Головна |
Полімери - це речовини, що складаються з макромолекул - гігантських молекул, відносна молекулярна маса яких перевищує 5000. Тому полімери називають ще високомолекулярними сполуками (ВМС).
Найпростішим органічним полімером є поліетилен. Дві молекули етилену, з'єднуючись, утворюють молекулу бутилену:
CH2= CH2 + CH2= CH2 ? CH3-CH2-CH = CH2.
Вихідна речовина - етилен - називають мономером, що утворюється бутилен - димером. При з'єднанні трьох молекул етилену утворюється тример, чотирьох - тетрамер і т.д. Якщо з'єднується велике число (n) молекул мономера, утворюється полімер ("полі" - багато):
nCH2= CH2 ? [-CH2-CH2-]n.
Багаторазово повторювані угруповання, які є залишками мономерів, називають ланками, або мономірними ланками, а великі молекули, що складаються з ланок, - макромолекулами, або полімерними ланцюгами. Групи, які стоять на кінцях ланцюга, - кінцеві групи. Число ланок у ланцюзі - ступінь полімеризації n. Відносна молекулярна маса полімеру М дорівнює молекулярній масі мономерного ланки MЗВ, Помноженої на ступінь полімеризації:
M = n ? MЗВ (N зазвичай 500-10000 і більше).
Полімери з відносною молекулярною масою 500-5000 називають олигомерами.
Головна особливість будови полімерів - це наявність довгих ланцюгових молекул (макромолекул), пов'язаних між собою ван-дер-ваальсовими зв'язками. Сама ланцюг утворена міцними хімічними зв'язками довжиною 1-1,5 A, ланцюги ж пов'язані між собою відносно слабкими ван-дер-ваальсовими зв'язками, радіус їх дії 3-4 A.
У сітчастих полімерах хімічні зв'язки є і між ланцюгами. Якщо число таких зв'язків мало в порівнянні з числом ланок в макромолекулах (рідкісна сітка), то полімер зберігає властивості, характерні для полімерів, - здатність до високоеластичних деформацій і т.п. Якщо ж сітка часта (практично кожна ланка макромолекули пов'язано зі ланкою сусідній ланцюга), то полімер втрачає зазначені властивості. Так, при вулканізації каучук перетворюється в ебоніт - тверду речовину, не здатне до високоеластичних деформацій.
Якщо атоми в речовині з'єднані тільки хімічними зв'язками, то властивості його взагалі не мають нічого спільного з властивостями полімерів. Так, алмаз - одна гігантська молекула (макромолекула), але полімерних властивостей не проявляє. З цієї ж причини метали також не можуть бути віднесені до полімерів.
Таким чином, наявність гігантських молекул і двох типів зв'язків зумовлює всі типові властивості полімерів, якими не володіють низькомолекулярні речовини.
Природні і деякі синтетичні полімери мають власні назви - целюлоза, колаген, лігнін, капрон, лавсан, бакеліт, тефлон і ін. Назва більшості синтетичних полімерів зазвичай складається з назви мономера і приставки "поли". Наприклад, продукт полімеризації етилену називають поліетиленом, стиролу -полістіролом, метилметакрилату - поліметілметакрілатом і т.д. Загальноприйнята запис хімічних формул таких полімерів:
[-CH2-CH2-]n , [-CH2-CH-]n, [-CH2-CH-]n
| |
C6H5 С?N
Кінцеві групи до уваги не беруть (як і при розрахунку М) і формули записують без них.
Макромолекула може бути побудована з однакових за хімічною будовою мономерів або з мономерів різної будови. Полімери, побудовані з однакових мономерів, називають гомополимерами. Полімерні з'єднання, ланцюги яких містять кілька типів мономерних ланок, називають сополимерами. Так, гомополімерами є, наприклад, поліетилен, а прикладами сополімерів можуть служити білки, в макромолекулах яких чергуються залишки декількох типів амінокислот.
Мономери можуть з'єднуватися в макромолекулі один з одним з утворенням полімерів лінійного, розгалуженого і сітчастого (просторового) будови.
лінійними називають полімери, молекули яких являють собою довгі ланцюги, які не мають розгалужень або ж які мають короткі відгалуження в межах одного мономерного ланки:
[-CH2-CH-]n , [-CH2-CH-]n
| |
OH C6H5
полівініловий спирт полістирол
розгалуженими полімерами називають полімери, макромолекули яких мають бічні відгалуження від ланцюга, званої головною або основної. Число відгалужень і їх розмір можуть змінюватися в дуже широких межах. Наприклад, молекулу поліетилену високого тиску схематично можна зобразити так:
CH2- CH2- CH2- CH2- CH2- CH2- CH2-
|
...- CH2-CH- CH2- CH2- CH2- CH2- CH- CH2- CH2- CH2- CH2- CH2-...
|
CH2- CH2- CH2- CH2- CH2- CH2- CH2-
сітчастим,або просторовими, називають полімери, побудовані з довгих ланцюгів, з'єднаних один з одним поперечними хімічними зв'язками в тривимірну сітку. Прикладами таких полімерних матеріалів є фенолформальдегідні смоли, гуми, ебоніт і ін. Сополімери також можуть бути лінійними, розгалуженими і сітчастими.
