Исследование свойств растворов полиэлектролитов

1. Краткое теоретическое введение.

Растворы высокомолекулярных веществ, если они находятся в термодинамически равновесном состоянии, агрегативно устойчивы. При введении больших количеств электролита или нерастворителей (жидкостей, плохо растворяющих данное ВМВ) наблюдается выделение ВМВ из растворов – высаливание. Для белков и полисахаридов высаливающим действием обладают такие нерастворители как этанол и ацетон. Из электролитов обычно более сильным высаливающим действием обладают анионы, которые можно расположить в лиотропный ряд:

SO₄²⁻ > Cl⁻ >NO₃⁻ > Br⁻ > I⁻ > CNS⁻

Первым этапом растворения ВМВ является набухание. Набухание – самопроизвольный процесс поглощения молекулами ВМВ низкомолекулярного растворителя, сопровождающийся увеличением объема и массы ВМВ. Набухание может быть ограниченным и неограниченным, заканчивающимся растворением ВМВ.

Ограниченность или неограниченность набухания определяется соотношением между энергией связи в молекулах ВМВ и энергией сольватации с энтропийным фактором.

Ограниченно набухают высокомолекулярные вещества, имеющие химические связи – «мостики» – между цепочками макромолекул. Если молекулы ВМВ имеют линейную или разветвленную структуру, то они связаны между собой Ван-дер-Ваальсовыми межмолекулярными силами, энергия связи которых невелика, и уже при комнатной температуре энергия сольватации и энтропийный фактор превышают энергию связи, процесс набухания идет неограниченно.

На набухание влияет целый ряд факторов. Температура влияет на набухание в соответствии с принципом Ле-Шателье: с увеличением температуры скорость набухания возрастает (увеличивается энергия макромолекул), но снижается предельное набухание, так как набухание – экзотермический процесс.

рН среды оказывает влияние на набухание тех ВМВ, молекулы которых содержат полярные группировки (например, у белков). При более высоких и низких значениях рН за счет образования заряженных групп на поверхности молекул белков их форма изменяется, что отражается на величине набухания.

На набухание ВМВ оказывает большое влияние присутствие посторонних ионов, заряд которых противоположен заряду полиионов: чем выше заряд постороннего иона, тем сильнее понижает он величину набухания.

На набухание оказывает влияние физическое состояние и природа ВМВ. Легче всего набухают и растворяются ВМВ в высокоэластическом и вязкотекучем состояниях и с редкими боковыми цепями, труднее набухают ВМВ в стеклообразном состоянии и при наличии упорядоченных частных боковых цепей, ужесточающих структуру полимеров.

Для эффективного набухания и растворения ВМВ необходима близость его по полярности к растворителю. Так, углеводородные ВМВ энергично набухают и растворяются в жидких углеводородах (бензол, бензин) и не растворяются в сильно полярных жидкостях (вода, спирты). Полярные ВМВ (целлюлоза, поливинилацетат, желатин) не взаимодействуют с углеводородами, но хорошо набухают и растворяются в воде.

Количественной мерой набухания является степень набухания α, которая может иметь объемное или массовое выражение.

Подобно низкомолекулярным веществам ВМВ можно подразделять на электролиты и неэлектролиты. Важнейшими высокомолекулярными электролитами являются водные растворы белков. Заряд на макромолекулах белков возникает в водных растворах в результате диссоциации ионогенных групп. Белковые молекулы как продукт поликонденсации аминокислот содержат основные группы – NН₂ и кислотные – СООН и относятся к полиамфолитам, так как цепочка макромолекулы может быть достаточно большой и содержать несколько функциональных групп как в виде боковых цепей, так и на концах макромолекул. Ионизация таких молекул идет по кислотному и основному типам в зависимости от рН среды.

В кислой среде:

В щелочной среде:

В нейтральной среде:

Как видно из последнего случая, существует такое состояние, когда число ионизированных кислотных групп равно числу ионизированных основных групп. Такое состояние называется – изоэлектрическим, а рН среды, соответствующее такому состоянию – изоэлектрической точкой (ИЭТ).

