Полиэлектролиттер: құрамында электролиттік топтары бар полимерлер
Polyelectrolyte
Полиэлектролиттер: электр зарядтал қайталама бірліктері бар полимерлер. Суда иондалып, электролиттік қасиет көрсетеді. Химия, полимерлер туралы ақпарат.
Ағылшыншамен салыстырыңыз: абзацты басыңыз — түпнұсқа терезеде ашылады. Абзац астындағы EN түймесі оны мәтін ішінде көрсетеді.
Мазмұны
Кіріспе
Электролит тобын тасымалдайтын қайталама бірліктері бар полимерлер
Polymers whose repeating units bear an electrolyte group
Полиэлектролиттер – электролит тобын тасымалдайтын қайталама бірліктері бар полимерлер. Поликциялар және полианиондар полиэлектролиттер болып табылады. Бұл топтар сулы ерітінділерде (суда) диссоциацияланып, полимерлерді зарядтайды. Сондықтан полиэлектролиттердің қасиеттері электролиттерге (тұздарға) және полимерлерге (жоғары молекулалық салмақты қосылыстарға) ұқсас, және олар кейде полисалттар деп аталады. Тұздар сияқты, олардың ерітінділері электр тогын өткізеді. Полимерлер сияқты, олардың ерітінділері көбінесе тұтқыр болады. Жұмсақ материя жүйелерінде кең таралған зарядталған молекулалық тізбектер әртүрлі молекулалық құрастырмалардың құрылымын, тұрақтылығын және өзара әрекеттесуін анықтауда маңызды рөл атқарады. Олардың статистикалық қасиеттерін сипаттауға арналған теориялық тәсілдер электрлік бейтарап аналогтарынан күрт өзгеше, ал технологиялық және өнеркәсіптік салалар олардың ерекше қасиеттерін пайдаланады. Көптеген биологиялық молекулалар полиэлектролиттер болып табылады. Мысалы, полипептидтер, гликозаминогликандар және ДНК полиэлектролиттерге жатады. Табиғи және синтетикалық полиэлектролиттер түрлі салаларда қолданылады.
Polyelectrolytes are polymers whose repeating units bear an electrolyte group. Polycations and polyanions are polyelectrolytes. These groups dissociate in aqueous solutions (water), making the polymers charged. Polyelectrolyte properties are thus similar to both electrolytes (salts) and polymers (high molecular weight compounds) and are sometimes called polysalts. Like salts, their solutions are electrically conductive. Like polymers, their solutions are often viscous. Charged molecular chains, commonly present in soft matter systems, play a fundamental role in determining structure, stability and the interactions of various molecular assemblies. Theoretical approaches to describe their statistical properties differ profoundly from those of their electrically neutral counterparts, while technological and industrial fields exploit their unique properties. Many biological molecules are polyelectrolytes. For instance, polypeptides, glycosaminoglycans, and DNA are polyelectrolytes. Both natural and synthetic polyelectrolytes are used in a variety of industries.
Айыппұл
Қышқылдар әлсіз немесе күшті болып жіктеледі (және негіздер де әлсіз немесе күшті болуы мүмкін). Сол сияқты полиэлектролиттерді "әлсіз" және "күшті" типтерге бөлуге болады. "Күшті" полиэлектролит, ыңғайлы pH мәндерінің көп бөлігінде ерітіндіде толығымен диссоциацияланады. "Әлсіз" полиэлектролиттің керісінше, диссоциация тұрақтысы (pKa немесе pKb) ~2 мен ~10 аралығында болады, яғни ол орташа pH-та жартылай диссоциацияланады. Осылайша, әлсіз полиэлектролиттер ерітіндіде толық зарядталмайды, сонымен қатар олардың бөлшек зарядтарын ерітінді pH, қарсы иондар концентрациясы немесе иондық күшті өзгерту арқылы өзгертуге болады. Полиэлектролит ерітінділерінің физикалық қасиеттері көбінесе осы иондану дәрежесіне күшті әсер етеді. Полиэлектролит диссоциациясы қарсы иондарды босататындықтан, бұл ерітіндінің иондық күшіне, демек, Дебье ұзындығына әсер етеді. Бұл өз кезегінде электр өткізгіштігі сияқты басқа да қасиеттерге әсер етеді. Екі қарама-қарсы зарядталған полимерлердің (яғни поликатион және полианион ерітінділері) қосылғанда, көбінесе ірі кешен (төгінді) пайда болады. Бұл қарама-қарсы зарядталған полимерлер бір-біріне тартылып, байланысуы нәтижесінде болады.
