Високомолекулярна сполука — це полімери, які володіють великою молекулярною масою. Вони можуть бути органічними і неорганічними сполуками. Розрізняють аморфні і кристалічні речовини, які складаються з мономерних кілець. Останні являють собою макромолекули, що з’єднуються хімічними та координаційними зв’язками. Якщо говорити простою мовою, високомолекулярна сполука — це полімер, тобто мономерні речовини, які не змінюють своєї маси при приєднанні до них такого ж “важкого” речовини. В іншому випадку мова піде про олігомері.
Що вивчає наука про високомолекулярних з’єднаннях?
Хімія високомолекулярних полімерів — це дослідження молекулярних ланцюгів, що складаються з мономерних субодиниць. Тут враховується величезна область дослідження. Багато полімери мають істотне промислове та комерційне значення. В Америці разом з відкриттям природного газу стартував запуск великого проекту з будівництва заводу з виробництва поліетилену. Етан з природного газу перетворюється в етилен, мономер, з якого може бути виготовлений поліетилен.
Полімер як високомолекулярна сполука — це:
- Будь-який з класу природних або синтетичних речовин, що складаються з дуже великих молекул, званих макромолекулами.
- Безліч більш простих хімічних одиниць, які називаються мономерами.
- Полімери становлять багато матеріалів у живих організмах, включаючи, наприклад, білки, целюлозу і нуклеїнові кислоти.
- Крім того, вони формують основу таких мінералів, як алмаз, кварц і польовий шпат, а також штучних матеріалів, серед яких бетон, скло, папір, пластик та каучуки.
Слово “полімер” позначає невизначену кількість мономерних ланок. Коли кількість мономерів дуже велике, з’єднання іноді називають высокополимерным. Воно не обмежено мономерами з однаковим хімічним складом або молекулярною масою і структурою. Деякі природні високомолекулярні органічні сполуки складаються з одного виду мономеру.
Однак більшість природних і синтетичних полімерів формуються з двох або більше різних типів мономерів; такі полімери відомі як сополімери.
Натуральні речовини: яка їх роль у нашому житті?
Органічні високомолекулярні органічні сполуки відіграють вирішальну роль у житті людей, забезпечуючи основні конструкційні матеріали та беручи участь в життєво важливих процесах.
- Наприклад, тверді частини всіх рослин складаються з полімерів. До них належить целюлоза, лігнін і різні смоли.
- Целюлоза — це полісахарид, полімер, що складається з молекул цукру.
- Лігнін формується з складною тривимірною мережі полімерів.
- Деревні смоли являють собою полімери простого вуглеводню, ізопрену.
- Іншим знайомим изопреновым полімером є каучук.
В інші важливі природні полімери входять білки, які являють собою полімери амінокислот, і нуклеїнові кислоти. Вони є різновидами нуклеотидів. Це складні молекули, що складаються з азотовмісних підстав, цукрів і фосфорної кислоти.
Нуклеїнові кислоти несуть генетичну інформацію в клітині. Крохмалі, важливі джерела харчової енергії, що отримується з рослин, що представляють собою природні полімери, що складаються з глюкози.
Хімія високомолекулярних сполук виділяє неорганічні полімери. Вони також зустрічаються в природі, в тому числі алмаз і графіт. Обидва складаються з вуглецю. Варто знати:
- Атоми вуглецю В алмазі пов’язані в тривимірну мережу, яка надає твердість матеріалу.
- В графіті, що використовується в якості змащення і в олівцевих «відведеннях», атоми вуглецю зв’язуються в площинах, які можуть ковзати один через одного.
Багато важливі полімери містять атоми кисню або азоту, а також атоми вуглецю в основний ланцюга. До таких макромолекулярным матеріалів з атомами кисню відносяться полиацетали.
Найпростіший полиацеталь — це полиформальдегид. Він має високу температуру плавлення, є кристалічним, стійким до стирання і дії розчинників. Ацетальные смоли більше схожі на метал, ніж будь-які інші пластмаси, і використовуються при виготовленні деталей машин, таких як шестірні і підшипники.
Речовини, отримані штучним шляхом
Синтетичні високомолекулярні з’єднання виробляються в різних типах реакцій:
Це з’єднання використовується в текстильній промисловості і для виготовлення формованих предметів.
Інші адитивні полімери включають:
- полибутадиен;
- полиизопрен;
- поліхлоропрен.
