Высокомолекулярные соединения (ВМС)

Различают природные и синтетические высокомолекулярные соединения. Природные ВМС — белки, крахмал, целлюлоза — не только формируют животный и растительный мир, но и входят в состав пищевого сырья и продуктов питания. Ряд важнейших отраслей пищевой промышленности (хлебопекарная, крахмалопаточная, продуктов брожения и др.) основан на использовании природных ВМС. Синтетические ВМС широко используются в промышленности и в быту. На их основе получают в больших количествах материалы, которых нет в природе и с теми качествами, которые недоступны природным материалам.

ВМС и растворы обладают рядом свойств, характерных для дисперсных систем; кроме того, им присущи свои специфические свойства, к которым, в частности, относятся набухание и студнеобразование. Это привело к формированию раздела коллоидной химии, именуемого «коллоидной химией ВМС». Коллоидные и специфические свойства растворов ВМС играют особую роль в пищевой технологии.

Коллоидная химия ВМС

К высокомолекулярным относятся соединения с большой молекулярной массой. ВМС могут быть природными и синтетическими (полимеры). Большинство синтетических ВМС нерастворимы в воде и являются твердыми веществами. Значительная часть природных ВМС способна растворяться в воде.

Многочисленные полимерные материалы — полиэтилен, фторопласты, полиамид, полистирол, фенол-формальдегидные смолы и др. — это синтетические ВМС.

ВМС состоят из макромолекул, что означает «гигантские молекулы»; их молекулярная масса составляет 10⁴—10⁶ (сравним — молекулярная масса воды равна 18). Макромолекулы формируются из большого числа повторяющихся группировок атомов, именуемых звеньями. Для полимеров характерны мономерные звенья. Полимеры образуются из низкомолекулярных молекул. Молекулы способны вступать в реакцию друг с другом или с молекулами других веществ с образованием полимеров. Так, в результате полимеризации этилена образуется полиэтилен по следующей схеме:

m(CH2 = CH2) —'— (-CH2 — CH2-)n. (19.1).

этилен полиэтилен ЗвеньяСН₂-СН₂ — являются мономерными.

К природным, или биополимерам относятся важнейшие ВМС растительного и животного происхождения: белки, нуклеиновые кислоты, полисахариды (крахмал, целлюлоза), натуральный каучук и др. Белки составляют основу всех живых организмов и участвуют практически во всех процессах жизнедеятельности.

Как уже отмечалось (см. параграф 1.4) своим нaзвaниeм кoллoиднaя химия обязана растворам ВМС, обладающим клеящим действием. «Коллоид» означает клееподобный (от греческого «колла» — клей). Таким образом, в начале зарождения коллоидной химии, т. е. в 60-х годах XIX-ого столетия, никто не сомневался в том, что растворы ВМС являются объектами коллоидной химии. Позже, в 30-х годах XX-го столетия, растворы ВМС исключили из объектов коллоидной химии. Основанием послужила термодинамическая равновесность некоторых растворов ВМС. Действительно, растворы ВМС обладают дисперсностью (определенным размером макромолекул) при отсутствии гетерогенности, т. е. границы раздела фаз — одного из существенных признаков дисперсных систем. В связи с этим растворы ВМС стали рассматриваться в качестве истинных, а не коллоидных.

В конце концов, все встало на свои места. В последние 30 лет определилось новое научное направление — коллоидная химия ВМС (полимеров) как составная часть коллоидной химии.

Нельзя считать, что растворы ВМС принадлежат либо к истинным, либо к коллоидным растворам: они обладают свойствами как истинных, так и коллоидных растворов, а также специфическими свойствами, присущими только им, а именно:

как коллоидных растворов — способность переходить в золь при замене растворителя; студнеобразование, аналогичное гелеобразованию; броуновское движение, диффузия, рассеяние света; образование ассоциатов молекул, размеры которых соизмеримы с частицами высокодисперсных систем (элементы гетерогенности), эмульсий, суспензий и пен;

как истинных растворов — лиофильность, самопроизвольное образование, гомогенность в определенных условиях, термодинамическая устойчивость;

специфические — анизотропия вязкости в зависимости от структуры и свойств растворителя, набухание и студнеобразование.

Растворы ВМС являются типичными лиофильными обратимыми системами. Они образуются самопроизвольно и термодинамически устойчивы. Сухой остаток ВМС в состоянии самопроизвольно переходить в раствор. Перечисленные признаки характерны для истинных растворов.

В то же время растворы ВМС обладают некоторыми свойствами коллоидных растворов. Размеры макромолекул ВМС соответствуют размерам частиц высокодисперсных систем: 1—100 нм, чаще 40—80 нм. В определенной ситуации макромолекулы ВМС можно рассматривать в качестве самостоятельной фазы. Напомним, что фаза — это однородная по агрегатному состоянию, составу и свойствам часть системы. Своеобразная граница раздела возникает между структурами (макромолекулами) и бесструктурным веществом (растворителем). Кроме того, макромолекулы могут взаимодействовать и образовывать ассоциаты. С увеличением концентрации ВМС или с понижением температуры размеры и время существования ассоциатов увеличиваются; при этом их размеры соответствуют размерам частиц высокодисперсных систем.

Растворы ВМС в зависимости от природы растворителя могут быть истинными или коллоидными. Желатин, например, представляет собой белок, в состав которого входят полярные группы, имеющие большое сродство к воде. Поэтому неудивительно, что в воде при нагревании желатин образует истинный раствор. Но стоит только заменить воду на спирт, как истинный раствор желатина переходит в коллоидный, и образуется золь.

Обратный переход из коллоидного раствора в истинный наблюдается для натуральных и синтетических каучуков. Они растворимы в бензоле, бензине и других углеводородных растворителях, но нерастворимы в воде и образуют в водной среде коллоидные растворы, называемые латексами.

Макромолекулы ВМС не проходят через мембраны. Для растворов ВМС, как и для истинных и коллоидных растворов, характерны осмос, обратный осмос и ультрафильтрация (см. рис. 12.7). Макромолекулы ВМС в жидкой среде способствуют образованию суспензий, эмульсий и пен. Для полимеров характерны такие поверхностные явления, как адсорбция и адгезия. Макромолекулы растворов ВМС подобно частицам коллоидных растворов способны к броуновскому движению и диффузии, а также к рассеянию света.

Таким образом, коллоидная химия ВМС на основе общих закономерностей и явлений, присущих дисперсным системам, рассматривает особые, характерные для этого класса веществ, свойства.