ВМС важно для понимания механизмов биохимических реакций, взаимодействия лекарственных и токсических веществ с биополимерными структурами организма. Некоторые лекарственные вещества представляют собой ВМС или их растворы.

Цель: Изучить свойства ВМС

Задачи изучения:

1. Изучить состав, строение ВМС

2. Изучить специфические свойства ВМС: набухание, вязкость

3. Изучить нарушения устойчивости ВМС: застудневание, высаливание, коацервация.

4. Изучить свойства студней (явления синерезиса, тиксотропии).

5. Закрепить знания по коллоидной защите.

Продолжительность занятия - 165 минут (135 учебного времени и 30мин перерыв).

Место проведения занятия - учебный практикум (кафедра общей химии)

Задания для самостоятельной работы студента во внеучебное время (самоподготовка).

А. Контрольные вопросы

1. ВМС (определение). Классификация ВМС (по способам получения, по строению, по свойствам).

2. Свойства ВМС:

а) набухание и растворение ВМС (степень набухания, давление набухания); факторы, влияющие на набухание: природа ВМС и низкомолекулярной жидкости, температура, рН среды, присутствие электролитов (лиотропные ряды Гофмейстера). Механизм процесса набухания. Значение набухания в жизнедеятельности организма.

б) вязкость ВМС

3. Нарушение устойчивости растворов ВМС.

а) застудневание (желатинирование); факторы, влияющие на застудневание: природа веществ, концентрация полимера, температура, время процесса, форма частиц, возраст полимера, рН среды, электролиты (ряд Гофмейстера).

б) высаливание ВМС; влияние электролитов (ионов).

в) коацервация, ее роль в биологических системах.

4. Свойства студней: синерезис, тиксотропия.

5. Коллоидная защита, ее значение в биологических системах

Б. Список рекомендуемой литературы:

1. Общая химия. Биофизическая химия. Химия биогенных элементов: Учебник для ВУЗов/ , , и др. - 2 изд. - М.: ВШ, 2000.

2. Практикум по общей химии. Биофизическая химия. Химия биогенных элементов./под ред. , - М.: ВШ, 2006.

3. , , Филиппова задач и упражнений по общей химии. - М.: ВШ, 2007.

4. Практикум по общей и биоорганической химии /под ред. – 3-е изд.-М.: изд. центр «Академия», 2008.-240с

В. Обучающий материал.

ВМС (полимеры) – вещества, относительная молекулярная масса которых лежит в интервале от нескольких тысяч до нескольких миллионов относительных единиц массы.

Характеристика некоторых свойств ВМС и собственно коллоидов.

№	Растворы ВМС	Коллоидные растворы
1.	Системы термодинамически устойчивы	Термодинамически неустойчивы
2.	Не имеют четко выраженной поверхности раздела с растворителем	Имеют большую удельную поверхность раздела с растворителем
3.	Устойчивость растворов в большой степени связана с наличием сольватной оболочки	Устойчивость в большей степени связана наличием двойного электрического слоя
4.	Концентрация растворов 12—15% и выше	Концентрация растворов до 1%
5.	Частицы лиофильны	Частицы лиофобны
6.	Масса частиц 104-106 относительных единиц массы	Масса частиц меньше
7.	Значительная часть водной оболочки удерживается за счет полярных групп, и поэтому сохраняется в изоэлектрической точке	Водная оболочка создается за счет противоионов диффузного слоя, поэтому в ИЭТ отсутствует.
8.	Сухое вещество набухает и может переходить в растворенное состояние (в случае неограниченно набухающих веществ)	Сухое вещество не набухает, для растворения нужен стабилизатор
9.	Вязкость расворов значительна и резко возрастет с повышением концентрации	Вязкость растворов ниже и мало меняется с повышением концентрации
10.	При боковом освещении дают размытый конус Тиндаля	Дают четкий конус Тиндаля

Растворы биополимеров являются гомогенными, термодинамически устойчивыми системами (сходство с истинными растворами). Основным фактором термодинамической устойчивости растворов биополимеров является их высокая гидрофильность. В молекулах белков гидратированы карбоксильные и аминогруппы, пептидные связи и др. полярные группы в составе макромолекул.

Под действием концентрированных растворов солей (чаще Na2SO4, (NH4)2SO4, солей магния, фосфатов) устойчивость растворов биополимеров нарушается, т. к. разрушается гидратная оболочка биополимера.

Процесс выделения биополимеров из раствора под действием концентрированных растворов солей называется высаливанием (обратимым осаждением). Применяя растворы солей различных концентраций можно последовательно осаждать белки по фракциям: сначала осаждаются фракции с большой молекулярной массой, в самых концентрированных растворах – легкие фракции. Высаливание – процесс обратимый.

По влиянию на процесс высаливания анионы и катионы располагаются в лиотропные ряды:

SO42->F->CrO42->CH3COO->Cl->NO3->Br->I->CNS-

Li+>Na+>K+>Mg2+>Ca2+

Степень гидратации иона уменьшается

Высаливающая способность уменьшается

При снижении растворимости в растворах ВМС может происходить явление коацервации. Коацервация – слияние водных оболочек ВМС без объединения самих частиц, в результате которого образуется новая жидкая фаза, обогащенная полимером. Коацервацию используют для микрокапсулирования лекарств.

