Полиэлектролиты

Макромолекулы приобретают ряд характерных электрических, конфигурационных и гидродинамических свойств, если мономерные звенья полимерной цепи содержат ионногенные группы. Такие полимеры называются полиэлектролитами. Макромолекула полиэлектролита в растворе состоит из полииона, окруженного эквивалентным количеством противоионов (малых ионов с зарядами противоположного знака). Размеры полииона на несколько порядков больше, чем противоионов.

Полиэлектролиты делятся на поликислоты, полиоснования и полиамфолиты.

Классические представители поликислот – полиакриловая и полиметакриловая кислоты. В водном растворе благодаря ионизации карбоксильных групп между мономерными звеньями возникают силы электростатического отталкивания. Они будут тем сильнее, чем выше степень ионизации, зависящая от pH среды. Степень ионизации может быть повышена при превращении поликислоты в соль, например при обработке поликислоты щелочью. Степень ионизации полученных таким образом полимерных солей значительно выше, чем исходных поликислот. В кислой области pH карбоксилы остаются практически неионизованными, и поведение макромолекул ничем не отличается от поведения макромолекул обычного линейного полимера. Однако в нейтральной или щелочной области появление множества одноименно заряженных групп в молекуле (карбоксилатных ионов, —COO-) и соответствующих сил электростатического отталкивания приводит к развертыванию макромолекулярных цепей и к сильному увеличению размеров клубков; при этом возникают своеобразные концентрационные эффекты, проявляющиеся при измерениях вязкости, седиментации и диффузии.

К рассматриваемому классу поликислот относятся также многие полимеры биологического происхождения. Здесь стоит назвать в первую очередь нуклеиновые кислоты – ДНК и РНК, передающие генетическую информацию.

Другой класс полиэлектролитов – полиоснования. Конфигурационные свойства полиоснований аналогичны свойствам поликислот. В частности, полиоснования, как и поликислоты, сильнее ионизованы в солевой форме.

Сочетание кислотных и основных групп в одной цепи приводит к образованию полиамфолитов, составляющих третий класс полиэлектролитов. Для каждого полиамфолита существует определенное, зависящее от его состава, значение pH, при котором количества положительных и отрицательных зарядов в цепи равны. Иными словами, суммарный заряд полиамфолита в этой изоэлектрической точке (ИЭТ) равен нулю. При pH ниже ИЭТ в цепи начинают доминировать положительные заряды. При достаточно низком pH ионизация всех кислотных групп оказывается подавленной и полиамфолит превращается в полиоснование. Наоборот, по мере повышения pH над ИЭТ полиамфолит постепенно превращается в поликислоту. Полиамфолиты играют огромную роль в природе: все белки относятся к полиамфолитам.

Размеры полииона в водных растворах сильно зависят от наличия кулоновских взаимодействий (отталкивания одноименно заряженных групп в макромолекуле и притяжения контрионов к полииону). Благодаря электростатическому отталкиванию между одноименно заряженными ионногенными группами макромолекула полиэлектролита стремиться развернуться и приобрести более асимметричную форму по сравнению с формой статистического клубка, характерной для незаряженных цепей. Поэтому в растворах полиионы имеют большие размеры и асимметрию.

Также размеры полииона сильно зависят от линейной плотности заряда. Разворачивание цепи проявляется в возрастании приведенной вязкости при уменьшении концентрации (полиэлектролитный эффект). Это объясняется тем, что при разбавлении растворов полиэлектролитов увеличивается объем, в котором распределяются контрионы, экранирующие кулоновское отталкивание между фиксированными зарядами полииона, вследствие чего возрастает их отталкивание и происходит развертывание полииона.

Конформация полиэлектролита определяется также наличием в растворе низкомолекулярных электролитов, например солей. Наличие таковых приводит к экранированию зарядов полииона. При значительных концентрациях (например, больше 0.1 М), вклад кулоновских взаимодействий существенно ослабевает, и размеры цепей сопоставимы с размерами неоинногенных цепей той же природы.