Всі вони важливі при виробництві синтетичних каучуків. Деякі полімери, такі як полістирол, при кімнатній температурі є стеклообразными і прозорими, а також термопластичними:
Лінійний полімер, що характеризується повторенням сложноэфирных груп вздовж основного ланцюга, називається поліефіром. Поліефіри з відкритою ланцюгом являють собою безбарвні, кристалічні, термопластичні матеріали. Ті синтетичні високомолекулярні сполуки, які мають високу молекулярну масу (від 10000 до 15000 молекул), що використовуються у виробництві плівок.
Рідкісні поліаміди синтетичного походження
Поліаміди включають в себе зустрічаються в природі білки казеїну, що містяться в молоці, і зеина, що містяться в кукурудзі, з яких виготовляються пластмаси, волокна, клей і покриття. Варто зауважити:
- У число синтетичних поліамідів входять карбамідоформальдегідні смоли, які є термореактивними. Вони використовуються для виготовлення формованих предметів, а також в якості клею і покриття для текстилю та паперу.
- Також важливі поліамідні смоли, відомі як нейлон. Вони міцні, стійкі до нагрівання і стирання, нетоксичні. Їх можна пофарбувати. Найвідоміше напрямок використання — в якості текстильних волокон, але у них є багато інших функцій.
Інше важливе сімейство синтетичних високомолекулярних хімічних сполук складається з лінійних повторень уретанових групи. Поліуретани використовуються у виробництві еластомерних волокон, відомих як спандекс, і у виробництві основ для покриттів.
Іншим класом полімерів є змішані органіки-неорганічні сполуки:
Полімер може бути тривимірним, двомірним і поодиноким. Повторювані одиниці часто складаються з вуглецю та водню, а іноді — з кисню, азоту, сірки, хлору, фтору, фосфору і кремнію. Щоб створити ланцюг, багато ланки хімічно пов’язані або полімеризуються разом, у зв’язку з чим змінюється характеристика високомолекулярних сполук.
Якими рисами мають високомолекулярні речовини?
Більшість вироблених полімерів є термопластичним. Після того, як полімер сформований, його можна нагрівати і піддавати реформування знову. Це властивість дозволяє легко обробляти його. Інша група термореактивних матеріалів не може бути переплавлена: як тільки полімери сформовані, повторний призведе до розкладання, але не до плавлення.
Характеристики високомолекулярних сполук полімерів на прикладі упаковок:
Як правило, полімери дуже легкі по вазі зі значним ступенем міцності. Розгляньте діапазон застосувань, від іграшок до каркасної структури космічних станцій, або від тонкого нейлонового волокна в колготках до кевлара, який використовують в бронежилетах. Деякі полімери плавають у воді, інші — тонуть. У порівнянні з щільністю каменю, бетону, сталі, міді або алюмінію всі пластмаси є легкими матеріалами.
Властивості високомолекулярних сполук різні:
Високомолекулярна сполука — це речовини з безмежним діапазоном характеристик і квітів. Вони володіють багатьма властивостями, які можуть бути додатково покращені широким спектром добавок для розширення застосування. Полімери можуть служити основою для імітації бавовни, шовку і вовни, порцеляни та мармуру, алюмінію і цинку. У харчовій промисловості їх використовують для додання грибкам їстівних властивостей. Наприклад, дорогий сир з пліснявою. Його можна їсти без побоювання завдяки полімерній обробці.
Обробка та застосування полімерних конструкцій
Полімери можуть бути оброблені різними способами:
- Екструзія дозволяє виробляти тонкі волокна або важкі масивні трубки, плівки, харчові пляшки.
- Лиття під тиском дає можливість створити складні деталі, наприклад, великі частини кузова автомобіля.
- Пластмаси можуть бути відлиті в бочки або змішані з розчинниками, щоб стати клейовими основами або фарбами.
- Еластомери і деякі пластики розтягуються, володіють гнучкістю.
- Деякі пластмаси розширюють в процесі обробки, щоб утримувати форму, наприклад, пляшки для питної води.
- Інші полімери можуть бути вспенены, наприклад, полістирол, поліуретан і поліетилен.
Властивості високомолекулярних сполук змінюються залежно від механічного впливу та способу отримання речовини. Це дає можливість застосовувати їх у різних сферах промисловості. Основні високомолекулярні сполуки мають більший спектр призначення, ніж ті, які відрізняються особливими властивостями і методикою отримання. Універсальні і “примхливі” “знаходять себе” в харчовій і будівельній сферах:
Цікаво і те, що їх практично не можна нічим замінити:
- Полімери можуть бути використані для виготовлення предметів, які не мають альтернативи з інших матеріалів.