Стосовно нагріванню полімери діляться на термопластичніитермореактивні. При нагріванні термопластичних полімерів їх властивості поступово змінюються, і при досягненні певної температури вони переходять у в'язкотекучий стан. Плавлення відбувається переважно в результаті зменшення сил міжмолекулярної взаємодії і збільшення кінетичної енергії молекул. При охолодженні рідких термопластичних полімерів спостерігаються зворотні явища. Оскільки хімічна природа полімеру при цьому не змінюється, то процес плавлення і процес затвердіння можна повторити багато разів. До термопластичних полімерів відносяться поліетилен, полістирол і ін.
При нагріванні термореактивних полімерів вільні функціональні групи або ненасичені зв'язку сусідніх макромолекул взаємодіють один з одним з утворенням хімічних зв'язків. Полімер набуває сітчасту структуру - твердне (переходить в склоподібний стан). Такі полімери не відновлюють свої властивості при нагріванні і наступному охолодженні. Прикладом термореактивних полімерів можуть служити фенолформальдегідні смоли, мочевіноальдегідние смоли і т.п.
Особливістю полімерів є їх здатність відчувати високоеластичні деформації. Різні полімери виявляють цю властивість при різних температурах: так, наприклад, каучук еластичний навіть при дуже низьких температурах (-600С), поліметилметакрилат (органічне скло) - лише при температурах вище 800C. Полімери, які легко деформуються при кімнатній температурі, називають еластомерами, Труднодеформіруємиє - Пластомір(Пластиками).
За походженням полімери діляться на природні, синтетичні і штучні. природні, абонатуральні, полімери - Це полімери, що зустрічаються в навколишньому світі: білки, целюлоза, крохмаль, натуральний каучук і ін. Прикладами харчових ВМС є пектинова кислота, агар (полісахарид), крохмаль, агароид. Яблучний пектин має відносну молекулярну масу 23000-35000, розчинна фракція агару - 11000-25000.
синтетичні полімери отримують синтезом з низькомолекулярних речовин - мономерів, це поліетилен, поліпропілен, полістирол, фенолформальдегідні смоли і т.д.
штучні полімери отримують з природних полімерів шляхом їх хімічної модифікації. Наприклад, при обробці целюлози азотною кислотою отримують її ефір - нитроцеллюлозу.
полімери бувають полярнимии неполярними. Полярність полімерів обумовлена ??наявністю полярних груп в ланках макромолекул, таких як ОН, -СN, -COOH, -CNH2 і т.п. Полярність макромолекул характеризується величиною дипольного моменту m, що дорівнює векторній сумі дипольних моментів всіх полярних груп, розподілених уздовж ланцюга. При симетричному розташуванні полярних груп, наприклад, полімер -СCl2-CCl2- Є неполярних (m = 0). Наявність полярних гуртів в макромолекулі збільшує міжмолекулярні взаємодії.
За хімічною природою полімери ділять на органічні, неорганічні, елементоорганіческіе.
До органіческімотносітся більшість високомолекулярних речовин, молекули яких складаються з вуглецю, водню, кисню та азоту.
Молекули неорганічних полімерів побудовані з атомів кремнію, алюмінію, германію, сірки та ін., Наприклад, полісілани, поліфосфорниє кислоти і ін. Так, білий фосфор P4 (Тетраедр) при нагріванні перетворюється в полімер. Чорний фосфор утворюється з білого при температурі 2000C і тиску 12000 атм. Це полімерне з'єднання, що має, подібно графіту, шарувату структуру. При нагріванні сірки відбувається перетворення циклів S8 в лінійний полімер.
Елементоорганіческіе полімери можуть бути двох типів: коли головна молекулярна ланцюг має неорганічну природу, а бічні відгалуження - органічну і навпаки.
За складом головного ланцюга молекули полімери діляться на гомоцепні і гетероцепні.
гомоцепні полімери мають головну ланцюг, що складається з однакових атомів. Якщо вона складається з атомів вуглецю, то такі полімери називають карбоцепні (поліетилен, полістирол і ін.). Якщо головна ланцюг складається з атомів кремнію, то полімери називають кремнійцепнимі. Бувають алюмінійцепние, стронційцепние і інші полімери.
