Высоко-молекулярные соединения в химии - формулы и определение с примерами

Содержание:

Высоко-молекулярные соединения:

Полимеры

Полимеры в виде пластмасс, каучуков и волокон применяются практически в любой сфере человеческой деятельности - строительстве, сельском хозяйстве, электротехнике, радиотехнике, автомобильной промышленности, самолетостроении и в быту.

Особое место полимеры занимают в медицине, и в особенности в хирургии. Из полимеров изготавливают протезы кровеносных сосудов, пищевода, желчных протоков, клапанов сердца, а также сложные медицинские приборы - аппараты "искусственное сердце", "искусственные легкие", "искусственная почка" и др. При операциях на кровеносных сосудах применяют материалы из лавсана, полипропилена, капрона и кремнийорганических полимеров. Для изготовления искусственных зубов и протезов широко используют полиакриловые полимеры.

Высокомолекулярные соединения (поливиниловый спирт и др.), которые по свойствам близки к плазме крови, применяются в качестве синтетических кровезаменителей. В некоторые полимеры-кровезаменители вводят специальные вещества для лечения туберкулеза, склероза, а также антибиотики и противораковые препараты. В последнем случае полимеры, образуя устойчивые водные растворы, совмещаются с кровяной плазмой. Так решается задача использования полимеров в качестве пролонгаторов - средств, продлевающих время действия лекарства.

В выражении полимер - "поли" означает "много", "meros" - "часть".

Полимеры или высокомолекулярные соединения - это вещества, молекулы которых состоят из многократно повторяющихся групп атомов.

Полимеры получают из мономеров реакциями полимеризации и поликонденсации.

Реакции полимеризации - это реакции образования высокомолекулярных веществ в результате многократного соединения молекул мономера друг с другом:

Реакции поликонденсации - это реакции образования высокомолекулярных соединений из низкомолекулярных, сопровождающиеся выделением в качестве побочного продукта воды, аммиака и др.:

Знаете ли вы...» Соединения, имеющие называют низкомолекулярными, а в интервале 500-5000-олигомерами.

Для любого полимера степень полимеризации не постоянная величина, т.е. разные макромолекулы одного и того же полимера могут содержать разное число структурных единиц. Как следствие, относительная молекулярная масса полимера принимает разные значения. По этой причине полимеры принято характеризовать средней относи тельной молекулярной массой.

Полимеры, полученные реакциями полимеризации (a) и поликонденсации (b)
(a)	(b)
Полиэтилен высокой плотности Полиэтилен низкой плотности Полипропилен Полистирол Политетрафторэтилен (тефлон) Поливинилхлорид	Белки Крахмал (амилоза, амилопектин) Целлюлоза Фенолформальдегидная смола Капрон Лавсан

Строение и физические свойства полимеров, пластмассы

Современные полимерные материалы широко применяют в производстве автомобилей, кораблей, самолетов, а также в космической промышленности. Например, из полиэтилена изготавливают пленки, покрытия, трубы и т.д.

Стереорегулярность полимеров (пространственный порядок). Под стереорегулярностью полимера подразумевают упорядоченное (регулярное) расположение групп атомов его макромолекулы в пространстве. Например, полимеризацией пропилена получают полипропилены I—III, макромолекулы которых отличаются расположением в пространстве СН₃-групп:

Если радикалы, в нашем случае метильные группы, расположены по одну сторону от плоскости углеродной цепи (I) или по обе стороны упорядоченным образом (II), то такие полимеры называют полимерами стереорегулярного строения (соответственно, изотактическими и синдиотактическими). Если радикалы расположены сверху и снизу от этой плоскости беспорядочным образом (III), то такие полимеры называют полимерами нестереорегулярного строения (атактические).

Физические свойства полимеров

Из-за большой молекулярной массы полимеров между их макромолекулами действуют большие силы притяжения. Поэтому полимеры обладают высокой температурой плавления (разложения), малой растворимостью и высокой механической прочностью. Поскольку в макромолекулах одного и того же полимера степень полимеризации имеет разное значение, то полимеры не имеют постоянную температуру плавления, а плавятся в определенном температурном интервале.

