Высокомолекулярные соединения (стр. 6 )

Студни могут образовываться не только в результате набухания, но и из твёрдых полимеров, а также из их растворов. Схематически процесс студнеобразования можно представить следующей схемой:

Ограниченное набухание Застудневание

Твёрдые ВМС -----------------→ Студни ←-------------------- Растворы ВМС

Застудневание (желатинирование) – процесс фазового перехода из жидкого состояния в твёрдое состояние. Образование студня происходит в результате взаимодействия между макромолекулами ВМС. Макромолекулы неоднородны и имеют лиофильные (по отношению к воде – гидрофильные) и лиофобные (гидрофобные) участки. У гидрофильных групп макромолекул (-NH2, - COH, =NH, - OН, -COOH) образуются гидратные слои. Эти слои экранируют отдельные участки макромолекул. Гидрофобные группы (например, - СН2 – боковых звеньев белков) неспособны формировать подобные слои. Наличие свободных, не защищённых сольватной (гидратной) оболочкой участков макромолекул при определённых условиях, в частности при росте концентрации ВМС, приводит к возникновению взаимодействия между этими участками; в результате образуется структура (каркас, сетка) из макромолекул ВМС, а раствор ВМС переходит в студень. Причины возникновения прочных связей могут быть разными. Например, если полимер содержит ионогенные группы, то взаимодействие этих групп, несущих противоположные по знаку заряды, является одной из причин образования межмолекулярных связей. Полярные группы макромолекул также могут взаимодействовать друг с другом. Иногда возможно образование и водородных связей.

Застудневание (или желатинирование) может происходить самопроизвольно под действием электролитов и при изменении температуры. Так, например, 30 – 34%-й раствор желатина застудневает при 303 К, а 10% - й раствор при более низкой температуре, равной 295К. Повышение концентрации ВМС всегда увеличивает вероятность застудневания, так как при этом возрастает вероятность столкновения макромолекул или их фрагментов. При этом возрастает вероятность образования межмолекулярных связей и, следовательно, появления в системе каркаса. Обычно такой эффект вызывает и понижение температуры, хотя бывают и исключения. Исключения объясняются отрицательным температурным коэффициентом растворимости ВМС.

Электролиты по-разному влияют на скорость застудневания: одни – ускоряют, другие – замедляют, а некоторые – даже исключают возможность перехода ВМС в студень. На застудневание главным образом влияют анионы. Эксперименты показали, что соли серной и уксусной кислот ускоряют процесс застудневания, хлориды и йодиды замедляют, а роданиды приостанавливают этот процесс. Анионы располагаются в следующий ряд по мере уменьшения их действия на процесс застудневания:

SO42- > CH3COO1- > Cl1- > Br1- > I1- > CNS1-

Различия в указанных свойствах электролитов объясняются степенью их гидратации, которая уменьшается у анионов слева направо в данном ряду. Замедляющее действие анионов на процесс застудневания наблюдается, начиная с иона хлора.

На способность к застудневанию водных растворов белков (амфотерные полиэлектролиты) сильно влияет рН среды. Процесс образования студня лучше всего идёт при значении рН, отвечающем изоэлектрической точке, так как при этом по всей длине молекулярной цепи расположено одинаковое число противоположно заряженных ионизированных групп, что способствует установлению связи между отдельными макромолекулами. С изменением рН (в обе стороны от изоэлектрической точки) макромолекулы приобретают одноимённый заряд, что препятствует образованию связей между ними. При добавлении больших количеств кислоты или щёлочи степень ионизации ионогенных групп уменьшается и тенденция к застудневанию снова увеличивается.

Повышение температуры, если только в системе не происходит необратимых химических изменений, обычно препятствуют застудневанию. Это связано с возрастанием интенсивности микроброуновского движения сегментов макромолекул и уменьшением вследствие этого числа связей между макромолекулами. Наоборот, понижение температуры, как правило, способствует застудневанию, так как возрастает число контактов между макромолекулами, связи между ними упрочняются.

На процесс застудневания влияют размеры макромолекул и их разветвлённость. Особенно легко образуют студни ВМС, у которых длина макромолекул достигает нескольких тысяч ангстрем и в тысячи раз превышает их поперечные размеры.

[Ангстрем – внесистемная единица длины, 1А = 10-10 м = 10-8 см = 0,1 нм; применяется в оптике, атомной физике, физике твёрдого тела и т. д.]

Застудневанию растворов ВМС всегда способствует повышение концентрации, так как при этом возрастает частота столкновений между макромолекулами или их участками и увеличивается число связей, образующихся в единице объёма студня. Однако, если молекулы полимера вытянуты, то застудневание может проходить и в очень разбавленных растворах. Так, при обычной температуре раствор агара образует студень при его содержании в нём 0,2% сухого вещества.

Чем выше концентрация полимера в растворе, тем выше температура, при которой растворы ВМС переходят в студни. Например, 30 – 45%-ные растворы желатина способны переходить в студни при 300С, 10%-ный раствор переходит в студень при ≈220С. Объём системы при застудневании обычно уменьшается.

