Man kan næppe forestille sig dagens liv uden polymerer - komplekse syntetiske stoffer, der er vidt brugt inden for forskellige områder af menneskelig aktivitet. Polymerer er højmolekylære forbindelser af naturlig eller syntetisk oprindelse, bestående af monomerer forbundet med kemiske bindinger. En monomer er en gentagende kædelink, der indeholder modermolekylet.
Organiske makromolekylære forbindelser
På grund af dets unikke egenskaber erstatter højmolekylære forbindelser med succes naturlige materialer som træ, metal, sten i forskellige livssfærer og erobrer nye anvendelsesområder. For at systematisere en så omfattende gruppe af stoffer vedtages klassificeringen af polymerer efter forskellige kriterier. Disse inkluderer sammensætning, produktionsmetode, rumlig konfiguration og så videre.
Klassificeringen af polymerer efter kemisk sammensætning opdeler dem i tre grupper:
- Organiske makromolekylære stoffer.
- Organoelement forbindelser.
- Uorganiske makromolekylære forbindelser.
Den største gruppe er repræsenteret af organiske IUD'er - harpikser, gummier, vegetabilske olier, det vil sige produkter af animalsk såvel som planteoprindelse. Makromolekylerne af disse stoffer i hovedkæden sammen med carbonatomer har atomer af ilt, nitrogen og andre elementer.
Deres egenskaber:
- have evnen til at vende deformation, dvs. elasticitet ved lave belastninger;
- ved en lille koncentration kan danne viskøse opløsninger;
- ændre de fysiske og mekaniske egenskaber under påvirkning af en minimumsmængde reagens;
- med mekanisk handling er retningsorientering af deres makromolekyler mulig.
Organoelement forbindelser
Organoelement-IUD'er, hvis makromolekyler inkluderer foruden atomer af uorganiske elementer - silicium, titan, aluminium - og organiske carbonhydridradikaler, skabes kunstigt, og i naturen er de ikke. Klassificeringen af polymerer opdeler dem igen i tre grupper.
- Den første gruppe er stoffer, hvor hovedkæden er sammensat af atomer af visse elementer omgivet af organiske radikaler.
- Den anden gruppe inkluderer stoffer med en hovedkæde, der indeholder skiftevis carbonatomer og elementer som svovl, nitrogen og andre.
- Den tredje gruppe inkluderer stoffer med organiske rygrad omgivet af forskellige organoelementale grupper.
Et eksempel er organosiliciumforbindelser, især silikone, der har høj slidstyrke.
Uorganiske makromolekylære forbindelser i hovedkæden indeholder oxider af silicium og metaller - magnesium, aluminium eller calcium. De har ingen laterale organiske atomgrupper. Bindingerne i hovedkæderne er kovalente og ionkovalente, hvilket bestemmer deres høje styrke og varmemodstand. Disse inkluderer asbest, keramik, silikatglas, kvarts.
Carbochain og heterochain Navy
Klassificering af polymerer efter den kemiske sammensætning af hovedpolymerkæden involverer opdelingen af disse stoffer i to store grupper.
- Carbochain, hvor hovedkæden i IUD-makromolekylet kun består af carbonatomer.
- Hetero-kæde, hvor andre atomer er placeret i hovedkæden sammen med carbonatomer, hvilket giver dette stof yderligere egenskaber.
Hver af disse store grupper består af følgende undergrupper, der er forskellige i strukturen i kæden, antallet af substituenter, deres sammensætning og antallet af sidegrener:
- forbindelser med mættede bindinger i kæder, for eksempel polyethylen eller polypropylen;
- polymerer med umættede bindinger i hovedkæden, for eksempel polybutadien;
- halogensubstituerede makromolekylære forbindelser - teflon;
- polymeralkoholer, hvor et eksempel er polyvinylalkohol;
- IUD'er baseret på derivater af alkoholer, et eksempel er polyvinylacetat;
- forbindelser afledt af aldehyder og ketoner, såsom polyacrolein;
- polymerer afledt af carboxylsyrer, hvoraf polyacrylsyre er en repræsentativ;
- stoffer afledt af nitriler (PAN);
- makromolekylære stoffer afledt af aromatiske kulbrinter, for eksempel polystyren.