- Їх перетворюють прозорі водонепроникні плівки.
- ПВХ використовується для виготовлення медичних трубок і пакетів для крові, які продовжують термін зберігання продукту та його похідних.
- ПВХ безпечно доставляє горючий кисень в негорючі гнучкі трубки.
- А антитромбогенный матеріал, такий як гепарин, може бути включений у категорію гнучких катетерів з ПВХ.
Багато медичні пристрої для забезпечення ефективного функціонування зосереджені на особливості будівель високомолекулярних сполук.
Розчини високомолекулярних речовин та їх властивості
Оскільки розмір дисперсної фази важко виміряти і колоїди мають вигляд розчинів, вони іноді ідентифікують і характеризують фізико-хімічні та транспортні властивості.
Фаза колоїду | Тверда | Чистий розчин | Розмірні показники |
Якщо колоїд складається з твердої фази, диспергованої рідини, тверді частинки не будуть дифундувати через мембрану. | Розчинені іони або молекули будуть дифундувати через мембрану при повній дифузії. | Із-за виключення з розміром колоїдні частинки не можуть проходити через пори ультрафільтраційний мембрани з розміром, меншим, ніж їх власний розмір. | |
Концентрація у складі розчинів високомолекулярних сполук | Точне значення концентрації дійсно розчиненої речовини буде залежати від експериментальних умов, які застосовуються для відділення його від колоїдних частинок, також диспергованих в рідині. | Залежить від реакції високомолекулярних сполук при проведенні досліджень на предмет розчинності легко гідролізувати речовин, таких як Al, Eu, Am, Cm. | Чим менше розмір пір ультрафільтраційний мембрани, тим нижче концентрація диспергованих колоїдних частинок, які залишаються в ультрафильтрованной рідини. |
Гидроколлоид визначається, як колоїдна система, в якій частинки молекули високомолекулярних сполук представляють собою гідрофільні полімери, дисперговані у воді.
Залежність від води | Залежність від тепла | Залежність від способу виробництва |
Гидроколлоид – це колоїдні частинки, розподілені по воді. При цьому співвідношення двох складових впливає на форму полімеру – гель, зола, рідкий стан. | Гидроколлоиды можуть бути незворотними (в одному стані) або зворотними. Наприклад, агар, оборотний гидроколлоид екстракту морських водоростей, може існувати в гелі і твердому стані або чергуватися між станами з додаванням або усуненням тепла. | Отримання високомолекулярних сполук, як гидроколлоиды, залежить від природних джерел. Наприклад, агар-агар і карагенан екстрагують з морських водоростей, желатин отримують шляхом гідролізу білків бичачого та рибного походження, а пектин екстрагують з шкірки цитрусових і яблучної вичавки. |
Желатинові десерти, зроблені з порошку, мають у складі іншої гидроколлоид. Він наділений меншою кількістю рідини. | Гидроколлоиды використовуються в харчових продуктах головним чином для впливу на текстуру або в’язкість (наприклад, соус). Однак консистенція вже залежить від способу термічної обробки. | Медичні пов’язки на основі гідроколоїдів використовуються для лікування шкіри і ран. В основі виготовлення лежить зовсім інша технологія, а полімери використовуються ті ж. |
Іншими основними гідроколоїдами є ксантанова камедь, гуміарабік, гуарова камедь, камедь ріжкового дерева, похідні целюлози, такі як карбоксиметилцелюлоза, альгінат і крохмаль.
Взаємодія високомолекулярних речовин з іншими частками
Такі сили відіграють важливу роль у взаємодії колоїдних частинок:
- Відштовхування без урахування обсягу: це відноситься до відсутності перекриття між твердими частинками.
- Електростатичне взаємодія: колоїдні частинки часто несуть електричний заряд і тому притягають або відштовхують один одного. Заряд як безперервної, так і дисперсної фази, а також рухливість фаз є факторами, що впливають на цю взаємодію.
- Ван-дер-ваальсові сили: це відбувається через взаємодію між двома диполями, які є постійними або індукованими. Навіть якщо частки не мають постійного диполя, флуктуації електронної густини призводять до тимчасового диполю в частці.