Растворы ВМС отличаются от истинных и коллоидных растворов очень высокой вязкостью. Вязкость (внутреннее трение) – мера сопротивления среды движению. На величину вязкости влияет форма молекул и величина рН. Наименьшей вязкостью растворы белков обладают в области ИЭТ, т. к. в этой точке макромолекулы свернуты в более плотные клубки. Приборы для измерения вязкости крови – вискозиметры. Измерение вязкости часто используют для определения средней молекулярной массы ВМС.

Процесс растворения для ВМС является самопроизвольным, но проходит через стадию набухания. Набухание – процесс проникновения низкомолекулярной жидкости в среду макромолекул полимера, который сопровождается увеличением массы (объема) полимера.

В общем процесс набухания протекает следующим образом: 1) сначала поглощается небольшое количество растворителя, которое идет на сольватацию макромолекул (сольватный слой мономолекулярный), эта стадия идет с выделением тепла и с уменьшением суммарного объема полимера и растворителя; плотность растворителя в сольватных оболочках увеличивается, диэлектрическая проницаемость и давление насыщенного пара уменьшается.2) на следующей стадии набухания поглощается много жидкости без выделения теплоты, жидкость в результате диффузии проникает в пустоты между макромолекулами полимера, что сопровождается увеличением массы и объема полимера (ограниченное набухание). 3) в зависимости от свойств полимера и растворителя набухание может закончиться растворением полимера, т. е. распределением по всему объему растворителя (неограниченное набухание).

Процесс набухания характеризуется степенью набухания:

;

где m0 – масса полимера до набухания, m – масса полимера после набухания.

В закрытых системах набухание сопровождается образованием высоких давлений (давление набухания): при прорастании семян – разрыв прочных оболочек, разрушение горных пород корнями растений.

На набухание влияют следующие факторы:

1)природа ВМС и растворителя (подобное набухает в подобно: полярный полимер – в полярном растворителе, неполярный - в неполярном растворителе).

2) температура (повышение уменьшает степень набухания на первом этапе, на втором изменяет скорость процесса).

3) рН среды (наименьшей скоростью набухания белки обладают в ИЭТ, в ней степень сольватации ионогенных групп минимальна).

4) влияние электролитов (лиотропный ряд анионов имеет вид:

CNS->I->Br->NO3->Cl->H2O>CH3COO->CrO42->F->SO42-

набухание уменьшается

В физиологии организмов процессы набухания играют важную роль. Многие компоненты организма находятся в гелеобразном состоянии вследствие набухания. Регуляция водного баланса в целом осуществляется почками, а соединительная ткань служит регулятором водного обмена между кровью и клетками. При изменении условий соединительная ткань способна вследствие набухания воспринимать излишек воды или отдавать его клеткам и крови.

Процессы набухания различных органов и тканей организма (отеки легких, мозга, слизистых оболочек) наблюдаются при многих патологиях. Различные воспалительные и аллергические заболевания сопровождаются набуханием слизистых оболочек.

Растворы ВМС и золи некоторых гидрофобных коллоидов способны при некоторых условиях претерпевать изменения, вызывающие потерю текучести – застудневание растворов, при этом образуются студни или гели – нетекучие структурированные системы, образующиеся в результате взаимодействия между макромолекулами полимеров или коллоидными частицами. Ячейки пространственных сеток гелей или студней заполнены растворителем. Т. о. застудневание (желатинирование) можно определить как процесс образования и упрочнения пространственной сетки.

Процесс застудневания зависит от следующих факторов: размера, формы и природы макромолекул, концентрации ВМС, температуры, времени, наличия электролитов, рН раствора и т. д. Лучше застудневают ВМС, макромолекулы которых имеют удлиненную палочкообразную форму. Чем концентрированнее растворы, тем более вероятны взаимодействия между макромолекулами; застудневание лучше идет при пониженной температуре и рН соответствующих ИЭТ; застудневание требует продолжительного времени.

Анионы на желатинирование влияют в следующем порядке (ряд Гофмейстера):

SO42->F->CrO42->CH3COO->Cl->NO3->Br->I->CNS-

Степень гидратации иона уменьшается

Застудневание усиливается

Многие студни и гели под влиянием механических воздействий способны разжижаться, переходить в золи или растворы полимеров, а в состоянии покоя вновь застудневать. Это явление называется тиксотропией. При хранении гелей и студней имеет место процесс разделения гелей и студней на две фазы, называемый синерезисом. Патологически опухоли в организме рассматривают как проявление синерезиса.

Д. Задачи для самостоятельного решения.

Большим высаливающим действием обладает ион:

CNS - SO42- Cl - NO3-

Увеличение массы (объема) полимера за счет поглощения низкомолекулярной жидкости :

коацервация коагуляция набухание высаливание

Степень набухания желатина выше в

NaCl NaBr Na2SO4 NaCNS

Резина не набухает в

воде толуоле бензоле ацетоне

Процесс образования и упрочнения пространственной сетки в растворе ВМС:

набухание коацервация желатинирование высаливание