Как узнать о форме молекул в растворе?

А в природе протекание любого процесса направлено к минимуму потенциальной энергии. Когда резина растягивается и ее молекулы распрямляются, в веществе за задается потенциальная энергия. Она может проявиться при возвращении резины в исходное состояние в виде работы. На этом основано, например, действие резинового моторчика, часто употребляемого в детских самоделках. Вернуться из распрямленного состояния в скрученное молекулам резины помогает тепловое движение. Оно сильно затруднено из-за того, что молекулы сшиты, но все-таки существует. Доказать это можно так. Если растянуть кусок резины, а потом заморозить до очень низкой температуры (например, в жидком азоте), интенсивность теплового движения молекул (мерой которого и служит температура) сильно снизится и растянутая резина не сможет вернуться в прежнее состояние. Но нагрейте ее — и она снова сожмется.

Есть у резины удивительное на первый взгляд свойство. Известно, что все «нормальные» тела я жидкости при нагревании расширяются. Проведите такой опыт. Возьмите не очень жесткую стальную пружину и к одному ее концу прикрепите резиновую ленту такой же длины. Вбейте в палку два гвоздика, за один зацепите свободный конец металлической пружины, за другой — противоположный конец резиновой ленты, так, чтобы и пружина и лента были слегка натянуты. Если теперь по грузить наш прибор в горячую воду так, чтобы она смочила резиновую ленту, та сожмется. Это можно объяснить: увеличивая температуру, мы увеличиваем кинетическую энергию молекул резины, и их сетка получает лучшие возможности для сжатия. По ходу беседы мы не раз говорили: «молекулярная масса полимера такая-то», «молекула свернута в виде зигзагообразной линии». А откуда это известно, как ученые узнают такие вещи? Ведь молекулу не взвесишь на весах, не разглядишь в микроскопе! Для этого существуют косвенные методы. Самый простой способ для определения молекулярной массы вещества — измерить, насколько отличаются температура кипения или температура замерзания его раствора от соответствующих значений температуры, определенных у чистого растворителя. Растворите в воде поваренную соль, налейте раствор в кружку или кастрюльку и поставьте на газовое пламя. Рядом на таком же пламени нагревайте точно такой же объем чистой воды. Вы увидите, что .раствор закипит позже воды. Поставьте этот раствор и воду в холодильник, вода замерзнет раньше. Разница в температурах замерзания или кипения раствора и чистого растворителя зависит от концентрации вещества в растворе и от молекулярной массы растворенного соединения.

Другой способ определения молекулярной массы — измерения так называемого осмотического давления. Возьмите стеклянную трубку, снизу завяжите ее кусочком целлофана (но не полиэтилена, который последнее время неправильно стали называть целлофаном; в целлофан завертывают коробки для сигарет и упаковывают таблетки лекарств) и налейте в трубку раствор полимера (желатина, крахмала, яичного белка). Опустите трубку в стакан с чистой водой. Через некоторое время уровень жидкости в трубке поднимется.

Что здесь происходит? Целлофановая пленка не пропускает огромные молекулы полимера, но она не преграда для мелких молекул воды. Вот эти-то молекулы и проникают в трубку — они стремятся разбавить раствор полимера. Через некоторое время устанавливается равновесие — вода больше не поступает в трубку, ибо сверху давит столб раствора. Зная высоту поднятия столба жидкости в трубке, можно определить молекулярную массу растворенного полимера. А как узнать о форме молекул в растворе? Тут помогает измерение вязкости раствора. Чем длиннее молекулы, чем более они вытянуты в цепь, тем им легче перепутываться между собой, тем труднее течь жидкости, состоящей из таких молекул. Вот грубая аналогия сказанному: через коническую воронку гораздо легче просыпать речной песок (мелкие округлые частички), чем протянуть кусок ваты (длинные перепутанные волокна).