- Энтропийные сили. Згідно з другим законом термодинаміки, система переходить в стан, в якому ентропія максимізується. Це може призвести до створення ефективних сил навіть між твердими сферами.
- Стерические сили між покритими полімером поверхнями або в розчинах, що містять неадсорбирующий аналог, можуть модулювати межчастичные сили, створюючи додаткову стерическую відразливу силу, яка має переважно ентропійний характер, або силу виснаження між ними.
Останній ефект шукається за допомогою спеціально розроблених суперпластифікаторів, створених для підвищення оброблюваності бетону і зниження його вмісту у воді.
Кристали полімерів: де зустрічаються, як виглядають?
До високомолекулярним сполукам ставляться навіть кристали, які входять в категорію колоїдних речовин. Це высокоупорядоченный масив частинок, який утворюється на дуже великій відстані (зазвичай порядка декількох міліметрів до одного сантиметра) і виглядає аналогічно їх атомних або молекулярних аналогам.
Найменування перетвореного колоїду | Приклад упорядкування | Виробництво |
Дорогоцінний опал | Один з кращих природних прикладів цього явища знаходять в чистому спектральному кольорі каменю | Це результат щільноупакованих ніш аморфних колоїдних сфер діоксиду кремнію (SiO2) |
Ці сферичні частинки осаджуються у високо кременистих резервуарах. Вони утворюють высокоупорядоченные масиви через роки седиментації і стиснення під дією гідростатичних і гравітаційних сил. Періодичні масиви сферичних частинок субмикрометрового діапазону забезпечують аналогічні масиви пустот впровадження, які діють як природна дифракційна решітка для видимих світлових хвиль, особливо коли відстань між впровадженнями має той же порядок величини, що і падаюча світлова хвиля.
Таким чином, було з’ясовано, що з-за відштовхують кулонівських взаємодій електрично заряджені макромолекули у водному середовищі можуть проявляти далекі кристалоподібні кореляції з відстанями між частками, часто значно перевищують діаметр окремих частинок.
У всіх цих випадках кристали природного високомолекулярного з’єднання мають одну і ту ж блискучу позахмарність (або гру кольорів), яку можна віднести до дифракції і конструктивної інтерференції видимих світлових хвиль. Вони задовольняють закону Брегга.
Велика кількість експериментів по вивченню так званих колоїдних кристалів» виникло в результаті відносно простих методів, розроблених за останні 20 років для отримання синтетичних монодисперсных колоїдів (як полімерних, так і мінеральних). Через різні механізми реалізується і зберігається формування далекого порядку.
Визначення молекулярної маси
Молекулярна маса є критичним властивість хімічної речовини, особливо для полімерів. В залежності від матеріалу зразка підбираються різні методи:
Загальна маса з’єднання дорівнює сумі окремих атомних мас кожного атома у молекулі. Процедура проводиться за формулою:
Приклад простого розрахунку малої молекулярної маси: щоб знайти молекулярну масу NH3, першим кроком є пошук атомних мас азоту (N) і водню (H). Так, H = 1,00794 N = 14,0067.
Потім помножте атомну масу кожного атома на кількість атомів у сполуці. Існує один атом азоту (для одного атома не дається нижній індекс). Є три атома водню, як зазначено в нижньому індексі. Отже:
- Молекулярна маса речовини = (1 х 14,0067) + (3 х 1,00794)
- Молекулярні маси = 14,0067 + 3,02382
- Результат = 17,0305
Приклад розрахунку комплексної молекулярної маси Ca3(PO4)2 — це більш складний варіант розрахунку:
З періодичної таблиці атомні маси кожного елемента:
- Ca = 40,078.
- P = 30,973761.
- O = 15.9994.
Складна частина з’ясовує, яку кількість кожного атома присутній в з’єднанні. Є три атома кальцію, два атоми фосфору і вісім атомів кисню. Якщо частина з’єднання знаходиться в дужках, помножте нижній індекс, наступного відразу за символом елемента, на нижній індекс, який закриває дужки. Отже:
- Молекулярна маса речовини = (40,078 х 3) + (30,97361 х 2) + (15,9994 х 8).
- Молекулярна маса після підрахунку = 120,234 + 61,94722 + 127,9952.
- Результат = 310,18.
За аналогією вираховуються складні форми елементів. Деякі з них складаються з сотні значень, тому зараз використовуються автоматизовані машини з базою даних всіх значень г/моль.