4.4.3　高分子溶液

高分子溶液的分散相微粒直径为1～100 nm，属于胶体分散系，其分散相是单个的高分子或离子。

高分子化合物（又称大分子化合物）是指由一种或多种小的结构单元重复连接而成的相对分子质量在一万以上，甚至高达几百万的化合物。它包括天然高分子化合物和合成高分子化合物两类。常见的天然高分子化合物有淀粉、纤维素和蛋白质等。而常见的合成高分子化合物有聚乙烯塑料、合成橡胶和合成纤维等。

高分子化合物分子中的结构单元称为链节。大多数高分子化合物的分子结构呈线状或线状带支链，每个分子中所含的链节数不等。通常说的高分子化合物的摩尔质量是指平均摩尔质量。

1）高分子溶液的特性

（1）稳定性较大。高分子溶液属于均相稳定体系，在稳定性方面它与真溶液相似。这是因为高分子具有很多亲水基团（如—OH、—COOH、—NH2 等），溶于水时，表面上的亲水基团通过氢键与水分子结合，形成密而厚的水化膜。由于水化膜的存在，高分子相互碰撞时不易凝聚。水化膜的形成是高分子溶液具有稳定性的重要原因。

（2）黏度较大。高分子溶液的黏度比真溶液和溶胶大得多，这是因为高分子化合物具有线状或分支状结构，把部分溶剂包围在结构中使它失去流动性。另外高分子化合物高度溶剂化，使自由流动的溶剂减少，故黏度较大。

（3）溶解过程是可逆的。高分子化合物能自动溶解在溶剂里形成真溶液。用蒸发或烘干的方法将其凝结后，如果再加入溶剂又能使其自动溶解复原，即它的溶解过程是可逆的。而胶体溶液聚沉后，加入溶剂一般不能使其复原。

（4）渗透压较高。在相同浓度下高分子溶液比溶胶具有较高的渗透压，这是由于高分子化合物长链上的每一个链段都是能独立运动的小单元，从而使高分子化合物具有较高的渗透压。

2）高分子溶液的盐析和保护作用

（1）盐析。加入大量电解质使高分子从溶液中聚沉的过程，称为盐析。盐析的实质是电解质电离出的离子具有较强的溶剂化作用。加入大量电解质，一方面使高分子脱溶剂化，导致水化膜减弱或消失；另一方面溶剂被电解质夺去，导致这部分溶剂失去溶解高分子化合物的能力，故高分子化合物发生聚沉。

溶胶聚沉只需少量电解质，而高分子溶液聚沉则需要加入大量电解质。这是因为溶胶稳定的主要因素是胶粒带电荷，电解质中和电荷的能力很强，只需少量电解质就能中和胶粒所带的电荷；而高分子溶液稳定的主要因素是分子表面有一层厚而致密的水化膜，要破坏水化膜需加入大量的电解质。

（2）保护作用。溶胶对电解质是很敏感的，加入少量电解质，溶胶就会聚沉。而在溶胶中加入适量的高分子化合物，能大大提高溶胶的稳定性，这就是高分子化合物对溶胶的保护作用。在溶胶中加入高分子化合物，高分子化合物附着在胶粒表面，一方面可以使原来憎液的胶粒变成亲液，从而提高胶粒的溶解度；另一方面可以在胶粒表面形成一个高分子保护膜，以增强溶胶的抗电解质能力。保护作用在生理过程中具有重要意义。例如，在健康人的血液中所含的碳酸镁、磷酸钙等难溶盐，都是以溶胶状态存在，被血清蛋白等高分子化合物保护着的。当人生病时，血清蛋白等保护物在血液中的含量减少了，这样就有可能使溶胶发生聚沉而堆积在身体的各个部位，使新陈代谢发生故障，形成肾结石、胆结石等。

3）凝胶

（1）凝胶的形成与分类。凝胶又称冻胶。在适当条件下，高分子溶液和溶胶黏度逐渐增大，最后失去流动性，形成具有网状结构、外观均匀并保持一定形态的弹性半固体，这种半固体物质称为凝胶，形成凝胶的过程称为胶凝。例如豆浆是流体，加入电解质后变成豆腐，豆腐即是凝胶。

凝胶的形成是因为大量的高分子化合物或胶粒通过范德华力相互交联形成立体网状结构，把分散介质包围在网眼中，使其不能自由流动，而变成半固体状态。

根据凝胶中液体含量的多少，凝胶分为冻胶和干胶。液体含量在90%以上的凝胶称为冻胶（如血块等），其余的称为干胶（如琼脂等）。根据凝胶的形态，可分为弹性凝胶和非弹性凝胶。凡是烘干后体积缩小很多但仍保持弹性，放入溶剂中又恢复弹性的凝胶，称为弹性凝胶，如明胶、肉冻、琼脂等；若烘干后体积缩小不多但失去弹性的凝胶，称为非弹性凝胶，如氢氧化铝、硅胶等。

（2）凝胶的主要性质。

①膨胀作用。干燥的弹性凝胶放入适当的溶剂中，自动吸收液体，使凝胶的体积和质量增大的现象，称为膨胀作用。如果凝胶在液体中的膨胀作用进行到一定程度便停止，则称这种膨胀作用为有限膨胀；如果凝胶在液体中的膨胀作用一直进行，最终使凝胶的网状骨架成分全消失而形成溶液，则称为无限膨胀。膨胀现象用途广泛，如药用植物的浸取，一般只有在植物组织膨胀后，才能将有效成分提取出来，片剂的崩解也与膨胀作用有关。

②离浆凝胶在放置过程中缓慢自动地渗出液体，出现体积缩小的现象，称为脱水收缩或离浆，如常见的糨糊久置后要析出水，血块放置后便有血清分离出来等。

脱水收缩是膨胀的逆过程，可认为是凝胶的网状相互靠近，促使网孔收缩，把一部分液体从网眼中挤出来的结果。体积虽然变小但仍然保持原来的几何形状。离浆现象在生命过程中普遍存在，因为人类的细胞膜、肌肉组织纤维等都是凝胶状的物质。老年人皮肤松弛变皱主要是细胞老化导致离浆而引起的。

③触变作用。某些凝胶受到振摇或搅拌等外力作用，网状结构被拆散变成有较大流动性的溶液状态（稀化），去掉外力静置后，又恢复成半固体凝胶状态（重新稠化）的现象，称为触变现象。触变现象产生的原因：凝胶的网状结构是通过范德华力形成的，不稳定、不牢固，振摇即能将其破坏，释放液体，静置后，由于范德华力作用又形成网络，包住液体而成凝胶。

生物体内的肌肉、脑髓、软骨、指甲、毛发、细胞膜等都是凝胶。很多生理过程，如血液的凝结、人体的衰老等都与凝胶的性质有关。所有人造的和天然的半透膜都是凝胶。半透膜的作用是让一些小分子、离子通过而大分子不能透过，能否透过半透膜是由膜的网络孔径决定的，也与网状结构中所含液体的性质及膜孔壁上的电荷有关，凝胶膜与分子筛相似，可以分离大小不同的分子。近年来迅速发展的凝胶电泳和凝胶色谱法就利用了凝胶的这一特点。