بولي إلكتروليت

البوليمرات الكهربية هي بوليمرات تحمل وحداتها المتكررة مجموعة إلكتروليتية . تعد البوليكاتيونات والبولي أنيونات بوليمرات كهربية. تتفكك هذه المجموعات في المحاليل المائية (الماء)، مما يجعل البوليمرات مشحونة . وبالتالي فإن خصائص البوليمرات الكهربية تشبه كل من الإلكتروليتات ( الأملاح ) والبوليمرات (مركبات عالية الوزن الجزيئي ) وتسمى أحيانًا بالأملاح المتعددة . مثل الأملاح، تكون محاليلها موصلة للكهرباء. مثل البوليمرات، غالبًا ما تكون محاليلها لزجة . تلعب السلاسل الجزيئية المشحونة، الموجودة عادةً في أنظمة المادة اللينة، دورًا أساسيًا في تحديد بنية واستقرار وتفاعلات التجمعات الجزيئية المختلفة. تختلف الأساليب النظرية ^[1]^[2] لوصف خصائصها الإحصائية اختلافًا كبيرًا عن نظيراتها المحايدة كهربائيًا، بينما تستغل المجالات التكنولوجية والصناعية خصائصها الفريدة. العديد من الجزيئات البيولوجية هي بوليمرات كهربية. على سبيل المثال، تعد البوليببتيدات والجليكوز أمينوغليكان والحمض النووي بوليمرات كهربية. يتم استخدام كل من البوليمرات الكهربائية الطبيعية والاصطناعية في مجموعة متنوعة من الصناعات.

تعريف الاتحاد الدولي للكيمياء البحتة والتطبيقية

بوليمر إلكتروليت : بوليمر يتكون من جزيئات كبيرة تحتوي نسبة كبيرة من وحداته التكوينية على مجموعات أيونية أو قابلة للتأين، أو كليهما. (انظر مدخل الكتاب الذهبي للملاحظة.) ^[3]

تكلفة

تصنف الأحماض على أنها إما ضعيفة أو قوية ( وبالمثل قد تكون القواعد إما ضعيفة أو قوية ). وبالمثل، يمكن تقسيم البوليمرات الكهربائية إلى أنواع "ضعيفة" و"قوية". يتفكك البوليمر الكهربائي "القوي" تمامًا في المحلول لمعظم قيم الرقم الهيدروجيني المعقولة . على النقيض من ذلك، يتمتع البوليمر الكهربائي "الضعيف" بثابت تفكك (pKa أو pKb) في النطاق من ~2 إلى ~10، مما يعني أنه سيتفكك جزئيًا عند درجة حموضة متوسطة. وبالتالي، لا يتم شحن البوليمرات الكهربائية الضعيفة بالكامل في المحلول، وعلاوة على ذلك، يمكن تعديل شحنتها الكسرية عن طريق تغيير درجة حموضة المحلول أو تركيز الأيون المضاد أو القوة الأيونية.

عادة ما تتأثر الخصائص الفيزيائية لمحاليل البوليمر الكهربائي بشدة بهذه الدرجة من التأين. ونظرًا لأن تفكك البوليمر الكهربائي يطلق أيونات مضادة، فإن هذا يؤثر بالضرورة على القوة الأيونية للمحلول ، وبالتالي طول ديباي . وهذا بدوره يؤثر على خصائص أخرى، مثل التوصيل الكهربائي .

عندما يتم خلط محاليل بوليمرين مشحونين بشكل معاكس (أي محلول بولي كاتيون ومحلول بولي أنيون )، عادة ما يتكون مركب ضخم ( راسب ). يحدث هذا لأن البوليمرات المشحونة بشكل معاكس تجتذب بعضها البعض وترتبط ببعضها البعض.

التكوين

يتأثر تكوين أي بوليمر بعدد من العوامل، ولا سيما بنية البوليمر وتقارب المذيب. في حالة البوليمرات الكهربائية، يكون للشحنة أيضًا تأثير. في حين أن سلسلة البوليمر الخطية غير المشحونة توجد عادةً في تكوين عشوائي في المحلول (تقترب بشكل وثيق من المشي العشوائي ثلاثي الأبعاد الذي يتجنب نفسه )، فإن الشحنات على سلسلة البوليمرات الكهربائية الخطية سوف تتنافر مع بعضها البعض عبر قوى الطبقة المزدوجة ، مما يتسبب في تبني السلسلة لتكوين أكثر توسعًا يشبه القضيب الصلب. سيتم فحص الشحنات إذا كان المحلول يحتوي على قدر كبير من الملح المضاف. وبالتالي، ستنهار سلسلة البوليمرات الكهربائية إلى تكوين أكثر تقليدية (متطابقة بشكل أساسي مع السلسلة المحايدة في المذيب الجيد ).