Макромолекулы полимеров неразветвленного (а), разветвленного (b) и сетчатого (с) строения.

Влияние строения полимера на его физические свойства.

Макромолекулы полимеров с неразветвленным строением (а) плотно расположены друг к другу, поэтому между ними силы притяжения большие. Как следствие, плотность, прочность и температура плавления этого полимера больше, чем у соответствующего полимера разветвленного строения.

По этой же причине полимеры стереорегулярного строения (I и II) имеют большую плотность, прочность и высокую температуру плавления, чем полимеры нестереорегулярного строения (III).

В отличие от полимеров разветвленного и неразветвленного строения (а, b), сетчатые полимеры (с) не плавятся и не растворяются в растворителях, так как макромолекулы сетчатых полимеров сшиты друг с другом.

Свойства полимеров зависят также и от степени их кристалличности. Обычно длинные макромолекулы полимеров расположены беспорядочно. Однако, при определенных условиях определенное число макромолекул или же определенные части молекул в пространстве могут расположиться упорядоченным образом (d). В этих случаях говорят, что полимер имеет определенную степень кристалличности. Полимеры, обладающие определенной степенью кристалличности, по сравнению с тем же полимером аморфного строения имеют более высокую температуру плавления и прочность.

Наконец, свойства полимера зависят и от его степени полимеризации (n). Например, полиэтилен со степенью полимеризации n = 20 - жидкость, а с n = 5000 - 6000 - очень твердый материал.

Большая часть полимеров применяется в виде пластмасс, каучуков и волокон.

Пластмассы

Пластмассы - это материалы, полученные на основе полимеров, способные при нагревании принимать заданную форму и сохранять ее в процессе эксплуатации.

Пластмассы, помимо полимера, содержат и другие компоненты: красители (придают окраску), наполнители (придают прочность пластмассе), пластификаторы (придают эластичность, способность изгибаться) и др.

Пластмассы подразделяются на термопластичные и термореактивные.

Термопластичные пластмассы при нагревании смягчаются, плавятся и при охлаждении сохраняют приданную форму (е). Термопластичные пластмассы изготавливают па основе полиэтилена, полипропилена, поливинилхлорида, полистирола и его сополимеров, лавсана, капрона, каучука и др. В настоящее время 85% используемых пластмасс являются термопластичными.

Термореактивные пластмассы (после синтеза) при нагревании хоть и смягчаются, но не плавятся (f), поскольку при первоначальном их нагревании их макромолекулы сшиваются друг с другом. По этой причине они, в отличие от термопластичных пластмасс, непригодны для повторной переработки. Термореактивные пластмассы - это полимеры, имеющие пространственное строение (сшитые, сетчатые полимеры). К термореактивным пластмассам относятся фенолформальдегидные смолы, эпоксидные смолы и др.

Применение

Легкость пластмасс, их высокая химическая и механическая устойчивость, способность не проводить тепло и электричество широко используются на практике - в промышленности, сельском хозяйстве, медицине, быту и т.д. (g).

Природные и синтетические каучуки

В 1823 году шотландский химик Дж.Макинтош, пропитав плотные ткани раствором каучука в керосине, получил водонепроницаемую ткань. Из этой ткани изготавливали плащи, калоши, сумки. Однако, при их использовании во время сильных морозов или же в жаркие летние дни возник ряд проблем, в результате чего эти ткани не нашли широкого применения.

Каучуки - это эластичные материалы, превращающиеся при вулканизации в резину. По происхождению различают каучуки природные и синтетические. Природный (натуральный) каучук получают из млечного сока дерева гевеи, а синтетические - из алкадиенов и их производных.

Природный каучук растворяется в бензине, бензоле, дисульфиде углерода; эластичен и не пропускает воду и газы. Он имеет состав (C₅H₈)n и строение, приведенное выше. В его макромолекуле метиленовые группы по отношению к связи С=С расположены только в цис-положении. Поэтому природный каучук является цис-полимером изопрена стереорегулярного строения, т.е. цис-полиизопреном.

Если в одной макромолекуле группы расположены и в цис-, и в трансположениях, то такие макромолекулы считаются нестереорегулярного строения. Первый синтетический каучук, синтезированный в промышленном масштабе (С.Лебедев, 1932 г.) - бутадиеновый каучук, имел нестереорегулярное строение:

Поэтому он по эластичности и устойчивости к трению уступал природному. 