гетероцепні називають полімери, головний ланцюг яких складається з різних атомів. До гетероцепні полімерів відносяться прості ефіри, наприклад, поліетиленгліколь (його ланцюг складається з атомів вуглецю і кисню):
...- CH2-CH2-O- CH2-CH2-O- CH2-CH2-O- CH2-CH2-O -...
складні ефіри, наприклад, гліфтальовиє смоли:
OH O O
? ?? ??
...- O-CH2- C- CH2-O-C-C6H4- C- O-CH2-,
?
поліпептиди (білки):
O O
?? ??
...- C-R1-NH-C-R2-NH-C-R3-NH -...,
поліаміди - капрон:
O O
?? ??
... C- CH2-CH2-CH2-CH2-CH2-NH- C- CH2-CH2-CH2-CH2-CH2-NH-.
За характером структури полімери ділять на кристалічні - З далеким порядком розташування молекул - і аморфні, Що мають лише ближній порядок в розташуванні атомів і молекул.
Полімерні ланцюги можуть бути побудовані поєднанням коротких ланцюгів різних полімерів, званих блоками (молекула одного мономера - А, іншого - В), наприклад:
...- A-A- A- A- A- A- A- A- A- A- A- B- B- B- B- B- B- B- B-B- A- A- A- A-
це - блоксополімери.
Можливе й інше будова макромолекул, коли головна ланцюг складається з одного мономера А, а бічні ланцюги з іншого В:
A- A- A- A- A- A- A- A- A- A- A- A- A- A- A- A- A- A- A- A- A-
? ?
B- B- B- B- B- B- B- B- B- B- B- B- B- B- B- B-
Такі полімери називають щепленими сополимерами, або графт-сополимерами.
полімери бувають регулярнимии нерегулярними. Якщо в ланцюзі полімеру спостерігається монотонне чергування ланок, тобто дотримується дальній порядок ланок по ланцюгу, то полімер побудований регулярно. Порушення цього порядку веде до нерегулярності будови ланцюга полімеру. Розрізняють структурну регулярність і стереорегулярность. Структурна регулярність має місце у полімерів, всі ланки і всі заступники яких розташовані в просторі в певному порядку. Наприклад, якщо ланка полімеру містить заступник (х), то можливі наступні варіанти приєднання ланок один до одного, що забезпечують структурну регулярність або нерегулярність ланцюга:
Варіант (а) називають «голова до хвоста», а варіант (б) - «голова до голови». Якщо ланки вздовж ланцюга з'єднані один з одним тільки певним чином (або варіант (а), або варіант (б)), то полімер є структурно-регулярним, якщо ж з'єднання ланок довільне, то полімер - нерегулярний.
стереорегулярними називають полімери, у яких всі заступники розташовані в просторі певним чином. Наприклад, в полімерного ланцюга можлива l-d- оптична ізомерія, зумовлена ??наявністю асиметричних (херальних) атомів вуглецю. Можливо існування регулярних ізотактичного і сіндіотактіческіх полімерів:
Якщо ж розташування заступників довільне, то полімер є нерегулярним, такі полімери називають атактична.
Інший випадок стереорегулярность - існування цис- і трансполімеров:
Тобто, якщо всі заступники уздовж ланцюга розташовані в цис-положенні або в транс-положенні, то полімер має стереорегулярность будова, якщо ж положення заступників довільне, то полімер - нерегулярний.
Структура молекул визначається способом виробництва полімеру. При обробці полімерів (нагрів, розчинення і т.д.) структура молекул майже не змінюється, і не можна, наприклад, нерегулярний полімер зробити регулярним. Загальна структура полімерів складається зі структури молекул і надмолекулярної структури.
кристалізація сплавів | Діаграми стану двокомпонентних сплавів | Діаграма стану сплавів з необмеженою розчинністю компонентів в твердому стані (сплави тверді розчини з необмеженою розчинністю) | Діаграма стану сплавів з відсутністю розчинності компонентів в твердому стані (механічні суміші) | Діаграми стану сплавів з обмеженою розчинністю компонентів в твердому стані з евтектичним перетворенням | Діаграма стану сплавів з обмеженою розчинністю компонентів в твердому стані з перитектическая перетворенням | Діаграма стану сплавів, компоненти яких утворюють хімічні сполуки | Діаграма стану сплавів, що зазнають фазові перетворення в твердому стані (змінна розчинність) | Діаграма стану сплавів з поліморфним перетворенням одного з компонентів | Діаграма стану сплавів з поліморфними перетвореннями компонентів і евтектоїдних перетворення |