يؤثر تكوين البوليمر على العديد من خصائص الكتلة (مثل اللزوجة ، والعكارة ، وما إلى ذلك). وعلى الرغم من أنه يمكن التقاط التكوين الإحصائي للبوليمرات الكهربائية باستخدام متغيرات من نظرية البوليمر التقليدية، إلا أنه بشكل عام يتطلب الكثير من الحسابات لنمذجة سلاسل البوليمرات الكهربائية بشكل صحيح، وذلك بسبب الطبيعة طويلة المدى للتفاعل الكهروستاتيكي. ويمكن استخدام تقنيات مثل التشتت الضوئي الساكن لدراسة تكوين البوليمرات الكهربائية والتغيرات التكوينية.

البولي أمفوليتات

تعريف الاتحاد الدولي للكيمياء البحتة والتطبيقية

البوليمر الأمفوليتي : بوليمر إلكتروليتي يتكون من جزيئات كبيرة تحتوي على مجموعات كاتيونية وأنيونية، أو مجموعات قابلة للتأين مقابلة. (انظر مدخل الكتاب الذهبي للملاحظة.) ^[4]

تسمى البوليمرات الكهربائية التي تحمل مجموعات تكرار كاتيونية وأنيونية بالبولي أمفوليتات . تؤدي المنافسة بين توازنات الحمض والقاعدة لهذه المجموعات إلى تعقيدات إضافية في سلوكها الفيزيائي. تذوب هذه البوليمرات عادةً فقط عندما تحجب كمية كافية من الملح المضاف التفاعلات بين الأجزاء المشحونة بشكل معاكس. في حالة الهلاميات المائية المسامية الأمفوتيرية، لا يؤدي عمل محلول الملح المركز إلى إذابة مادة البولي أمفوليت بسبب الترابط التساهمي للجزيئات الكبيرة. تُظهر الهلاميات المائية المسامية الاصطناعية ثلاثية الأبعاد القدرة الممتازة على امتصاص أيونات المعادن الثقيلة في نطاق واسع من درجة الحموضة من المحاليل المائية المخففة للغاية، والتي يمكن استخدامها لاحقًا كممتز لتنقية المياه المالحة ^[5]^[6] جميع البروتينات عبارة عن بولي أمفوليتات، حيث تميل بعض الأحماض الأمينية إلى أن تكون حمضية، بينما تكون أحماض أخرى قاعدية.

التطبيقات

تستخدم البوليمرات الكهربية في العديد من التطبيقات، والتي ترتبط في الغالب بتعديل خصائص التدفق والاستقرار للمحاليل المائية والهلاميات . على سبيل المثال، يمكن استخدامها لزعزعة استقرار المعلق الغرواني وبدء عملية الترسيب . ويمكن استخدامها أيضًا لإضفاء شحنة سطحية على الجسيمات المحايدة، مما يمكنها من الانتشار في المحلول المائي. وبالتالي، غالبًا ما تستخدم كمكثفات ومستحلبات ومكيفات وعوامل توضيح وحتى مخففات سحب . يتم استخدامها في معالجة المياه واستعادة الزيوت . تحتوي العديد من الصابون والشامبو ومستحضرات التجميل على البوليمرات الكهربية . علاوة على ذلك ، يتم إضافتها إلى العديد من الأطعمة ومخاليط الخرسانة ( الملين الفائق ). بعض البوليمرات الكهربية التي تظهر على ملصقات الأطعمة هي البكتين والكاراجينان والألجينات وكربوكسي ميثيل السليلوز . جميعها باستثناء الأخيرة من أصل طبيعي. أخيرًا، يتم استخدامها في مواد مختلفة، بما في ذلك الأسمنت .

نظرًا لأن بعضها قابل للذوبان في الماء، فقد تم البحث عنها أيضًا للتطبيقات الكيميائية الحيوية والطبية. يوجد حاليًا الكثير من الأبحاث حول استخدام البوليمرات الكهربائية المتوافقة حيويًا لطلاء الغرسات ، وإطلاق الأدوية المتحكم فيه، وتطبيقات أخرى. وبالتالي، تم مؤخرًا وصف المادة المسامية المتوافقة حيويًا والقابلة للتحلل الحيوي والمكونة من مجمع البوليمرات الكهربائية، حيث أظهرت المادة تكاثرًا ممتازًا للخلايا الثديية ^[7] والمحركات اللينة الشبيهة بالعضلات.