В настоящее время в присутствии катализатора получают бутадиеновый каучук стереорегулярного строения, названный дивиниловым каучуком (1а). Этим способом получен также синтетический изопреновый каучук (lb), имеющий строение, аналогичное строению природного каучука:

Синтетический изопреновый и дивиниловый каучуки регулярного строения по свойствам близки к природному каучуку. Дивиниловый каучук, а также хлоропреновый (2) и бутадиен-стирольный каучуки (3) по устойчивости к трению даже превосходят природный каучук:

Недостатки каучуков (при повышенной температуре становятся мягкими и липкими, а на холоде теряют эластичность и становятся твердыми и хрупкими) устраняют, превращая их в резину:

Резина имеет сетчатое строение. Поэтому она, в отличие от каучука, более эластична и прочна, устойчива к изменениям температуры и действию растворителей (в отличие от каучука резина в бензине не растворяется, а лишь набухает).

Вычисления, связанные со строением макромолекулы каучука

Вычислите общее число атомов углерода, находящихся в состоянии sp² гибридизации, в макромолекуле бутадиен-стирольного каучука (с), содержащего n структурных единиц.

Решение:

Число атомов углерода в состоянии sp² гибридизации в структурной единице молекулы (с) равна 8: в бензольном кольце - 6 и 2 в фрагменте  Следовательно, общее число sp² гибридизированных атомов углерода в молекуле (с) составит: 

Применение: Различные виды синтетических каучуков широко применяются в транспортных средствах, машиностроении, электротехнике, обувной промышленности, в производстве клеев и эбонита, медицинских и бытовых изделий.

Волокна

Шелководство на Южном Кавказе было широко распространено еще в V-VI веках. Албанский историк античного периода М.Каланкатлы писал, что на берегах реки Куры росло множество тутовых деревьев, которые, в основном, использовались в производстве шелковых тканей. Именно из шелковых нитей и ткались - национальные платки, использующиеся как головной убор женщинами в Азербайджане.

Волокна - полимеры неразветвленного строения, пригодные для изготовления нитей, пряжи и текстильных изделий.

Волокна подразделяются на природные и химические. Природные волокна бывают растительного и животного происхождения. Химические волокна делятся на искусственные и синтетические. Искусственные - ацетатное и вискозное волокна получают химическими превращениями целлюлозы. Синтетические же волокна изготавливают из синтетических полимеров - капрона, нейлона и лавсана. Поскольку в производстве искусственных и синтетических волокон применяются химические реакции, их называют химическими волокнами. В зависимости от присутствия между структурными единицами макромолекулы амидной или же сложноэфирной связи различают волокна полиамидные и полиэфирные. К полиамидным волокнам относятся капрон, энант и нейлон (анид), к полиэфирным - лавсан.

Капроновое волокно - продукт поликонденсации аминокапроновой (6-аминогексановой) кислоты:

Однако, в промышленности капрон получают полимеризацией циклического соединения - капролактама:

Капроновое волокно не поглощает влагу, во влажном состоянии прочность не теряет. По сравнению с природными волокнами лавсан более устойчив к трению. Недостатком капронового волокна является легкий гидролиз под действием кислот и неустойчивость капроновых изделий к нагреванию Изделия, связанные из капронового волокна (рубашки, искусственный мех, ковры и др.), широко используются в быту. Из капроновой смолы изготавливают прочные детали машин и механизмов, а также парашюты, канаты и рыболовные сети.

Энантовое волокно получают поликонденсацией аминоэтановой (7-аминогептановой) кислоты:

Нейлоновое волокно получают совместной поликонденсацией двухосновной адипиновой кислоты с гексаметилендиамином:

Знаете ли вы... Полиароматический амид (кевлар), образующийся поликонденсацией терефталевой кислоты и ароматического амина - 1,4-бензолдиамина, обладает большой прочностью. Жилеты, связанные из нитей кевлар, заменяют пуленепробиваемые материалы.

