А.Ю. Гросберг, А.Р. Хохлов - Физика в мире полимеров (1119325), страница 9
Текст из файла (страница 9)
Но прежде чем переходить к этим примерам, пеобходиью отметить следующее важное обстоятельство. !.)сь!овные бпополпмеры функционируют в водной среде: у челове!а ! адз составляет около 60 % массы тела, у ряда других живых существ — еще больше. Водоемы — колыбель жизни !о6 этом подробнее !юйдет речь в главе 9) ) )оэтоыу рассказ ьк основных биополимерах целесообразно предпари!ь краткими сведениями о молекулярной струкгуре воды.
3.1. Неа!ного о воде, о л!обви и ней и о водобоязни Молекула воды г),0 имеет вид треуголь~!п'а !!рпс. 3.)), прн !ем двюкение электронов в молекуле таково, что они в среднем как бы оттянуты примерно на 0,2 Л-.:= ! ! и !н! , / Рис. 3.1. Молекула воды й) =2. )0 " м от ядер водорода к ядру кислорода.
Из-за этого положительпыи заряд ядер водорода не полностью скомпевсирован, а вблизи ядра кислорода, напротив, имеезся пескомпенспрованцый отршгательный зиряд С этим-то на первый взгляд пепритязьпельным обстоятельством и св!!- завы, в копечнсм итоге, основные специфические свойства годы, которые позволяют ей играть столь важную роль в живых организмах. с!то это за свойства? Во-пер».ых, молекула воды имеет довольно зна !нтельиг.:й! дипольпый момент р —.-0,6 10 "-' к м, т.
е. вода — полярная жидкость (полярнымн называют вещества, молекулы которых имеют дипольный момент). Это означает, что молекулы воды при их взаимодействии с внешним электрическим полем можно себе представлять в виде небольших «дипольчиков», каждый нз которых состоит из двух зарядов -,' «и — е (е — заряд электрона, е-1,6 !О "К), разнесенных на расстояние а; р — еа. Учитывая приведенное выше !псловое зна ~ение р, получаем а — --р/е-=0,4 Л--4.10 " м. Такие «днпольчики» очень хорошо ориентируются во внешнем электрическом поле; именно поэтому относительная дззте«трическая проницаемость воды еж81, т.
е. гораздо болыие, чем у других распространенных жидкое~ей. Бо-вторых, оказывается, что между молекулами воды могут образовываться так называемые водородные связи. Водород ая связь — это пзсыща!опгееся притягивателыюе взаимодействие между парой атомов типа О, С, М и т. п., один из которгях ковалентно соединен с водородом, например: О--Н...О (точками показана водородная связь, сплошной ли~ и й — ковалентная). Прптяжени вози~ к«ет, грубо говоря, из-за того, что электрон атома водорода смещается в сгороиу ковалентно связанного атома кислорода; в результ:т.. появляется нескомпеисированный положительный заряд в !лизи ядра Н, «связывающий» два ядра О, вблизи которых имеется избыточный отрицательный заряд, Звертив водородной связи порядка 0,1 эВ=1,6 10 "Дж, что па один-два порядка меньше энергии ковалзнтной связи (1 —:!О эВ), но несколько больше„чем тепловая энергия прн комнатной температуре (300 К): /гТ 0,03 эВ, Ьж!,38х 10 "" Дж1К вЂ” постоянная Вольцмана.
Поэтому молекулярная структура воды в каждый момент времени представляет собой пргсгранствснную сетку водородных связей (рис. 3.' ), го, в отличие от полимерного геля, эта се~на из-за теплового движения ссз время рвется н «завязывается» ио-новому. Сетка водородных связей — ключ к объяснешпо мягких особенностей водьц например ее высокой теплоемкости: ~тобы увеличить земпсратуру водьй нужно потратить значи сальную энергшо на разрыв водородных связей. С описанными специфическими особенностями воды связаны и свойства воды как растворителя: неполярные ве- щ ества (т.
