Молекулярная физика. Том 2 - Матвеев А.Н.
Скачать (прямая ссылка):
небольшого числа атомов, и их относительная молекулярная масса обычно
равна нескольким десяткам или, в крайнем случае, нескольким сотням.
Например, мо-
346 5. Твердые тела
лекула поваренной соли NaCl состоит всего из двух атомов, а относительная
молекулярная масса равна 58. Ее кристаллическая решетка, в узлах которой
расположены атомы натрия и хлора, чрезвычайно проста.
Однако многие молекулы имеют значительно более сложный состав. Число
атомов, входящих в молекулу, может составить тысячи, молекулярная масса
может быть равной десяткам и сотням тысяч. Такие молекулы называются
макромолекулами. Переход от обычных молекул к макромолекулам непрерывен,
поэтому необходимо условиться, какие молекулы называются макромолекулами.
Обычно принимается, что макромолекула должна иметь относительную
молекулярную массу не менее 10000, а число атомов - не менее 1000. При
этих условиях обычно добавление дополнительных повторяющихся молекулярных
звеньев к молекуле не приводит к существенному изменению физических
свойств вещества. В качестве примера одной из самых простых белковых
молекул можно указать на молекулу рибонуклеазы. Она состоит из 124
повторяющихся звеньев, образованных из 17 различных аминокислот. Ее
химическая формула C575H901O193N171S12, относительная молекулярная масса
13682. Значительно большей по величине является молекула полиэтилена,
относительная молекулярная масса которой 280000. Молекула состоит из
20000 звеньев СН2-групп. Полимеры являются веществами, образованными из
макромолекул. Они составляют последний класс веществ, который может быть
охарактеризован на молекулярном уровне. В пределе частица твердого
вещества может быть образована из одной молекулы и деление вещества на
молекулы теряет в этом случае смысл.
Существование макромолекул долгое время не было известно. Давно было
известно существование коллоидов. Коллоидом называется клейкообразное
вещество типа желатина, которое обладает небольшой скоростью диффузии и
не проходит через мембраны. Другие вещества, например поваренная соль, в
растворах хорошо диффундируют и хорошо проходят через мембраны. Их можно
получать в виде хорошо сформированных кристаллов. Поэтому их назвали
кристаллоидами. Однако в дальнейшем было обнаружено, что при определенных
условиях кристаллоиды можно также привести в "коллоидное состояние", если
добиться объединения их молекул в агрегаты. Поэтому коллоидное состояние
представляется как результат агрегации молекул с небольшой относительной
молекулярной массой. Растворы всех веществ, состоящих из макромолекул,
обладают коллоидными свойствами. Поэтому ошибочно долго считалось, что
сами эти вещества образованы из молекул с небольшим числом атомов, и не
удавалось обнаружить различия между макромолекулярными коллоидами и
коллоидами, образованными низкомолекулярными веществами. Это различие
было установлено лишь в 20-х годах XX в. Агрегация молекул кристаллоидов,
приводящая к возникновению коллоидных свойств их молекул, является обычно
проявлением сил вторичной валентности, а связь атомов в макромолекулах
является ковалентной.
Классификация макромолекул. Макромолекула образуется многократным
повторением одной или нескольких групп молекул. В простейшем случае эти
повторяющиеся группы образуют линию. Эти макромолекулы называются
линейными. Однако эта линия может иметь различную форму, может
происходить "закручивание" структуры при движении вдоль линии и т. д.
Таким образом, линейные молекулы отличаются большим разнообразием. Однако
разнообразие макромолекул еще более увеличивается благодаря тому, что
наряду с линейными существуют
§ 49. Полимеры 347
также разветвленные, лестничные, паркетные и трехмерные молекулы. Все они
также построены из повторяющихся групп молекул, а структура достаточно
отчетливо характеризуется их названием. Повторяющаяся группа молекул
называется мономером. Название полимера обычно основывается на названии
мономера с приставкой "поли-", например полиэтилен. Если повторяющиеся
звенья одного типа, то полимер называется гомополимером, если же
повторяющиеся звенья более чем одного типа, то полимер называется
сополимером.
Образование макромолекул. Существует большое разнообразие реакций,
приводящих к образованию макромолекул. Все они в конечном счете сводятся
к тому, чтобы обеспечить условия, при которых происходит образование
нужных групп атомов и их соединение в макромолекулу. При этом, конечно,
не обязательно сначала образовать группы атомов, а затем их соединить в
молекулу, не обязательно образовывать всю молекулу одновременно и т. д.
Например, при образовании линейных высокомолекулярных полимеров наиболее
важными типами реакций являются реакции полиприсоединения и ступенчатая
поликонденсация. В первом случае молекула как бы непрерывно растет за
счет присоединения к ней все новых атомов нужного типа в нужной
последовательности. Рост молекулы может прерваться в результате нарушения
