Полиэлектролиты – это полимеры, мономерные звенья которых способны к электролитической диссоциации. При этом в растворе образуются макроионы (полианионы. - презентация

1 Полиэлектролиты – это полимеры, мономерные звенья которых способны к электролитической диссоциации. При этом в растворе образуются макроионы (полианионы или поликатионы) и низкомолекулярные противоионы (катионы или анионы) 1. Что такое полиэлектролиты? H2OH2O Полиэлектролиты (классификация) Глубина (степень) диссоциации Сильные (диссоциируют нацело) Слабые (диссоциируют частично) Природа выделяемых в раствор противоионов Поликислоты генерируют H + Полиоснования генерируют OH - Полисоли НЕТ ни H +, ни OH - Полиамфолиты генерируют и H +, и OH -

2 2. Какие бывают поликислоты? Поликислоты Полиакриловая кислота (слабая) Полиметакриловая кислота (слабая) Полифосфорная кислота (сильная) х = 1 Полиаспаргиновая кислота (слабая) х = 2 Полиаглутаминовая кислота (слабая)

3 2. Какие бывают поликислоты? Поликислоты Поливинил- сульфоновая кислота (сильная) Полистирол-сульфоновая кислота (сильная) Поли-2-акриламидо-2- метилпропансульфоновая кислота (сильная) Поли-2- метакрилоксиэтансульфонова я кислота

4 3. Какие бывают полиоснования? Полиоснования Поливиниламин (слабое основание) Поли-4-винилпиридин (слабое основание) Поли-N,N- диметиламиноэтилметакрилат (слабое основание) Поли-N,N- диметиламиноэтилакриламид (слабое основание) Полиэтиленимин линейный или разветвленный (слабое основание)

5 3. Какие бывают полиоснования?

6 4. Какие бывают полисоли? Все полисоли – сильные полиэлектролиты Полиакрилат натрия (соль подвержена гидролизу в кислой среде) Поливиниламмоний хлорид (соль подвержена гидролизу в щелочной среде) Поли-N-этил-4- винилпиридиний бромид (соль с четвертичным азотом - не подвержена гидролизу)

7 4. Какие бывают полисоли? Все полисоли – сильные полиэлектролиты N,N- диметил диаллил аммоний хлорид Ионен-x,y (x,y = 2 – 10) Поли-2- метакрилэтилтриметил аммоний бромид

8 5. Какие бывают полиамфолиты? Полиамфолиты – это СОПОЛИМЕРЫ, содержащие и кислотные, и основные звенья в цепи. Поэтому полиамфолиты могут диссоциировать и по кислотному, и по основному механизму. Полиамфолиты Статистический сополимер 4- винилпиридина и метакриловой кислоты К природным полиамфолитам относят белки, которые содержат как кислотные (например, глутаминовая кислота), так и основные (например, лизин) мономерные звенья. Изоэлектрическая точка – значение рН, при котором заряд полиамфолита равен нулю, так как количество отрицательных и положительных зарядов на макромолекуле одинаково.

9 Природные полиэлектролиты Полисахариды Полипептиды природные полипептиды являются полиамфолитами за счёт наличия в их цепи кислотных (R = Asp, Glu) и основных (R = Lys, Arg, His) звеньев в цепи.

10 Природные полиэлектролиты Нуклеиновые кислоты ДНК = Фосфат+ Сахар (дезоксирибоза) + Основание; Аденин (A) – Тимин (T); Гуанин (G) – Цитозин (C) РНК = Фосфат + Сахар (рибоза) + Основание; Аденин (A) – Урацил (U); Гуанин (G) – Цитозин (C)

11 6. В чем отличия полиэлектролитов от низкомолекулярных электролитов? Как связаны между собой рК, рН и степень диссоциации ( ) в случае слабого низкомолекулярного электролита (слабой кислоты)? К – константа диссоциации – степень диссоциации; доля предиссоциировавших молекул кислоты от максимально возможного Уравнение Хассельбаха - Гендерсона

12 7. Как выглядят кривая титрования и зависимость pK от для низкомолекулярного электролита? Какую информацию несут эти графики? V NaOH V NaOH(total) pH pK Кривая титрования низкомолекулярной кислоты щелочью (NaOH). Зависимость рК от.. V NAOH /V NaOH(total). V NaOH - объём добавленной щелочи V NaOH(total) - объём щелочи, необходимый для полной нейтрализации кислоты. Есть выраженный скачок титрования. pK есть константа, не зависимая от ; S 1 – площадь под прямой pK ( ). G дисс - свободная энергия диссоциации кислоты до степени диссоциации S 1