В изоэлектрическом состоянии свойства белковых растворов резко изменяются. В ИЭТ по всей длине белковой молекулы находится равное количество положительно и отрицательно заряженных ионогенных групп, и гибкая макромолекула сворачивается в плотный клубок (глобулу) в силу притяжения разноименных зарядов. В таком состоянии уменьшается вязкость растворов (уменьшается сопротивление потоку течения раствора), изменяется осмотическое давление (меньшая поправка на объем, занимаемый макромолекулами), хуже идет набухание – затруднено проникновение молекул растворителя внутрь структуры ВМВ, уменьшается растворимость, падает электрическая проводимость.

Изучение этих свойств используется для определения изоэлектрической точки белков.

В молекулах белков в большей степени проявляются кислотные свойства, ИЭТ лежит в слабокислой области при значениях рН: для желатина – 4,7; для казеина – 4,6; для глобулина – 5,4.

Цель работы.

1. Изучить влияние рН на высаливание желатина.

2. Изучить влияние рН на мутность раствора желатина.

3. Определить изоэлектрическую точку желатина.

4. Изучить явление коллоидной защиты.

Реактивы и оборудование.

0,1 М раствор уксусной кислоты, 0,1 М раствор ацетата натрия, 1%-ный раствор желатина, насыщенный раствор сульфата аммония, 1%-ный раствор нитрата серебра, 0,1 М раствор соляной кислоты.

Градуированные пипетки 2 мл, градуированные пипетки 5 мл, пробирки, штатив для пробирок.

Секундомер.

Порядок выполнения работы.

Влияние рН на высаливание желатина. Определение изоэлектрической точки желатина по мутности его растворов (визуальный метод)

Приготовить буферные смеси в пяти пронумерованных пробирках, как указано в таблице 7.1

Таблица 7.1

Экспериментальные данные измерения степени мутности при высаливании желатина из растворов с различными рН

№ пробирки	V (0,1М CH3COOH), мл	V (0,1М CH3COONa), мл	рН	Степень мутности
	1,8	0,2	3,8
	1,4	0,6	4,4
	1,0	1,0	4,7
	0,6	1,4	5,1
	0,2	1,8	5,7

В каждую пробирку добавить 1 мл 1%-ного раствора желатина, затем по 1 мл «высаливающего» агента: насыщенного раствора (NH₄)₂SO₄, растворы перемешать.

Через 5 минут после добавления сульфата аммония отметить степень мутности по 5-балльной шкале. Определить значение ИЭТ желатина.

Коллоидная защита

Взять две пробирки и налить в каждую по 1 мл раствора AgNO₃. В одну из пробирок добавить 1 мл золя желатина, перемешать. Затем в обе пробирки прибавить по 1 мл раствора соляной кислоты, перемешать. Описать наблюдаемые явления.

Выводы по работе.

1. Оценить, как влияет величина рН на способность к высаливанию желатина из растворов.

2. Сравнить экспериментальное и теоретическое значение ИЭТ желатина.

3. Объяснить влияние желатина на величину дзета-потенциала образующегося золя AgCl и его стабилизирующее действие.

Вопросы для контроля.

1. Какие дисперсные системы называют лиофильными?

2. Каковы особенности растворения ВМВ?

3. Чем обусловлена агрегативная устойчивость растворов ВМВ?

4. Что такое высаливание и какие факторы влияют на процесс высаливания?

5. Что такое студень и как его получают?

6. Какой процесс называется набуханием? Каков механизм набухания?

7. Как изменяются энергия Гиббса, энтальпия и энтропия в процессе набухания?

8. Каковы количественные характеристики процесса набухания?

9. Какие факторы влияют на процесс набухания?

10. Какие факторы влияют на процесс застудневания растворов ВМВ?

11. Какие ВМВ называют полиэлектролитами, полиамфолитами?

12. Что такое изоэлектрическое состояние ВМВ, изоэлектрическая точка белков?

13. Как изменяется форма макромолекул белков в кислой и щелочной средах?

14. Какие свойства белков изменяются в ИЭТ?

15. Какие методы используют для определения ИЭТ белков?