е. вещества, молекулы которых ве яме~от диполь- ного момента, например простейшие органические вещества, жиры, масло) практически нс растворяются в воде, раствори- мость же в воде полярных веществ, как правило, лучше, Объяснить этот факт можно следу~оп!им образом. Прн по- мещении в воду полярной молекулы Возникает сильное ~р 7 ее притяжение к молекулам воды, обусловленное взаимо- Д' 1 '~ О= действием между «дипольчи- О ками»(которые стремятся ориентироваться параллельно «, друг другу). Энергия такого 9 притяжения для низкомолекулярной молекулы обы пю Д порядка О,! ВБ, часто этого ,Р «бывае~ достаточно, чтобы обеспечить хорошую растворимость полярных молекул в воде. Если же в окружение мо- Ь ь)->-«- лекул воды попадает ненолярная молекула, то притяжение не возникает, напро- тиВ, В структуру ВОды ВПО- сятся искажения за счет раз»одер""яьх рьша сетки водородных свясвввей в воде зей — этоэпергетически невыгодно, так что молекулы во- ды стремятся «вытолкнуть» инородную молекулу; раствори- мость таких молекул в воле практически отсутствует.
Полярные и неполярные вещества называют. еще соот- ветственно гидрофильными и гидрофобными; эти названия станут ясны при переводе с греческого: «филос» — любовь, склонность; «фобос» — с~рах, боязнь. Представления о гид- рофильности и гидрофобности играют огромную роль в молекулярпои биологии, 3. 2. Молекулы из головы и хвоста Итак, если в стакан с водой добавить гидрофильного вещества, то оно перемешается с водой, т. е растворится, подобно сахару.
Если то же самое сделать с гидрофобным веществом, то оно растворяться не будет, т. е. отслоится от воды, подобно масчу. А что будет, если в контакт с водой привести так называемые амфифильпые молекулы, у которых химически соедиыеиы г??дргх)>оби?ав ы гыдрофпльпая с>аст>?Р Вза?>моде?й>отвис ве>цгства из амфифылы>ых молекул с ьодой каждый из ыас ?>аблюдает ежедневно — ведь именио из таких молекул состо??т мыло, (Как ие упомяпуть о мыле при эпиграфе из «Мой?>олыра»!). Кроме того, амфифильиые молекулы ы>ироко распространена> в б>ыолог>?ческпх с?>с?емах.
г1аще всего амфыфылыгые молекулы состоят из полярпой атомпой группы — «?о- ЛОВЫ» (СМ. РИС. 3.3) и ГЫЛ- С > — СН« — С?>х — " — Сыз рофобыОГО «х?>ос?а», >?О- торый отходит от «голо- Рис, 3.3. Схематическое и«оправы» и представляет собой жеане тииичиой амфифильиой умереяыо Ллищ>у?о угмолекулм леволородную иепо'>ку ( — С11« — )и (обычно число и лежит в пределах от 5 до 20), так ?>о вс» молекула похожа ыа «головастика». Строго говоря, молекулы-«головастики» типа пзображеыпых иа рпс.
3.3 пельзя отнести к вполые полимерным, поскольку '>вело и ?>е очень велико, ыо все же, как мы увидим, имешю пали'?ие достаточно длинного «хвоста» определяег многие иытересные свойства таких молекул. и й1Я~д~~ — =Зад>а =- Ж«д Веда и Ю д Рис. Змй Поведи??ие амфифильимх молекул а воде Итак, что произойдет, если молекулы, изображениь>е ыа рис. 3.3, поыьматься растворить в воде«' Нетрудно сообразить, ?то пока молекул немного, оыи расположатся ыа поверхыости, «прыльиув» к воде го>?о?>Ими ?? выстащ>в ыал водой хвосты (рис.