13 8. Как выглядят кривая титрования и зависимость pK от для полиэлектролита (полиакриловой кислоты)? V NaOH V NaOH(total) pH Кривая титрования полимерной кислоты щелочью (NaOH) НЕТ выраженного скачка титрования pK Зависимость рК от.. pK НЕ константа, а возрастающая функция от степени диссоциации

14 А A-A- HA AH H+H+ F el. K1K1 Б A-A- HA A-A- AH H+H+ F el. H+H+ K 2 < K 1 В A-A- HA A-A- AH A-A- H+H+ F el. H+H+ K 3 < K 2 < K 1 H+H+ F el. 9. В чем причина «аномального» поведения полиэлектролитов? А) - Первая группа диссоциирует аналогично низкомолекулярному электролиту с константой диссоциации К 1. В процессе диссоциации уходящий Н + преодолевает притяжение противоположно заряженной группы –А -. Б) – Так как все заряды связаны в цепь, то при диссоциации второй группы второй протон попадает в поле электростатического притяжения уже двух групп –А -. Электростатическая работа по разделению зарядов возрастает, поэтому вторая группа диссоциирует труднее, т.е. с меньшей константой К 2 < K 1. В) – Из-за возрастающей силы электростатического притяжения (F el ) диссоциация каждой последующей группы происходит всё труднее, т.е. с ростом степени диссоциации константа диссоциации монотонно уменьшается ( К n < …< K 3 < K 2 < K 1 ), а соответствующая ей величина рК – монотонно возрастает.

15 pK pK app ( ) pK 0 S 2 pK Какую информацию можно извлечь из зависимостей рК от ? 1. Полиакриловая кислота – полимер без вторичной структуры (конформация статистического клубка) Зависимость рК от позволяет определить электростатическую составляющую свободной энергии Гиббса диссоциации поликислоты G эл ( ). Данная величина отражает структуру заряженной макромолекулы – её конформацию, плотность заряда вдоль цепи и др. рК 0 – характеристическая константа диссоциации поликислоты – константа диссоциации первой группы в отсутствие электростатических взаимодействий зарядов цепи. Определяется экстраполяцией зависимости рК от на значение = 0

16 pK 0 pK pK 0 S 2 S 3 I II III pK app 11. Какую информацию можно извлечь из зависимостей рК от ? 2. Полиметакриловая кислота – образование компактной вторичной структуры в кислых средах Гидрофобные взаимодействия Диссоциация -COOH HOOC- -COOH -COO- - OOC- -COOH -COO - -COOH - OOC- HOOC- -OOC- H+H+ H+H+ I – область заряжения компактной конформации поликислоты; II – область конформационного перехода «компактная конформация клубок»; III – область заряжения клубка; G конф – свободная энергия Гиббса конформационного перехода «компактная конформация клубок».

17 Г A-A- HAHA HAHA A-A- AHAH A-A- H+H+ H+H+ H+H+ Соль Введение низкомолекулярной соли (например, NaCl) приводит к «встраиванию» ионов Na + в клубок и ослаблению притяжения между ионами Н + и карбоксильными группами –СОО - (это называется «экранированием» электростатических взаимодействий). В результате G эл понижается и диссоциация поликислоты становится похожей на диссоциацию низкомолекулярной кислоты. 12. Как сделать диссоциацию полиэлектролита похожей на диссоциацию низкомолекулярного электролита? V NaOH V NaOH(total) pH pK Кривая титрования полимерной кислоты щелочью (NaOH) Без соли В присутствие NaCl

18 A Б 13. Как выглядит полностью предиссоциировавший клубок в растворе? Конденсация противоионов – «возвращение» части противоионов в клубок за счёт электростатических взаимодействий. Чем больше заряд клубка, тем больше доля сконденсированных противоионов. Часть противоионов в клубке Часть противоионов в растворе

19 Ионизация 2 - Конденсация противоионов 1 - Ионизация пр. 14. Как влияет диссоциация на размеры макромолекул? 1. Полиэлектролит без вторичной структуры – полиакриловая кислота 1 – ионизация отталкивание зарядов на цепи клубок разворачивается пр растёт 2 – конденсация противоионов преобладает над ионизацией отталкивание зарядов уменьшается клубок сворачивается пропадает

20 15. Как влияет диссоциация на размеры макромолекул? 2. Полиэлектролит со вторичной структурой – полиметакриловая кислота Ионизация Конденсация противоионов Гидрофобные взаимодействия, компактная конформация сохраняется red -COOH HOOC- -COOH -COO- - OOC-

