高分子とコロイド粒子の違いとは
高分子(ポリマー、Polymer)とは、1000以上の原子が鎖状に共有結合してできた分子です。
コロイド粒子とは、小さな分子が物理的な力で凝集してできたものです。
この高分子とコロイド粒子の違いは1917年にStaudingerにスイス化学工業協会で"ゴムの長鎖状構造式"にて提唱されました。
日本でPolymerを高分子と訳したのは、櫻田一郎であり、彼は日本の高分子研究の先駆者といわれています。
高分子の構造
高分子の1次元鎖状に配列している部分は骨格鎖とよびます。骨格鎖の構成元素の大半は炭素Cです。他にも、ケイ素S、酸素O、窒素N、硫黄Sなどから構成される骨格鎖もあります。
高分子の繰り返し単位をモノマー構造単位とよびます。
高分子は、その性質を担う様々な残基からなる側鎖をもっています。
高分子の重合度と分子量
高分子を構成するモノマーの数を重合度とよびます。この重合度のことを(Degree of polymerization)と表すこともあります。
高分子の分子量を、モノマーの分子量を
とすると、高分子の分子量は次の式で与えられます。
様々な測定により、平均分子量を求めることができますが、測定方法により求めることができる平均分子量は異なります。
数平均分子量:数平均分子量は、高分子溶液の氷点降下、沸点上昇、蒸気圧、浸透圧などの測定によって求めることができます。
重量平均分子量:重量平均分子量は、光散乱の測定によって求めることができます。
Z平均分子量:Z平均分子量は、遠心沈降平衡の測定によって求めることができます。このzはドイツ語の遠心zentrifugeが由来です。
高分子の溶液や高分子の溶融体の粘弾性といった性質は、高分子の重合度 に大きく依存することが知られています。しかしながら、高分子の個々の重合度はすべて同じというわけではありません。そこで、多くの場合高分子の重合度の分布を考えます。
高分子の数平均重合度・重量平均重合度・粘度平均重合度・Z平均重合度
ここで高分子の重合度を、重合度
の高分子の数を
とします。それぞれ、数平均重合度、重量平均重合度、粘度平均重合度、Z平均重合度があり、それぞれ以下の式で定義されています。
数平均重合度:
粘度平均重合度:
重量平均重合度:
Z平均重合度:
粘度平均重合度のは、高分子と溶媒の組み合わせによって変化します。これは固有粘度に関する実験式
によって求めることができます。
これらの重合度にモノマーの分子量をかけると、数平均分子量、粘度平均分子量、重量平均分子量、Z平均分子量が得られます。
また、横軸を、縦軸を
としたグラフの横軸の重心が数平均重合度となります。
横軸を、縦軸を
としたグラフの横軸の重心が重量平均重合度となります。
横軸を、縦軸を
としたグラフの横軸の重心がZ平均重合度となります。
横軸を、縦軸を
としたグラフの横軸の重心の
乗根が粘度平均重合度となります。
また、Z平均重合度≧重量平均重合度≧数平均重合度の関係が成り立ちます。ここで、等号は、一つの重合度しかない分布で成り立ちます。この分布のことを単分散分布ともいいいます。また、Z平均分子量≧重量平均分子量≧数平均分子量の関係も成り立ちます。