متعدد الطبقات

تم استخدام البوليمرات الكهربية في تكوين أنواع جديدة من المواد المعروفة باسم طبقات البوليمرات الكهربية المتعددة (' PEMs ). يتم إنشاء هذه الأغشية الرقيقة باستخدام تقنية الترسيب طبقة تلو الأخرى ( LbL ). أثناء ترسيب LbL، يتم غمس ركيزة نمو مناسبة (مشحونة عادةً) ذهابًا وإيابًا بين حمامات مخففة من محاليل البوليمرات الكهربية المشحونة إيجابًا وسلبًا. أثناء كل غمس، يتم امتصاص كمية صغيرة من البوليمرات الكهربية، ويتم عكس الشحنة السطحية، مما يسمح بالتراكم التدريجي والمتحكم فيه للأغشية المترابطة كهربائيًا من طبقات البولي كاتيون-بولي أنيون. لقد أظهر العلماء التحكم في سمك هذه الأغشية حتى مقياس النانومتر الواحد. يمكن أيضًا إنشاء أغشية LbL عن طريق استبدال الأنواع المشحونة مثل الجسيمات النانوية أو الصفائح الطينية ^[8] بدلاً من أو بالإضافة إلى أحد البوليمرات الكهربية. تم أيضًا إنجاز ترسيب LbL باستخدام الرابطة الهيدروجينية بدلاً من الكهرباء الساكنة . لمزيد من المعلومات حول إنشاء طبقات متعددة، يرجى الاطلاع على امتصاص البوليمر الكهربائي .

يمكن رؤية تكوين LbL لـ PEM (PSS-PAH (poly(allylamine) hydrochloride)) على ركيزة ذهبية في الشكل. يتم قياس التكوين باستخدام رنين البلازمون السطحي متعدد المعايير لتحديد حركية الامتصاص وسمك الطبقة والكثافة البصرية. ^[9]

تتمثل الفوائد الرئيسية لطلاءات PEM في القدرة على طلاء الأشياء بشكل متوافق (أي أن التقنية لا تقتصر على طلاء الأشياء المسطحة)، والفوائد البيئية لاستخدام العمليات القائمة على الماء، والتكاليف المعقولة، والاستفادة من الخصائص الكيميائية الخاصة للفيلم لمزيد من التعديل، مثل تركيب الجسيمات النانوية المعدنية أو شبه الموصلة ، أو انتقالات الطور المسامية لإنشاء طلاءات مضادة للانعكاس ، ومصاريع بصرية ، وطلاءات فائقة الكراهية للماء .

جسر

إذا تمت إضافة سلاسل بولي إلكتروليت إلى نظام من أيونات الماكرو المشحونة (أي مجموعة من جزيئات الحمض النووي)، فقد تحدث ظاهرة مثيرة للاهتمام تسمى جسر البولي إلكتروليت . ^[10] عادةً ما يتم تطبيق مصطلح تفاعلات الجسر على الموقف حيث يمكن لسلسلة بولي إلكتروليت واحدة أن تمتص أيونات الماكرو المشحونة بشكل معاكس (مثل جزيء الحمض النووي) وبالتالي إنشاء جسور جزيئية، ومن خلال اتصالها، تتوسط التفاعلات الجاذبة بينهما.

عند فصل الأيونات الكبيرة الصغيرة، يتم ضغط السلسلة بين الأيونات الكبيرة ويتم التحكم في التأثيرات الكهروستاتيكية في النظام بشكل كامل بواسطة التأثيرات الفراغية - يتم تفريغ النظام بشكل فعال. مع زيادة فصل الأيونات الكبيرة، نقوم في نفس الوقت بتمديد سلسلة البوليمر الكهربائي الممتصة بها. يؤدي تمدد السلسلة إلى تفاعلات الجذب المذكورة أعلاه بسبب مرونة السلسلة المطاطية .

بسبب اتصالها، فإن سلوك سلسلة البوليمر الكهربائي لا يحمل أي تشابه تقريبًا مع سلوك الأيونات المحصورة غير المتصلة.