Acids are classified as either weak or strong (and bases similarly may be either weak or strong). Similarly, polyelectrolytes can be divided into "weak" and "strong" types. A "strong" polyelectrolyte dissociates completely in solution for most reasonable pH values. A "weak" polyelectrolyte, by contrast, has a dissociation constant (pKa or pKb) in the range of ~2 to ~10, meaning that it will be partially dissociated at intermediate pH. Thus, weak polyelectrolytes are not fully charged in the solution, and moreover, their fractional charge can be modified by changing the solution pH, counter ion concentration, or ionic strength. The physical properties of polyelectrolyte solutions are usually strongly affected by this degree of ionization. Since the polyelectrolyte dissociation releases counter ions, this necessarily affects the solution's ionic strength, and therefore the Debye length. This, in turn, affects other properties, such as electrical conductivity. When solutions of two oppositely charged polymers (that is, a solution of polycation and one of polyanion) are mixed, a bulk complex (precipitate) is usually formed. This occurs because the oppositely charged polymers attract one another and bind together.
Қалыптасу
Кез келген полимердің конформациясына бірнеше фактор әсер етеді, ең бастысы – полимердің құрылымы және еріткішпен байланысу қабілеті. Полиэлектролиттерде зарядтың да әсері бар. Зарядталмаған сызықты полимер тізбегі әдетте ерітіндіде кездейсоқ конформацияда болады (өзін-өзі қашықтан ұстап тұратын үш өлшемді кездейсоқ қозғалысқа жақын), ал сызықты полиэлектролит тізбегіндегі зарядтар қос қабат күштері арқылы бір-бірін тебіледі, бұл тізбектің кеңейіп, қатаң таяқша тәрізді конформацияға өтуіне себеп болады. Егер ерітіндіде көп мөлшерде тұз болса, зарядтар бейтараптанады. Осының салдарынан полиэлектролит тізбегі көбірек дәстүрлі конформацияға (жақсы еріткіштегі бейтарап тізбек сияқты) жирылады. Полимердің конформациясы көптеген көлемдік қасиеттерге (мысалы, тұтқырлық, бұлдырлаулық және т.б.) әсер етеді. Полиэлектролиттердің статистикалық конформациясын дәстүрлі полимер теориясының түрлерін қолдану арқылы анықтауға болады, бірақ электростатикалық өзара әрекеттесудің қашықтыққа байланысты болуына байланысты полиэлектролиттік тізбектерді дұрыс модельдеу, әдетте, едәуір есептеу ресурстарын қажет етеді. Полиэлектролиттердің конформациясын және конформациялық өзгерістерін зерттеу үшін статикалық жарық шашырауы сияқты техникаларды пайдалануға болады.
The conformation of any polymer is affected by a number of factors, notably the polymer architecture and the solvent affinity. In the case of polyelectrolytes, charge also has an effect. Whereas an uncharged linear polymer chain is usually found in a random conformation in solution (closely approximating a self avoiding three dimensional random walk), the charges on a linear polyelectrolyte chain will repel each other via double layer forces, which causes the chain to adopt a more expanded, rigid rod like conformation. The charges will be screened if the solution contains a great deal of added salt. Consequently, the polyelectrolyte chain will collapse to a more conventional conformation (essentially identical to a neutral chain in good solvent). Polymer conformation affects many bulk properties (such as viscosity, turbidity, etc.). Although the statistical conformation of polyelectrolytes can be captured using variants of conventional polymer theory, it is, in general, quite computationally intensive to properly model polyelectrolyte chains, owing to the long range nature of the electrostatic interaction. Techniques such as static light scattering can be used to study polyelectrolyte conformation and conformational changes.
Полиамфолиттер
Катиондық және аниондық қайталанатын топтарды ұстап тұратын полиэлектролиттер полиамфолиттер деп аталады. Бұл топтардың қышқыл-негіздік тепе-теңдігі арасындағы бәсекелестік олардың физикалық қасиеттерінде қосымша қиындықтарға алып келеді. Бұл полимерлер әдетте, қарама-қарсы зарядталған сегменттер арасындағы өзара әрекеттесуді жоятын жеткілікті мөлшерде тұз қосылғанда ғана ериді. Амфотерлік макропорозды гидрогельдердің жағдайында, шоғырланған тұз ерітіндісінің әсері макромолекулалардың ковалентті байланысының нәтижесінде полиамфолиттік материалдың еріуіне әкелмейді. Синтетикалық 3D макропорозды гидрогельдер өте сұйытылған сулы ерітінділерде pH-тың кең диапазонында ауыр металл иондарын адсорбциялауға тамаша қабілет көрсетеді, оларды кейіннен тұзды суды тазарту үшін адсорбент ретінде пайдалануға болады. Барлық ақуыздар полиамфолиттер болып табылады, себебі кейбір аминқышқылы қышқыл, ал басқалары негізді болады.