Opdeling efter arten af heteroatom
Klassificeringen af polymerer kan også afhænge af arten af heteroatomer; den inkluderer flere grupper:
- med oxygenatomer i hovedkæden - enkle og komplekse polyestere og peroxider;
- forbindelser med indholdet i hovedkæden af nitrogenatomer - polyaminer og polyamider;
- stoffer med ilt og nitrogenatomer i hovedkæden, for eksempel polyurethaner;
- IUD'er med svovlatomer i hovedkæden - polythioestere og polytetrasulfider;
- forbindelser, hvori phosphoratomer er til stede i hovedkæden.
Naturlige polymerer
I øjeblikket klassificering af polymerer efter oprindelse, efter kemisk karakter, som deler dem som følger:
- Naturligt kaldes de også biopolymerer.
- Kunstige stoffer med høj molekylvægt.
- Syntetiske forbindelser.
Natural Navy er grundlaget for livet på Jorden. De vigtigste af disse er proteiner - "mursten" af levende organismer, hvis monomerer er aminosyrer. Proteiner er involveret i alle biokemiske reaktioner i kroppen, uden dem kan immunsystemet ikke fungere, blodkoagulationsprocesser, dannelse af knogler og muskelvæv, energiomdannelsesarbejde og meget mere. Uden nukleinsyrer er lagring og transmission af arvelig information umulig.
Polysaccharider er carbonhydrider med høj molekylvægt, der sammen med proteiner er involveret i stofskiftet. Klassificering af polymerer efter oprindelse giver dig mulighed for at vælge naturlige makromolekylære stoffer i en speciel gruppe.
Kunstige og syntetiske polymerer
Kunstige polymerer opnås fra naturlige ved forskellige kemiske modificeringsmetoder for at give dem de nødvendige egenskaber. Et eksempel er cellulose, hvorfra der fås mange plastmaterialer. Klassificeringen af polymerer efter oprindelse karakteriserer dem som kunstige stoffer. Syntetiske IUD'er opnås kemisk under anvendelse af polymerisations- eller polykondensationsreaktioner. Deres egenskaber, og derfor omfanget, afhænger af makromolekylets længde, det vil sige af molekylvægten. Jo større den er, desto stærkere er det opnåede materiale. Klassificeringen af polymerer efter oprindelse er meget praktisk. Eksempler bekræfter dette.
Lineære makromolekyler
Enhver klassificering af polymerer er temmelig vilkårlig, og hver har sine egne ulemper, da den ikke kan vise alle egenskaber ved denne gruppe af stoffer. Ikke desto mindre hjælper det med at systematisere dem på en eller anden måde. Klassificeringen af polymerer i form af makromolekyler præsenterer dem i form af følgende tre grupper:
- lineær;
- forgrenet;
- rumlige, som også kaldes mesh.
Lange, buede eller spiralformede kæder med lineære IUD'er giver stoffer nogle unikke egenskaber:
- på grund af udseendet af intermolekylære bindinger danner stærke fibre;
- de er i stand til store og lange, men på samme tid reversible deformationer;
- en vigtig egenskab er deres fleksibilitet;
- ved opløsning danner disse stoffer opløsninger med høj viskositet.
Forgrenede makromolekyler
Forgrenede polymerer har også en lineær struktur, men med mange sidegrener, der er kortere end den vigtigste.På samme tid ændres deres egenskaber også:
- opløseligheden af forgrenede stoffer er højere end henholdsvis lineær, de danner opløsninger med lavere viskositet;
- med en stigning i sidekædernes længde bliver de intermolekylære kræfter svagere, hvilket fører til en forøgelse af materialets blødhed og elasticitet;
- jo højere graden af forgrening, jo mere fysiske egenskaber ved et sådant stof nærmer sig egenskaberne af almindelige lavmolekylære forbindelser.
Tredimensionelle makromolekyler
Makromolekylære forbindelser er flade (trappetræ og parket-type) og tredimensionelle. Fladgummi inkluderer naturgummi og grafit. I rumlige polymerer er der tværbindende "broer" mellem kæder, der danner en stor tredimensionel makromolekyle, der har en ekstraordinær hårdhed.
Et eksempel er diamant eller keratin. Makromolekylære mesh-forbindelser er basis for gummier, nogle typer plast, samt klæbemidler og lakker.
