Физика | Жоғары молекулалық заттардың қасиеттері және алынуы

Мазмұны
I. Кіріспе.
II. Негізгі бөлім.
1. Тізбектер құрылысы бойынша ЖМЗ жіктеледі
2. ЖМЗ- дың фазалық күйлері
3. ЖМЗ ісінуі және еруі
1) Полимердің ісінуі мен еруінің термодинамикасы.
4. үлкен молекулалы қосылыстардың тұтқырлығы
5. Полиэлектролиттер. Изоэлектрлі нүкте.
ІІІ. Жоғары молекулалы қосылыстардың тұтқырлығы
IV.ДОННАННЫҢ МЕМБРАНАЛЫҚ ТЕПЕ-ТЕҢДІГІ
V. Медицинада қолданылуы
VI. Қорытынды.
ЖМЗ жіктелуі
Жоғары молекулалық заттарға молекулалық массасы 104 - 106 және одан да жоғары қосылыстар жатады. Олар екі топқа жіктеледі: табиғи - ақуыздар, крахмал, целлюлоза, пектин, натуралды каучук немесе поликонденсация және полимеризация процестері арқылы алынатын жасанды - пластмассалар, синтетикалық жіптер.
Табиғи ЖМЗ молекулалық массасы тұрақты, белгілі бір мағынада болады. Жасанды полимерлер ұзындығы мен массасы әр түрлі макромолеклалар қоспасынан туратын полидисперсті жүйе болып табылады. Сондықтан олардың молекулалық массасының орташа мағынасы алынады.
Тізбектер құрылысы бойынша ЖМЗ жіктеледі
Сызықты полимерлер (сурет) бір өлшемді (х) элементтердің ұзын тізбектерінен қүралады (натуральдық каучук).
Тармақталған полимерлер бүйірлері тармақталған (х,у) тізбектерден тұрады (крахмал).
Кеңістіктік тор түзетін (фенолформальдегидті шайырлар) -үш өлшемдегі (х, у, z) «тігілген» полимерлер (резина). Полимерлердің арнайы қасиеттері екі ерекшелігіне байланысты анықталады:
1. Макромолекулалық тізбектерді бір - бірінің жанында ұстайтын екі
типтегі байланыстардың ( химиялық және молекулааралық) болуы;
2. Ішкі бөлшектер буындарының айналуымен байланысты тізбектің
иілгіштігі.
Тізбекте көміртегі атомдары С-С байланысының валенттік бұрыпы 109,28'. Тізбектегі буындар айналуы нәтижесінде макромолекулалар әр түрлі конформация (дөңгелек, созылған түрде) түрінде болады.
ATOM топтарының бір - бірімен әрекеттесуінен тізбектегі буындардың айналуы шекті болады. Айналуды жалғастыру үшін, бір деңгейден екінші деңгейге көшу үшін энергетикалық тосқауылдан (бөгет) өту керек. Бүл шама Д U= U2 -U, - буындардың айналуы және молекулалардың екінші конформациядан біріншіге өтуі потенциалдық энергияның өзгерісіне байланысты болады.
а
І.сурет. Полимер макромолекулалар құрьшысынң сызбанұсқасы:
a - сызықты; б - тармақталған; в - кеңістік
Мұндағы: U - айналудың потенциалды бөгеті, полимерлі тізбектердің термодинамикалық иілгіштінің өлшемі.
U шамасы аз болған сайын айналу жеңіл өтеді және иілгіштігі жоғарылайды. U шамасының артуы макромолекулалар қаттылығын арттырады. Полярсыз, орынбасылмаған көмірсутектердің U шамасы минималды да, иілгіштіг жоғары болады. -CONH-, -CO-NH2, -C1, -ОН, -СООН, -SO3H топтарынын енгізу энергетикалық бөгет жоғарлайды да макромолекулалар қаттылығы артады. Полярлы топтардың пайда болуы макромолекулалар арасындағы буындардың өзара әрекеттесуі мен көрші макромолекулалар әрекеттесуін күшейеді.
Полимер тізбектерінің иілгіштігі тізтектердің химиялық кұрылысына, орынбасарлардың табиғатына, тізбектегі буындар санына, температураға, еріткіш табиғатына тәуелді.