СВОЙСТВА СТУДНЕЙ

Все студни (и гели) обладают свойствами и твёрдого тела и жидкости. К свойствам, характерным для твёрдого тела, относятся прочность, упругость, эластичность, способность сохранять определённую форму. Упругость студней определяется прочностью и гибкостью макромолекулярной сетки в них, а также свойствами ориентированных молекул растворителя. Особенно это характерно для полярных макромолекул в водной среде. Гидратные оболочки, окружающие полярные группы, создают упругую водную сетку студня.

Упругие и эластичные свойства студней проявляются при работе мышц человека. Мышцы состоят из волокон ткани, которые образуют студни. Под влиянием нервных импульсов и вследствие эластичности эти своеобразные студни способны сокращаться, совершать работу и обеспечивать двигательные процессы организма человека.

Структурно-механические свойства студней зависят от прочности каркаса, образованного макромолекулами. Если в студне каркас образован за счёт прочных химических связей или водородными связями, то при механическом воздействии на такие студни структура разрушается и такие студни не восстанавливают свою структуру. Однако, если связи между макромолекулами слабые, имеют малую прочность, то после механического воздействия структура студня восстанавливается. Такие студни являются тиксотропно-обратимыми.

Тиксотропия – это обратимое изменение физико-механических свойств полимерных и дисперсных систем при механических воздействиях на эти системы в изотермических условиях.

Примерами могут служить такие продукты как кефир, маргарин, тиксотропными свойствами обладают тесто, строительные растворы и т. д. Тиксотропными свойствами обладают и студни желатина и агар-агара.

[Желатина – продукт денатурации коллагена – белка соединительной ткани. Получают вывариванием костей, хрящей, сухожилий. Применяют в пищевой промышленности.

Агар (агар-агар) смесь двух полисахаридов, содержащихся в клеточных стенках красных водорослей. Растворяется в горячей воде, при охлаждении образует плотный студень. Применяется в кондитерской промышленности, вы биологии как основа питательных сред для выращивания клеток и микроорганизмов].

Жидкость, заполняющую сетку студня, часто называют интермицелярной, её можно разделить на свободную, которая механически включена в каркас студня и не входит в сольватную оболочку, и связанную. Количество связанной воды в студне зависит от степени гидрофильности макромолекулы: чем больше количество гидрофильных групп, тем больше связанной воды в студне.

Связанная вода обладает особыми свойствами: большой плотностью, пониженной температурой замерзания и т. д. Связанная вода студней играет большую роль в природе: её присутствие в почве, растениях, во всех живых организмах обеспечивает морозоустойчивость, поддерживает “водные запасы”, определяет морфологические структуры клеток и тканей. В человеческом организме доля связанной воды у младенцев составляет примерно 70%, а у пожилых людей – до 40%, что обусловливает появление морщин, дрялость кожи.

При старении студни теряют гомогенность. Это явление называют синерезисом. Синерезис сопровождается уплотнением пространственной структурной сетки и уменьшением объёма студня за счёт выделения жидкой фазы. Примеры синерезиса – отделение сыворотки при свёртывании крови, при скисании молока и т. д. В человеческом организме синерезис идёт достаточно медленно и скорость его индивидуальна. Следует отметить, что при синерезисе вначале выделяется свободная вода, а затем, частично, связанная. Студни не способны восстанавливать свою структуру.

Для студней амфотерных белков наибольший синерезис осуществляется в изоэлектрической точке. С отклонением рН среды в ту или другую сторону от изоэлектрической точки синерезис уменьшается, так как фрагменты макромолекулы приобретают одноименный заряд, что приводит к взаимному отталкиванию цепочек макромолекул друг от друга. Это в свою очередь вызывает увеличение объёма студня, а следовательно, и уменьшение синерезиса. Влияние низкомолекулярных электролитов на синерезис различно, но, как правило, электролиты, способствующие набуханию, уменьшают синерезис.

Из-за наличия пространственной сетки в студнях отсутствуют перемешивающие конвекционные потоки. Поэтому в них реагирующие вещества соприкасаются в результате медленной диффузии. Поэтому химические реакции, протекающие в студнях, имеют свои особенности. Например, если в студень желатины заранее ввести некоторое количество дихромата калия, а потом добавить более концентрированный раствор нитрата серебра, то возникает окрашенный осадок дихромата серебра:

K2Cr2O7 + 2AgNO3 → Ag2Cr2O7↓ + 2KNO3.

При стоянии в результате диффузии нитрата серебра осадок распространяется вглубь студня, но не сплошной массой: возникают периодические зоны осадка (кольца Лизеганга) отделённые друг от друга совершенно прозрачными промежутками. Эти реакции получили названия периодических. Их впервые наблюдал немецкий химик Р. Лизеганг (1886), отсюда и название «кольца Лизеганга»..