ПОНЯТИЕ О ВЫСОКОМОЛЕКУЛЯРНЫХ СОЕДИНЕНИЯХ

Высокомолекулярные соединения и их растворы имеют важное значение в самых различных отраслях промышленно­сти и сельского хозяйства. Особенно велика их роль в жизне­деятельности животных и растений.

Натуральный шелк, хлопковые и многие лубяные волокна, шерсть, кожа, целлюлоза и ряд ее производных (нитроцел­люлоза, ацетилцеллюлоза, вискозный и медноаммиачный шелк, материалы для лаковых покрытий и др.), различные синтетические смолы, пластмассы, натуральные и синтетиче­ские каучуки, каучукоподобные и пленкообразующие матери­алы, синтетические волокна (капрон, анид, нейлон, нитрон, лавсан и др.), органические стекла — вот далеко не полный перечень высокополимеров, применяемых в народном хозяй­стве.

Не меньшее значение имеют высокомолекулярные вещест­ва в производстве продовольственных товаров. Белковые вещества — казеин, желатин, альбумин и другие, а также крахмалистые вещества — основа питания.

К высокомолекулярным органическим соединениям, часто называемым полимерами, в настоящее время относят вещества с молекулярной массой от нескольких тысяч до несколь­ких миллионов. Молекулы соединений с такой большой молекулярной массой состоят из сотен и даже тысяч отдельных атомов, связанных друг с другом силами главных валентно­стей. Каждая молекула высокомолекулярного вещества пред­ставляет собой гигантское образование. Такие огромные молекулы принято называть макромолекулами.

Большая молекулярная масса обусловливает и большие Размеры молекул высокомолекулярных веществ. Так, длина молекул каучука, и целлюлозы достигает 4000—8000 Å (400—800 ммк), поперечные размеры — 3—7,5 Å. Молекулы высо­комолекулярных веществ чаще имеют линейное строение иногда с ответвлениями. В некоторых случаях ответвления связывают между собой ряд молекул, образуя сетчатую, или трехмерную, структуру.

Из-за больших размеров молекул высокомолекулярных ве­ществ диффузия в их растворах идет медленно; макромоле­кулы неспособны проникать через полупроницаемые мембра­ны. Эти свойства, как известно, наиболее характерны для ти­пичных коллоидных систем. Поэтому растворы высокомоле­кулярных веществ ранее относили к коллоидам, и всем таким веществам механически приписывали свойства, присущие кол­лоидным системам. Однако сравнительное изучение типичных коллоидов и растворов высокомолекулярных веществ показа­ло принципиальное различие их свойств.

Как известно, для коллоидных систем обяза­тельно наличие поверхности раздела фаз, агрегативная и тер­модинамическая неустойчивость, необратимость, старение и необходимость третьего компонента (стабилизатора). Степень дисперсности коллоидных частиц определяет величину поверхности раздела на границе дисперсной фазы с дисперси­онной средой. От дисперсности же в значительной степени зависят свойства коллоидных систем. Последние могут быть устойчивыми только тогда, когда в них есть стабилизатор, ко­торый, адсорбируясь на поверхности раздела частица — сре­да, предотвращает их коагуляцию.

В противоположность типичным коллоидным системам растворы высокомолекулярных веществ обладают термоди­намической устойчивостью. Это позволило исследователям предположить возможность образования вокруг их молекул стабилизующих сольватных оболочек растворителей. Само­произвольное образование типичных растворов высокомоле­кулярных веществ подтверждает сродство между растворяемым высокополимером (дисперсная фаза) и растворителем (дисперсионная среда), т. е. лиофильность взятых веществ.

Основываясь на указанных особенностях двух систем, ра­нее разделяли эти системы на лиофобные и лиофильные кол­лоиды. Далее будет показано, что найденные закономер­ности в лиофобных системах оказались непригодными для объяснения процессов растворения высокомолекулярных сое­динений и свойств их растворов.

Каргин и его сотрудники доказали, что растворы высоко­молекулярных соединений должны быть отнесены к истинным (молекулярным), так как они термодинамически устойчивы, обратимы, гомогенны, т. е. однофазные системы. Сами высо­комолекулярные вещества способны самопроизвольно растворяться при соприкосновении с растворителями, а полученные растворы агрегативно устойчивы без введения третьего компонента — стабилизатора.

Благодаря большой молекулярной массе высокомолеку­лярные вещества не летучи и не способны перегоняться. Молекулы их под влиянием механических воздействий или окис­ления сравнительно легко расщепляются, что приводит к зна­чительному изменению свойств полимера. Например, при окислении молекулы каучука с молекулярной массой в 100000 достаточно всего одной молекулы (0,032%) кислорода, чтобы расщепить (деструктировать) молекулу каучука на две с молекулярной массой каждой 50 000. Ниже будет показано, как сильно зависят свойства полимеров от их молекулярной массы.

Из вышеприведенного перечня высокомолекулярных соединений можно видеть, что соединения этого класса облада­ют самыми различными свойствами. Так, натуральные и син­тетические каучуки высокоэластичны (обратимо растягиваются на сотни процентов), а большинство синтетических смол жестки, как стекло. Некоторые высокомолекулярные соединения растворяются в различных растворителях и дают ценнейшие для промышленности растворы в виде лаков, клеев и пленкообразователей, другие же не растворяются ни в чем. Одни обладают кислотостойкостью или диэлектрическими свойствами, у других этого нет и т. д. В настоящее время установлено, что свойства высокомолекулярных веществ зависят от условий их получения, температуры испытания, хи­мического строения, размеров и формы молекул, агрегатного состояния, интенсивности межмолекулярных связей и других факторов.