3.*?а). Отсюда, кстати, ясно и как моет мыло. у> ир и другие ыеполярыые органические соедш>ения труд- по смыть водов, поскольку оыи в воде ые раствора>отсы. но как только появляются амфпфыльыые молекулы мыла, их гыдрофобиые части «п(>или??гпот>> к жиру — ведь ИО??такт г?>??рсфоб?>ых частиц в присутствии воды энергетически вы?одея, так как оыи за>цищают друг друга от ко?>та??та с вод?»?; в результате мслекулы мыла Обволакивают капельки жира (рпс.
ЗАб). Но у получа>ощихся част?щек поверхность оказывается целиком «выстланной» п<дрофильвыми <шопенами» молекул мыла, такие чангички раствори<отея и легко смываются водой. Можно скязаттн что амфифнльные молекулы мыля как бы «прицепля<от» жир к воде(рис. 3.4в~. Но что случается, если <«головастиков» много н места ня поверхности пм пс хватает? Из опыта с мылом мы знаем, что возмож<ю увеличение площади поверхности воды за счет образования множества пузырей или пены; такого рода вещества даже называют поверхностно-активными, Если же увеличение внешней поверхности жидкости певозмож<ю :=~~= С7~ а <у е :..
-".Й ~~.у яра» ° аа7а аРа и р Рис, 3.Ги Илмеиеиие структуры растворов имфифи«ы<ых молекул при постепенном увеличении их к<ишеитрлиип то последовательность событий, происходящих при нос<спинном увеличении шсла «головастиков», будет примерно такой, как схематически изображено па рис. З.б. Сначала <шоловастики» собира<отса в шарообразные частицы, так называемые сферические мнцеллы, у которых контактирующая с водой внешняя поверхность образована гидрофнльными «головимп»„а внутри спрятаны от воды гидрсфобные «хвосты» (рис.
З.ба). Так«е мицеллы, конечно, свободно растворщотся в воде (ведь воде они «кажутся» полностью гидрофильны»п<<) и, с другой стороны, в<дуг себя кяк весьма устойчивые, почти неразрушаемые един<ив частицы. Когда амфпфильиых молекул становится болыне, сферическим мяцеллям оказывается тесно и <шолоиастики» пер<= страивяются, формируя систему параллелш<ых цилиндрических мицслл (ги<с. ХБЯ. Если <шолоиястииов становится е!це больше, или, что то же самое, воды меньше,то воды уже не хватает на заполнение пустот между цилиндрическими мнцеллами. Поэтому амфифильпые молекуль! опять !!ересграиваются с образованием так называемых ламеллеи — параллельных слоев (рис. 3.5в), Прн еще меньшем количестве воды образуются последовательно цил!шдрическне(рис.3.5г) и сферические (рис.3.5д) обращенные мицеллы.
Получается много разных и очень к( а! иных стр! кт! р Свойства веществ с подобными структурами необыч. ! пы. Они текут„но для случаев 5 иг по-разному в направлениях вдоль и поперек цилиндров, а для ламеллярной структуры в течение возможпотолько в одном направлении путем проскальзывания слоев. Свет распространяется тоже по-разному вдоль и поперек цилиндрических мицелл, вдоль и поперек ламеллей; поэтому типично появление двулучепреломления. Впрочем, с одним веществом все пять стадий рис. 3.5а— д обычно не набл!одаются: «хвосты» могут быть слишком толсты для образования сферических или даже цнлнпдрическнхмицелл, а могутбыть, наоборот, ислишкомтонки для обращенных мнцелл.
С одним веществом, как правило, удается наблюдать две-три из структур рис.3.5. Отметим также, что похожие мнкродоменные структуры встречаются и в концентрированных растворах или расплавах блок-сополимеров — цепочек типа А — А-...— А— В-- —...—  — А —, если компоненты А и В несмешиваются. !Чакроскопически расслоиться (как вода и масло) компоненты А и В не могут, потому что они крепко соединены в единые цепи, а смешивание их привело бы к про нгрышу энергии от энергетически невыгодных контактов А-участков с В-участками — поэтому и возникают шаровые, цилиндрические или слоевые «острова» более редкой компоненты в «море» более обильной.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