ЖМЗ- дың фазалық күйлері
Полимердің фазалық күйі молекулалардың өзара орналасуымен және құрылысымен анықталады. ЖМЗ молекулалары улкен болғандықтан олар буланбайды, газдық күйі жоқ. Қатты полимерлердің екі жағдайы болады: кристалды және аморфты. Температураға тәуелді аморфты полимер үш күйде болуы мүмкін: серпінді-қатты (шыны тәрізді), жогары эластикалық (каучук тәрізді), туткырлы-ағынды (пластикалық). Бір күйден екіншіге күйге өткендеполимердің механикалық қасиеттері өзгереді. Термомеханикалық қисық сызықты полимердің салыстырмалы деформациясының (△І/1) температураға тәуелділігін керсетеді.
Т - на дейін температураның жоғарылауы (II сала) С-С байланысы айналасында буындардың айналуы мүмкін болатындай жағдайға дейін төмендетеді. Тізбек иілгіш бола бастайды, оларда микроброундық қозғалыс пайда болады және полимер жоғары эластикалық (каучук тәрізді) жағдайға өтеді.эластикалық қасиет пайда болады. Эласі икалық қасиет деп полимердің қайтымды деформацияға қабілетін айтады. Эластикалық қасиет полимер тізбектері арасында молекулааралық байланыстардың ұзындығы бойынша сақталып қалуымен байланысты. Сондықтан тізбектер бір- бірімен орын ауыстыра алмайды, бірақ тізбектің басқа бөлігіндегі қозғалыс есебінен иілгіштік қасиетіне ие болады. Мұндай жағдай полимердің жеңіл деформациясына әкеледі.
Әртүрлі полимерлерде бірдей емес. Шынылану температурасы аязға тұрақтылық қасиетіне ие болады. Аязға түрақты материалдар эластикалық қасиетін темен температураларда сақтайды. Полимердің шынылану температурасы төмен болған сайын, ол аязға тұрақты болады. Мысалы, натуравды каучук үшін Тщ = -73°С, нейлон үшін Т =47°С.
Полимерді әрі қарай кыздырғанда,ол ағу температурасына дейін жетеді. Бұл олардың кинетикалық энергиясы жоғарылауы нәтижесінде тізбектің молекулааралық өзара әсер етуінің әлсіреуіне негізделген. Салынған күш әсерінен макромолекулалар өзара ығысады және күштеуді тоқтатқаннан кейін бастапкм қалпына келмейді. Полимер қайтымсыз деформацияланады.
Полимердің қайтымсыз деформацияға қабілетін пластикалық қабілеті деп атайды. Тізбектің басқа бөліктермен бірқалыпты араласуына негізделген қайтымсыз деформацияны пластикалық ағыс деп атайды. Мұндай ағыста тізбектер арасындағы молекулааралық байланыстар бұзьшады.
Термомеханикалық қисықтардың сипаттамасы полимердің табиғатына ғана емес, молекулалық массасына және макромолекулалардағы буындар санына тәуелді n=100, n =1000, п=10000, п=60000). Шынылану температурасы тізбектің жалпы үзындығына тәуелді емес. Қыздыру процесінде шынылану температурасы тізбек арасындағы әркеттесуімен байланысты емес, тізбектегі буындардың айналмалы қозғалысының пайда болуына сәйкес келеді.
ЖМЗ ісінуі және еруі
ЖМЗ-ды ның және коллоидты ерітінділер түзуі мүмкін. Егер еріткіш полярлығы ЖМЗ-ң полярлығына сәйкес келсе, шын (молекулярлы) ерітінділердің түзілуімен еру болады (мысалы, судағы агар- агар мен желатин, полярсыз еріткіштегі каучук). Егер еріткіш полярлығы ЖМЗ-ң полярлығына сәйкес келмесе, зольдер мен дисперсиялар түзілуі мүмкін.
Полимердің пын еруіне алдын ала ісіну процесі жатады. Ісіну деп белгісіз мөлшердегі еріткішті жұту есебіиен полимердің массасы мен көлемінің үлкеюін айтады. Полимер еріткішпен жанасқанда еріткіш молекуласының
полимерге, полимер макромолекуласының еріткішке диффузиясы жүреді. Алайда екі диффузия да өлшемдері мен бөлшектердің жылжуына қарай әртүрлі болады. Ісінудің сандық өлшемі - ісіну дәрежесі (а) болып табылады.
немесе
мұндағы:V жәнеV,m0 және т – бастапқы және ісініп жатқан полимердің көлемі мен массасы.
