Макромолекул и типы связей между ними. Гибкость макромолекул.

 

Высокомолекулярные соединения (ВМС) получили свое название из-за очень большой относительной молекулярной массы (не менее 10000–15000). Если относительная молекулярная масса обычных низкомолекулярных веществ редко достигает нескольких сотен, например, воды – 18; диоксида углерода – 44; глюкозы – 180, то молекулярная масса натурального каучука (ВМС) находится в пределах от 7 10⁴ до 2,5 10⁶. Молекулы ВМС из-за их большой молекулярной массы называют обычно макромолекулами.

Высокомолекулярные соединения из-за их большой молекулярной массы нелетучи и не способны перегоняться, весьма чувствительны к воздействию внешних факторов. Макромолекулы легко распадаются под воздействием самых незначительных количеств кислорода и других деструктирующих агентов. Большинство ВМС при повышении температуры размягчаются постепенно и не имеют определенной температуры плавления. Температура разложения этих веществ ниже температуры кипения, т. е. ВМС могут находиться только в конденсированном состоянии.

Свойства ВМС зависят не только от размера, но и от формы молекул. Так, ВМС с изодиаметрическими молекулами (гемоглобин, гликоген) – порошкообразные вещества, при растворении почти не набухают, а растворы их не обладают высокой вязкостью. ВМС с сильно асимметричными вытянутыми молекулами (желатин, целлюлоза, каучук) при растворении очень сильно набухают и образуют высоковязкие растворы.

ВМС с линейными молекулами обладают волокнистой структурой, обусловливающей анизотропию свойств и высокую механическую прочность, поэтому они образуют волокна и пленки. Некоторые полимеры высокоэластичны.

Природные и синтетические ВМС. К наиболее важным природным ВМС относятся белки, являющиеся главной составной частью всех веществ животного и растительного происхождения. Молекулы белков построены из различных аминокислот, содержащих ионогенные группы (СООН, NH₃OH) и соединенных пептидными связями. Молекулярная масса различных белков колеблется в широких пределах и достигает нескольких миллионов. Белки используются в основном для пищевых целей. Однако ряд содержащих белки веществ (кожа, шерсть, шелк) находят и техническое применение.

Природными ВМС являются и полисахариды – крахмал, целлюлоза. Целлюлоза – составная часть тканей растений. Наибольшее содержание целлюлозы (96–98 %) в хлопке. Молекулы целлюлозы имеют линейное строение и составлены из остатков глюкозы. Молекулярная масса колеблется от 500 тыс. до миллионов. Крахмал – составная часть всех злаков и картофеля. Макромолекулы крахмала состоят из звеньев глюкозы, и он является не индивидуальным веществом, а смесью полисахаридов, отличающихся размерами молекул и строением. Путем гидролиза из крахмала получают декстрин, патоку и глюкозу.

К природным ВМС относится и натуральный каучук – материал, обладающий высокой эластичностью. Его добывают из млечного сока (латекса) некоторых растений – каучуконосов. Это углеводород, состоящий из изопентеновых (изопреновых) остатков. При нагревании с серой каучук подвергается вулканизации, образуя резину, эбонит.

Помимо природных ВМС в технике и быту применяют синтетические ВМС. К ним относятся синтетические каучуки и различные синтетические полимеры. Эти продукты чрезвычайно разнообразны по химическому составу и свойствам, они являются заменителями природных ВМС, их используют для получения пластмасс, синтетических тканей и др. Производство синтетических ВМС значительно превысило производство конструкционных материалов (алюминиевых и магниевых сплавов и др.). К достоинствам синтетических ВМС относится то, что их можно получить с заранее заданными свойствами, подбирая необходимые исходные материалы и регулируя технологический процесс.

Строение макромолекул и структура ВМС. Молекулы ВМС могут быть линейными и разветвленными. Именно линейной формой макромолекул определяются типичные свойства полимеров: эластичность, способность образовывать нити и пленки высокой прочности, набухать, давать при растворении вязкие растворы и т. д. Эти типичные для полимеров свойства определяются гибкостью их линейных молекул, способностью к колебательно-вращательному движению отдельных звеньев макромолекул вокруг соединяющих их отдельных связей. Благодаря вращению отдельных звеньев, макромолекула изгибается и может принимать различные конформации. Конформации – формы молекул, переходящие друг в друга без разрыва химической связи за счет свободного поворота звеньев.

Гибкость макромолекул – одна из важнейших характеристик полимера, определяющая его основные макроскопические свойства. Гибкость макромолекул − это способность полимерных цепей изменять свою конформацию в результате внутримолекулярного теплового движения звеньев (термодинамическая гибкость) или же под действием внешних механических сил (кинетическая гибкость). Гибкость макромолекул обусловлена тем, что мономерные звенья цепи при тепловом движении или при внешних силовых воздействиях вращаются вокруг одинарных (s-) связей.