متعدد الأحماض

في مصطلحات البوليمر ، يعتبر البولي أسيد عبارة عن بولي إلكتروليت يتكون من جزيئات كبيرة تحتوي على _{مجموعات} حمضية على جزء كبير من الوحدات الدستورية . في أغلب الأحيان ، تكون المجموعات الحمضية هي -COOH أو -SO3H أو -PO3H2 _._[^11]

انظر أيضا

مراجع

^ دي جينس، بيير جيلز (1979). مفاهيم القياس في فيزياء البوليمر. مطبعة جامعة كورنيل. رقم ISBN 0-8014-1203-X.
^ Chremos, A.; Horkay, F. (2020-07-27). "اختفاء ذروة البوليمر الكهربائي في المحاليل الخالية من الملح". Phys. Rev. E. 102 ( 1). الجمعية الفيزيائية الأمريكية (APS): 012611. Bibcode :2020PhRvE.102a2611C. doi :10.1103/PhysRevE.102.012611. PMC 8243406. PMID 32794995 .
^ "بولي إلكتروليت". الكتاب الذهبي . الاتحاد الدولي للكيمياء البحتة والتطبيقية. 2014. doi :10.1351/goldbook.P04728 . تم الاسترجاع في 1 أبريل 2024 .
^ "البوليمر المتحلل". الكتاب الذهبي . الاتحاد الدولي للكيمياء البحتة والتطبيقية. 2008. doi : 10.1351/goldbook.AT07196 . تم الاسترجاع في 1 أبريل 2024 .
^ Kudaibergenov, S. (2012). "Novel macroporous amphoteric gels: Preparation and characterization". Express Polymer Letters . 6 (5): 346–353. doi : 10.3144/expresspolymlett.2012.38 .
^ Tatykhanova, GS; Sadakbayeva, ZK; Berillo, D.; Galaev, I.; Abdullin, KA; Adilov, Z.; Kudaibergenov, SE (2012). "المجمعات المعدنية من الهلاميات المبردة الأمفوتيرية القائمة على حمض الأليلامين والميثاكريليك". ندوات الجزيئات الكبيرة . 317–318: 18–27. doi :10.1002/masy.201100065.
^ Berillo, D.; Elowsson, L.; Kirsebom, H. (2012). "دكسترين مؤكسد كعامل ربط متقاطع لهياكل هلام الكيتوزان المبرد وتكوين معقدات بولي إلكتروليت بين الكيتوزان والجيلاتين". Macromolecular Bioscience . 12 (8): 1090–9. doi : 10.1002/mabi.201200023 . PMID 22674878.
^ لي، جو سو؛ لي، يون جو؛ يون، كيونج بيونج (2001). "تجميع بلورات الزيوليت على الزجاج باستخدام البوليمرات الكهربية كأحبار أيونية طبقة تلو الأخرى". مجلة الجمعية الكيميائية الأمريكية . 123 (40): 9769-79. doi :10.1021/ja010517q. PMID 11583538.
^ جرانكفيست ، نيكو. ليانغ، هوامين؛ لوريلا، ترهي؛ سادوفسكي، يانوش. يليبرتولا، مارجو؛ فيتالا، تاباني (2013). “توصيف الطبقات العضوية السميكة والرفيعة للغاية عن طريق تحليل رنين البلازمون السطحي ثلاثي الطول الموجي وتحليل وضع الدليل الموجي”. لانجميور . 29 (27): 8561–71. دوى :10.1021/la401084w. بميد 23758623.
^ Podgornik, R.; Ličer, M. (2006). "تفاعلات جسر البولي إلكتروليت بين الجزيئات الكبيرة المشحونة". الرأي الحالي في علوم الغرويات والواجهات . 11 (5): 273. doi :10.1016/j.cocis.2006.08.001.
^ هيس، م.؛ جونز، آر جي؛ كاهوفيك، جيه؛ كيتاياما، تي؛ كراتوشفيل، بي؛ كوبيسا، بي؛ مورمان، دبليو؛ ستيبتو، آر إف تي؛ وآخرون (2006). "مصطلحات البوليمرات التي تحتوي على مجموعات قابلة للتأين أو أيونية والبوليمرات التي تحتوي على أيونات (توصيات الاتحاد الدولي للكيمياء البحتة والتطبيقية 2006)" (PDF) . الكيمياء البحتة والتطبيقية . 78 (11): 2067. doi :10.1351/pac200678112067. S2CID 98243251.