Полимердің құрылысы мен ісіну температурасына байланысты ісіну шекті және шексіз болып бөлінеді.
Шекті ісінуде өзінің шексіз мәніне жетеді де уақытқа тәуелді болмайды (суық судағы желатиннің, бензолдағы резинаның ісінуі). Шексіз ісінуде a максимумнен өтіп барып нелге дейін түседі, ыстық судағы желатинді және бензиндегі каучукты мысалға келтіруге болады.
Шекті және шексіз ісіну полимердегі байланыс энергияларының сольватациялық энергиямен және энтропиялық фактормен қатынасымен анықталады. Сызықты және тармақталған полимерлерде макромолекулалар елсіз ван-дер- ваальс күштерімен байланысқан. Байланыстың энергиясы ете аз, сондықтан белме температурасында ісіну жүре бастайды
△S + Есолһв>Ебайл
мүндай жағдайда шексіз ісіну болады.
Егер полимер (кеңістік құрьшысты) тізбектері арасында химиялық байланыс болса, онда оларды үзу үшін сольватация энергиясы мен энтропиялық фактор жеткіліксіз болады. △S + Еаиьв < Ебаип, сол себепті ісіну шекті болады.
Полимер макромолекулалар тізбектерінің сольватациясы жүргендіктен ісіну процесін физикалық құбьшыс деп санауға болмайды.
Ісінудін, сольватациялық механизміне сәйкес екенін екі фактор дәлелдейді: ісіну жылуының бөлінуі және контракция (жүйенің жалпы көлемінің азаюы) жатады. Еріткіш молекулаларының сольватты қабаттағы ориентациясы -контракциясының себебі болып табьшады. Ісіну талғампазды процесс.
Ісіну процесі 2 сатыдан тұрады:
1) Ісіну жылуы бөлінеді, жүйенің контракциясы байқалады, бірақ ісіну дәрежесі жоғарғы мәніне жетпейді. Ісіну жылуы мен ісіну дәрежесі арасындағы байланысты эмпирикалық формула керсетеді:
а және b - константалар;
1) Жылудың бөлінуі мен контракция болмайды, бірақ ісініп жатқан полимердің ісіну дәрежесі мен көлемі өседі.
Полимердің ісінуі мен еруінің термодинамикасы.
Полимердің өздігінен еруі мен ісінуі △G төмендеуімен сипатталады (△G 0 жағдайда.
Ісіну қысымы. Полимерлер ісінгенде олардың көлемі 10-15 есе артады, сол кезде пайда болған қысым кейде жүздеген мегапаскальға дейін жетеді. Ісіну қысымы сыртқы қысымға эквивалентті, оны салғанда ісінген полимердің келемінің ұлғаюы тоқтайды.
Поздняктың эмпирикалық тендеуі бойынша ісіну қьісымы есептеледі:
n = kCп
немесе Inn = Ink + nlnC, мұндағы: k және п — түрақтылар, ЖМҚжәне еріткіш табиғатына тәуелді.
С- ісініп жатқан қоймалжыңдағы қүрғақ ЖМҚ концентрациясы.
IgC
"lgn=f(lgCf
Теңдіктің логарифмдік формасы графиктік жолмен k және п константаларын табуға мүмкіндік береді.
Полиэлектролиттер. Изоэлектрлі нүкте.
Полиэлектролиттер - ионогенді топтарға ие ЖМЗ-тар. Оларға молекуласында қышқылдық - СООН және негіздік - ОН топтары бар (полиамфолиттер, амфотерлі ЖМЗ) ақуыздар жатады. Полярлы еріткіштерде ақуыздар диссоциацияланады.
ЖМЗ-ң ерітінділерінде бірнеше бөлшектері бірікпей тек судың қабықшапарының бірігу процесін коацервация деп атайды.
Изоэлектрлік нүкте (ИЭН) деп оң және теріс зарядталған иондар саны бірдей болатын рН-тың мәнін айтады. Ақуыздар тізбектерінің макромолекулалары зарядталған болса созылған, ал ИЭН-де ақ уыз дөңгелек болады. ИЭН-де ақ уыз ерітіндісіне тән қасиеттер: тұгкцрлығы, ісіну дәрежесі және осмостық қысымы ете аз шама, ал коагуляциясы жоғары болады. ИЭН-ні анықтау әдістері полиамфолит ерітінділері қасиетгерінің рН-қа тәуелділігіне байланысты...