Polyelectrolytes that bear both cationic and anionic repeat groups are called polyampholytes. The competition between the acid base equilibria of these groups leads to additional complications in their physical behavior. These polymers usually only dissolve when sufficient added salt screens the interactions between oppositely charged segments. In the case of amphoteric macroporous hydrogels, the action of concentrated salt solution does not lead to the dissolution of polyampholyte material due to the covalent cross linking of macromolecules. Synthetic 3 D macroporous hydrogels shows the excellent ability to adsorb heavy metal ions in a wide range of pH from extremely diluted aqueous solutions, which can be later used as an adsorbent for purification of salty water All proteins are polyampholytes, as some amino acids tend to be acidic, while others are basic.
Қолданбалар
Полиэлектролиттердің көптеген қолданыс салалары бар, олардың көпшілігі сулы ерітінділер мен гельдердің ағыс және тұрақтылық қасиеттерін өзгертумен байланысты. Мысалы, оларды коллоидты суспензияны тұрақсыздандыру және флокуляцияны (төгілуді) бастау үшін қолдануға болады. Сондай-ақ, олар бейтарап бөлшектерге беттік заряд беруге мүмкіндік береді, осы арқылы оларды сулы ерітіндіде таратуға болады. Сондықтан олар жиі қоюлантқыштар, эмульгаторлар, кондиционерлер, тазартқыштар және тіпті кедергіні азайтушылар ретінде қолданылады. Олар суды тазарту және мұнайды өндіруде пайдаланылады. Көптеген сабындар, шампуньдар мен косметикалық өнімдерде полиэлектролиттер кездеседі. Сонымен қатар, олар көптеген тағамдарға және бетон қоспаларына (суперпластификатор) қосылады. Тағам өнімдерінің құрамында кездесетін полиэлектролиттерге пектин, каррагенан, альгинаттар және карбоксиметилцеллюлоза жатады. Соңғысынан басқасының барлығы табиғи шығу тегінде. Соңында, олар цементті қоса алғанда, әртүрлі материалдарда қолданылады. Олардың кейбіреулері суда еритін болғандықтан, биохимиялық және медициналық қолданыстар үшін де зерттеледі. Қазіргі уақытта импланттардың жабындары, дәрілік заттардың бақыланатын шығарылуы және басқа да қолданыстар үшін биоүйлесімді полиэлектролиттерді пайдалану бойынша көптеген зерттеулер жүргізілуде. Соңғы кезде полиэлектролит кешенінен тұратын биоүйлесімді және биоыдырайтын макропорозды материал сипатталды, ол сүтқоректілер жасушаларының өте жақсы көбеюін және бұлшық еттерге ұқсас жұмсақ актюаторларды көрсетті.
Polyelectrolytes have many applications, mostly related to modifying flow and stability properties of aqueous solutions and gels. For instance, they can be used to destabilize a colloidal suspension and to initiate flocculation (precipitation). They can also be used to impart a surface charge to neutral particles, enabling them to be dispersed in aqueous solution. They are thus often used as thickeners, emulsifiers, conditioners, clarifying agents, and even drag reducers. They are used in water treatment and for oil recovery. Many soaps, shampoos, and cosmetics incorporate polyelectrolytes. Furthermore, they are added to many foods and to concrete mixtures (superplasticizer). Some of the polyelectrolytes that appear on food labels are pectin, carrageenan, alginates, and carboxymethyl cellulose. All but the last are of natural origin. Finally, they are used in various materials, including cement. Because some of them are water soluble, they are also investigated for biochemical and medical applications. There is currently much research on using biocompatible polyelectrolytes for implant coatings, controlled drug release, and other applications. Thus, recently, the biocompatible and biodegradable macroporous material composed of polyelectrolyte complex was described, where the material exhibited excellent proliferation of mammalian cells and muscle like soft actuators.