روابط خارجية

معهد ماكس بلانك لأبحاث البوليمر، ماينز، ألمانيا
البوليمرات الكهربية: معهد الكيمياء الفيزيائية والنظرية، جامعة ريغنسبورغ، ريغنسبورغ، ألمانيا
البوليمرات الكهربية: فادودارا، جوجارات، الهند

Original text

Rate this translation

Your feedback will be used to help improve Google Translate

[Gennes1979-1] دي جينس، بيير جيلز (1979). مفاهيم القياس في فيزياء البوليمر. مطبعة جامعة كورنيل. رقم ISBN 0-8014-1203-X.

[2] Chremos, A.; Horkay, F. (2020-07-27). "اختفاء ذروة البوليمر الكهربائي في المحاليل الخالية من الملح". Phys. Rev. E. 102 ( 1). الجمعية الفيزيائية الأمريكية (APS): 012611. Bibcode :2020PhRvE.102a2611C. doi :10.1103/PhysRevE.102.012611. PMC 8243406. PMID 32794995 .

[Gold_Book_"polyelectrolyte"-3] "بولي إلكتروليت". الكتاب الذهبي . الاتحاد الدولي للكيمياء البحتة والتطبيقية. 2014. doi :10.1351/goldbook.P04728 . تم الاسترجاع في 1 أبريل 2024 .

[Gold_Book_"ampholytic_polymer"-4] "البوليمر المتحلل". الكتاب الذهبي . الاتحاد الدولي للكيمياء البحتة والتطبيقية. 2008. doi : 10.1351/goldbook.AT07196 . تم الاسترجاع في 1 أبريل 2024 .

[5] Kudaibergenov, S. (2012). "Novel macroporous amphoteric gels: Preparation and characterization". Express Polymer Letters . 6 (5): 346–353. doi : 10.3144/expresspolymlett.2012.38 .

[6] Tatykhanova, GS; Sadakbayeva, ZK; Berillo, D.; Galaev, I.; Abdullin, KA; Adilov, Z.; Kudaibergenov, SE (2012). "المجمعات المعدنية من الهلاميات المبردة الأمفوتيرية القائمة على حمض الأليلامين والميثاكريليك". ندوات الجزيئات الكبيرة . 317–318: 18–27. doi :10.1002/masy.201100065.

[7] Berillo, D.; Elowsson, L.; Kirsebom, H. (2012). "دكسترين مؤكسد كعامل ربط متقاطع لهياكل هلام الكيتوزان المبرد وتكوين معقدات بولي إلكتروليت بين الكيتوزان والجيلاتين". Macromolecular Bioscience . 12 (8): 1090–9. doi : 10.1002/mabi.201200023 . PMID 22674878.

[8] لي، جو سو؛ لي، يون جو؛ يون، كيونج بيونج (2001). "تجميع بلورات الزيوليت على الزجاج باستخدام البوليمرات الكهربية كأحبار أيونية طبقة تلو الأخرى". مجلة الجمعية الكيميائية الأمريكية . 123 (40): 9769-79. doi :10.1021/ja010517q. PMID 11583538.

[9] جرانكفيست ، نيكو. ليانغ، هوامين؛ لوريلا، ترهي؛ سادوفسكي، يانوش. يليبرتولا، مارجو؛ فيتالا، تاباني (2013). “توصيف الطبقات العضوية السميكة والرفيعة للغاية عن طريق تحليل رنين البلازمون السطحي ثلاثي الطول الموجي وتحليل وضع الدليل الموجي”. لانجميور . 29 (27): 8561–71. دوى :10.1021/la401084w. بميد 23758623.

[10] Podgornik, R.; Ličer, M. (2006). "تفاعلات جسر البولي إلكتروليت بين الجزيئات الكبيرة المشحونة". الرأي الحالي في علوم الغرويات والواجهات . 11 (5): 273. doi :10.1016/j.cocis.2006.08.001.

[11] هيس، م.؛ جونز، آر جي؛ كاهوفيك، جيه؛ كيتاياما، تي؛ كراتوشفيل، بي؛ كوبيسا، بي؛ مورمان، دبليو؛ ستيبتو، آر إف تي؛ وآخرون (2006). "مصطلحات البوليمرات التي تحتوي على مجموعات قابلة للتأين أو أيونية والبوليمرات التي تحتوي على أيونات (توصيات الاتحاد الدولي للكيمياء البحتة والتطبيقية 2006)" (PDF) . الكيمياء البحتة والتطبيقية . 78 (11): 2067. doi :10.1351/pac200678112067. S2CID 98243251.