21 пр. Б – Поли(Glu) рН ( ) - Спираль Клубок H+H+ H - COOH + H+H+ HOOC- -COO - - OOC- -COO - H+H+ H+H+ -COOH -COO - - OOC- -COOH NaOH α-спираль мало заряженный клубок сильно заряженный клубок 15. Как влияет диссоциация на размеры макромолекул? 3. Полиэлектролит со вторичной структурой – полиглутаминова кислота

22 I II III I – Клубок с конденсированными (электростатическими связанными) противоионами; II - зона повышенной концентрации противоионов вокруг клубка (диффузный слой); III – зона равномерного распределения противоионов в толще раствора; Противоионы в зонах I, II и III находятся в состоянии динамического равновесия. 16. Как выглядит распределение противоионов относительно клубка в растворе?

23 C пр – Зависимость приведенной вязкости от концентрации в растворе для «обычного» полимера – не полиэлектролита. 2 – Аномальное поведение полиэлектролита – возрастание приведенной вязкости при разбавлении – это явление получило название «полиэлектролитного набухания». 17. Что такое полиэлектролитное набухание? Чем оно вызвано? С – концентрация полимера в г/дл Причины полиэлектролитного набухания: При разбавлении уменьшается концентрация противоионов в зоне III. При этом (согласно принципу Ле Шателье) часть противоионов переходит из зоны II в зону III, а из зоны I в зону II. Количество конденсированных противоионов уменьшается заряд клубка растёт усиливается электростатическое отталкивание звеньев внутри клубка клубок разворачивается приведенная вязкость увеличивается.

24 соль [NaCl] пр 18. Как влияет низкомолекулярная соль (NaCl) на эффект полиэлектролитного набухания? В чём причины такого влияния? C = const При введении соли увеличивается концентрация противоионов в зоне III. При этом (согласно принципу Ле Шателье) часть противоионов переходит из зоны III в зону II, а из зоны II в зону I. Количество конденсированных противоионов увеличивается эффективный заряд клубка уменьшается уменьшается электростатическое отталкивание звеньев внутри клубка клубок сворачивается приведенная вязкость уменьшается. Введение соли подавляет эффект полиэлектролитного набухания

25 C red – [NaCl] = 0 (эффект полиэлектролитного набухания); 2 - [NaCl] < [Na + ] полимер ; (концентрация соли меньше мольной концентрации противоионов полиэлектролита в растворе); 3 - [NaCl] = [Na + ] полимер –изоионное разбавление (концентрация соли РАВНА мольной концентрации противоионов полиэлектролита в растворе) 4 - [NaCl] > [Na + ] полимер ; (концентрация соли больше мольной концентрации противоионов полиэлектролита в растворе) 5 - [NaCl] >> [Na + ] полимер ; (полное подавление полиэлектролитного эффекта в избытке соли) 19. Что такое изоионное разбавление?

26 20. Из чего складывается осмотическое давление бессолевого раствора полиэлектролита? h = gh Растворитель Полупроницаемая мембрана Рассмотрим для простоты случай псевдоидеального ( ) растовора n – мольная концентрация всех частиц в растворе.

27 20. Из чего складывается осмотическое давление бессолевого раствора полиэлектролита? n p – мольная концентрация макромолекул; n m =P* n p - мольная концентрация заряженных звеньев (если заряд в каждом звене); Р – степень полимеризации; - степень диссоциации; Ф – доля осмотически активных противоионов (не сконденсированных на макромолекуле); Фn p – мольная концентрация противоионов Осмотическое давление бессолевого раствора полиэлектролита – это осмотическое давление его противоионов – определить молекулярную массу полимера нельзя!

28 21. Что такое эффект Доннана? h = gh Р-ритель n S nSnS Рассмотрим для простоты случай псевдоидеального ( ) раствора; n s – равновесная концентрация низкомолекулярного электролита (низкомолекулярной соли, рассмотрим для простоты случай NaCl) в ячейке с полиэлектролитом; n s – равновесная концентрация низкомолекулярного электролита в ячейке без полиэлектролита;

29 21. Что такое эффект Доннана? Для разбавленных растворов: Пусть для определенности мы имеем полианион (отрицательно заряженный полиэлектролит) - химический потенциал; а – активность; - коэффициент активности; индексы: s – соль, «+» - низкомолекулярные катионы, « » низкомолекулярные анионы

30 21. Что такое эффект Доннана? r D – отношение Доннана Концентрация соли в ячейке без полиэлектролита всегда выше. Эффект Доннана – эффект вытеснения низкомолекулярной соли из ячейки с полиэлектролитом. Чем выше заряд на полиэлектролите и чем меньше общая концентрация соли в системе, тем сильнее выражен этот эффект.