Кевлар (полиароматический амид)

Лавсановое волокно образуется при совместной поликонденсации этилен-гликоля с терефталевой (бензол-1,4-дикарбоновой) кислотой:

Ткани из лавсана не мнутся, поэтому они находят широкое применение. 

Прочность лавсанового волокна позволяет применять его для изготовления канатов, транспортерных лент, ремней, рыболовных сетей, парусных и кордных тканей. Лавсановое волокно - диэлектрик и потому используется в электроизоляции.

Параллельное расположение макромолекул в волокне.

Для получения волокна из полимеров соответствующий полимер в расплавленном (или растворенном) состоянии пропускают через фильеры - колпачок с большим числом мелких отверстий, и охлаждают (или испаряют растворитель). Для придания прочности образовавшемуся волокну его в нагретом состоянии вытягивают. При вытягивании, с одной стороны изогнутые макромолекулы выпрямляются, с другой -макромолекулы, направленные в разных направлениях, ориентируются в одном направлении. В результате межмолекулярные силы притяжения возрастают и волокно еще более упрочняется.

Защите окружающей среды от загрязнений полимерными веществами

Сотни лет люди используют энергию, аккумулированную в нефти, природном газе и каменном угле.

В настоящее время производство в огромных количествах синтетических полимеров, отходы части отслуживших свой срок изделий, а также устойчивость этих полимеров в природных условиях (к действию солнечного | излучения, кислорода воздуха, тепла, влаги), не подвергаясь химическому I разрушению, приводит к загрязнению окружающей среды. Поэтому защита J окружающей среды от загрязнения полимерными веществами является одной из актуальных проблем современности.

Для борьбы с загрязнением природы полимерными веществами используют следующие способы:

1. Уничтожение отработанных и выброшенных полимеров путем их сжигания.

Этим методом обычно уничтожают сильнозагрязненные и смешанные отходы. Эти отходы обычно составляют около 60-85% от общих полимерных отходов.

Недостатком этого метода является то, что при сжигании уничтожаются ценные вещества и материалы, и, в лучшем случае, продукт сгорания - углекислый газ, переходя в атмосферу, усиливает парниковый эффект.

Однако, полимерные материалы, как правило, - многокомпонентные системы. Так, наряду с полимером, они содержат красители, наполнители, антиоксиданты, пластификаторы, а также примеси соединений тяжелых металлов, используемых в качестве катализаторов. Поэтому при их сжигании образуются также вредные летучие вещества (НСl, диоксин, формальдегид и др.), которые кроме атмосферы загрязняют также воду и землю.

Несмотря на этот недостаток, часть полимерных отходов уничтожают сжиганием, улавливая образующиеся летучие вредные вещества. Во многих случаях теплота сгорания используется в различных целях.

2. Вторичная переработка отслуживших свой срок полимеров и изделий из них.

В настоящее время лишь до 10% от всей массы полимерных отходов могут быть повторно использованы, поскольку даже если полимерные отходы тщательно отделены от других примесей, их практически невозможно переработать в полимерный материал с нужными свойствами. Причина этого состоит в неспособности полимеров смешиваться друг с другом.

Поэтому на повторную переработку можно направлять только однотипные полимеры. Отбор же однотипных полимеров требует их сортировки и, соответственно, больших расходов.

3. Разработка и применение биоразлагаемых полимеров. Наиболее оптимальный путь решения этой проблемы состоит в разработке и применении полимеров, которые под влиянием природных факторов (микроорганизмов, солнечных лучей, кислорода, влаги и др.) подвергаются биоразложению, не оказывая отрицательного влияния на окружающую среду.

К таким полимерам относятся полимеры на основе целлюлозы, которые могут быть использованы для упаковки хлебобулочных или сыпучих изделий.

В настоящее время в США и Германии на основе полистирола-крахмала и полистирола-целлюлозы (под названием Ecoflex) выпускается биоразлагаемый полимер, предназначенный для производства пищевой упаковки и сельскохозяйственной пленки.

Этот полимер в течение 50 суток подвергается биодеструкции на 60%, а 80 суток -на 90%. Однако, работы по созданию биоразлагаемых полимеров находятся на стадии разработок и поэтому в настоящее время отходы пластических масс целесообразнее направлять на повторную переработку.