5. Набухання гелів

Для роботи необхідно: желатин; 0,1 н. розчин СН₃СООН; 0,1 н. роз- чин СН₃СООNa; штатив з пробірками; піпетка, градуйована на 10 мл.

Поглинання рідини студнем або гелем, що супроводжується значним збільшенням його об’єму, називається набуханням.

Процес набухання є характерною властивістю гелів у таких високомо- лекулярних сполук, як желатина, агар-агар, каучук, що називаються елас- тичними гелями, на противагу ненабухаючим – нееластичним гелям, до яких належать, головним чином, неорганічні гелі типу SiO₂, SnO₂, TiO₂. Подібні гелі можуть вбирати змочуючу їх рідину. Проте їх об’єм при цьому не змінюється.

Характерною рисою високомолекулярних сполук являється асиметрія форми ниткоподібних макромолекул, що мають великі розміри ланцюгів.

Властивість еластичного гелю зв’язана з пружністю ланцюгів макро- молекул, з яких складається основа гелю. Пружність макромолекул зале- жить від природи атомів, що входять до складу макромолекул, від харак- теру розподілу цих атомів, від довжини ланцюга, величини міжмоле- кулярних сил та від температури.

Процес набухання можна уявити як проникнення молекул низькомо- лекулярного розчинника в простір між молекулами високомолекулярної сполуки. Коли вільний простір заповнюється рідиною, молекули розчин- ника починають розширяти ланки ланцюга полімеру, утворюючи нові пус- тоти, які знову заповнюються низькомолекулярною рідиною. У цьому ви- падку, коли набухлий гель далі самовільно переходить в розчин при тій же температурі, проходить необмежене набухання.

Так натуральний каучук у воді набухає, а потім переходить в розчин, утворюючи розчин високомолекулярної сполуки. У даному випадку прохо- дить розширення ланцюгів полімеру.

Гелі желатини і агар-агару при звичайній температурі набухають у воді до певної межі і в розчин не переходять. Розширення ланцюгів прохо- дить тільки на деяких ділянках, остання частина ланцюга залишається зв’язаною між собою. У цьому випадку проходить обмежене набухання при даній температурі. Підвищення температури приводить часто до того, що обмежено набухаючі студні починають розчинятися, як це спосте- рігається у випадку желатини. Однак, не завжди підвищення температури приводить до розчинення, наприклад, не наступає розчинення вулкані- зованого каучука. Це пояснюється наявністю між молекулами “мостикових зв’язків”, що затруднюють перехід макромолекул в розчин. При наявності великої кількісті таких “мостикових зв’язків”, наприклад ебоніту, прос- торова сітка полімеру стає твердою, ланцюги втрачають свою пружність і полімер втрачає свою здатність до набухання.

Початкова стадія набухання характеризується значним виділенням тепла – теплотою набухання і тиском набухання. Сума об’ємів сухого гелю і поглиненої ним рідини більша, ніж об’єм набухлого гелю. Це явище носить назву контракції. Воно спостерігається, головним чином, у гелів, що набухають у воді (желатина, агар-агар, крохмаль) і пояснюється відносно більшою густиною орієнтованих молекул зв’язаної води. Набухання в органічних розчинниках проходить без помітної контракції.

Кількість рідини, що поглинається одним грамом гелю, називається ступенем набухання.

При необмеженому набуханні кількість рідини, що поглинається, може бути дуже великою і перевищувати десятикратний об’єм взятого для набухання гелю. Процес набухання проходить з певною швидкістю, зале- жить від природи набухаючого геля і розчинника. Набухання проходить як реакція першого порядку.

Велику групу, що мають ряд особливостей при набуханні, пред- ставляють гелі білкових речовин у воді і водних розчинах. В цих умовах при вимірюванні ступеня набухання необхідно врахувати рН середовища.

При певній концентрації водневих йонів від макромолекули білка від- щеплюються йони, що відповідають як кислотній, так і основній дисо- ціації. Лише при певному значенні рН наступає такий стан, який харак- теризується наявністю рівної кількості позитивних і негативних зарядів; білок стає електронейтральним. Такий стан називається ізоелектричним, а рН розчину, при якому цей стан наступає – ізоелектричною точкою.

Крива залежності ступеня набухання від рН має мінімум в ізо- електричній точці. Причина впливу водневих і гідроксольних йонів на ступінь набухання полягає в тому, що в ізоелектричному стані частинки макромолекул з’єднуються в більш складні і великі комплекси. Цей процес зумовлюється деякою десольватацією ланцюгів полімерів в ізоелектрич- ному стані.