31 22. Чему равно осмотическое давление раствора полиэлектролита в присутсвие низкомолекулярного электролита (соли)? Для простоты опять примем, что в отсутствие диссоциации раствор был бы псевдоидеальным Z = РФ – заряд макромолекулы Считаем, что добавили избыток соли

32 22. Чему равно осмотическое давление раствора полиэлектролита в присутсвие низкомолекулярного электролита (соли)? В присутствии соли можно определить молекулярную массу полиэлектролита

33 23. Чему равен второй вириальный коэффициент полиэлектролита? Для полиэлектролитов А 2 > 0; Чем больше плотность заряда на макромолекуле и чем ниже концентрация низкомолекулярного электролита, тем выше значение второго вириального коэффициента

34 24. Что такое изоэлектрическая и изоионная точки для полиамфолитов? Для глицина:

35 24. Что такое изоэлектрическая и изоионная точки для полиамфолитов? Изоэлектрическая точка (pI, ИЭТ) – значение рН раствора, при котором суммарный заряд амфолита равен нулю. Для простого амфолита с двумя диссоциирующими группами: Для глицина: ИЭТ – константа для данного полиамфолита, определяемая значениями констант диссоциации индивидуальных групп

36 Физическая модель глобулярного белка в нативной конформации. Гидрофобное ядро COOH HOOC COOH NH2NH2 Гидрофильная периферия Ионные группы NH2NH2 H2NH2N

37 Изоэлектрическая точка белков COO - HOOC COOH N + :H H: + N COOH N + :H I - OOC COO - N + :H H: + N COO - N + :H III - OOC COO - N: :N N: V HOOC COO - N + :H H: + N COOH N + :H II - OOC COO - N: H: + N COO - N: IV - + pI pH БелокpIБелокpI Пепсин 1.4 -Лактоглобулин 5.1 Яичный альбумин 4.71Гемоглобин 6.87 Сывороточный альбумин 4.59Рибонуклеаза 9.4 -казеин 4.50Цитохром-C10.6

38 24. Как экспериментально определить изоэлектрическую точку? pH Растворимость pI Желатина (денатурированный белок) В ИЭТ многие свойства (осмотическое давление, электропроводность, растворимость, удельная вязкость (для клубков) и др.) принимают минимальные значения

39 24. Что такое изоионная точка? Как она связана с изоэлектрической точкой? Изоионная точка (pS, ИИТ) – собственное значение рН раствора полиамфолита. Для бессолевого раствора полиамфолита справедливо уравнение электронейтральности: 1. Если ИИТ лежит в щелочной области, то ИЭТ лежит правее, если ИИТ лежит в кислой области, то ИЭТ лежит левее на шкале рН. Если ИИТ = 7, то и ИЭТ = Если концентрация полиамфолита не очень мала и ИИТ лежит не в очень кислой или щелочной области, то ИИТ ИЭТ

40 pH pS pI a) – нет избирательности pS pH pI pH pS б) – избирательное связывание катионов в) – избирательное связывание анионов 24. Как влияет избирательное связывание малых ионов с полиамфолитом на положение ИИТ и ИЭТ? Mg 2+, Ca 2+, Fe 3+ и др. I -, SO 4 2-, PO 4 3- и др. Na +, K +, Cl -, HPO 4 2- и др.

41 25. Где применяются полиэлектролиты? -COOH -COO- HOOC- -OOC- HOOC- -COOH HOOC- H2OH2O Сшитая полиакриловая кислота – суперадсорбент (очень хорошо «захватывает» и удерживает воду) – наполнитель для подгузников, одноразовые пеленки и др. -COOH HOOC- H2OH2O -COOH -COO- HOOC- -OOC- HOOC- Ca 2+ Mg 2+ Na + Mg 2+ Ca 2+ + H+H+ H+H+ H+H+ H2OH2O H2OH2O H2OH2O Сшитые полиэлектролиты – ионообменные смолы (иониты) – опреснители и очистители воды

42 25. Где применяются полиэлектролиты? Дисперсия Осадок Чистая вода Полиэлектролиты – коагулянты и флокулянты – очистка сточных и промышленных вод, обогащения минерального сырья и др. Полиэлектролитное набухание высокая вязкость водных растворов полиэлектролиты - загустители и гелеобразователи водных сред шампуни, пасты, гели, мази и др.