Termoplast og termohærd
Klassificeringen af polymerer efter oprindelse og med hensyn til opvarmning er beregnet til at karakterisere disse stoffers opførsel med temperatur. Afhængig af de processer, der finder sted under opvarmningen, opnås forskellige resultater. Hvis den intermolekylære interaktion svækkes, og molekylernes kinetiske energi øges, blødgør stoffet og bliver en viskøs tilstand. Når temperaturen falder, vender den tilbage til sin normale tilstand - dens kemiske natur forbliver uændret. Sådanne stoffer kaldes termoplastiske polymerer, for eksempel polyethylen.
En anden gruppe af forbindelser kaldes termohærdning. Mekanismen for processer, der forekommer i dem under opvarmning, er helt anden. I nærvær af dobbeltbindinger eller funktionelle grupper interagerer de med hinanden og ændrer stoffets kemiske karakter. Det kan ikke gendanne sin oprindelige form efter afkøling. Et eksempel er forskellige harpikser.
Polymerisationsmetode
En anden klassificering af polymerer er ved fremstillingsmetoden. Der er sådanne måder at få en IUD på:
- Polymerisation, som kan finde sted ved hjælp af den ioniske reaktionsmekanisme og de frie radikaler.
- Polykondensation.
Polymerisation er processen til dannelse af makromolekyler ved sekventiel forbindelse af monomerenheder. De er normalt stoffer med lav molekylvægt med flere bindinger og cykliske grupper. Under reaktionen brydes en dobbeltbinding eller binding i den cykliske gruppe, og der dannes nye mellem disse monomerer. Hvis monomerer af samme art er involveret i reaktionen, kaldes det homopolymerisation. Ved anvendelse af forskellige typer monomerer forekommer en copolymeriseringsreaktion.
Polymerisationsreaktionen er en kædereaktion, der kan forekomme spontant, men aktive stoffer bruges til at accelerere den. Med den frie radikale mekanisme fortsætter processen i flere trin:
- Indvielse. På dette stadium dannes aktive grupper - radikaler - ved hjælp af lys, varme, kemisk eller en anden form for påvirkning i systemet.
- Vækst i kædelængde. Dette trin er kendetegnet ved tilføjelsen af følgende monomerer til radikaler for at danne nye radikaler.
- En åben kæde opnås ved interaktion mellem aktive grupper og dannelsen af inaktive makromolekyler.
Det er umuligt at kontrollere øjeblikket med terminering af kæden, og derfor skiller de resulterende makromolekyler sig i forskellige molekylvægte.
Princippet for den ioniske mekanisme i polymerisationsreaktionen er det samme som for den frie radikal. Men her fungerer kationer og anioner som aktive centre, og derfor skelnes kationisk og anionisk polymerisation. I industrien opnås de vigtigste polymerer ved radikal polymerisation: polyethylen, polystyren og mange andre. Ionpolymerisation anvendes til fremstilling af syntetiske gummier.
polykondensation
Fremgangsmåden til dannelse af en forbindelse med høj molekylvægt med adskillelse af nogle stoffer med lav molekylvægt som et biprodukt er polykondensation, der adskiller sig fra polymerisation, idet den sammensætning af den resulterende makromolekyle er sammensat ikke svarer til sammensætningen af de indledende stoffer involveret i reaktionen. Kun forbindelser med funktionelle grupper kan deltage i dem, der interagerer, opdeler molekylet i et simpelt stof og danner en ny binding. Polykondensation af bifunktionelle forbindelser producerer lineære polymerer. Når polyfunktionelle forbindelser er involveret i reaktionen, dannes IUD'er med en forgrenet eller endda rumlig struktur. De lavmolekylære stoffer, der dannes under reaktionen, interagerer også med de mellemliggende produkter, hvilket forårsager kædeafslutning. Derfor er det bedre at fjerne dem fra reaktionszonen.
Visse polymerer kan ikke opnås ved kendte fremgangsmåder til polymerisation eller polykondensation, da der ikke er krævede startmonomerer, der er i stand til at deltage i dem. I dette tilfælde udføres polymersyntesen med deltagelse af forbindelser med høj molekylvægt indeholdende funktionelle grupper, der er i stand til at reagere med hinanden.
Klassificeringen af polymerer bliver mere kompliceret hver dag, da flere og flere nye typer af disse fantastiske stoffer med forudbestemte egenskaber vises, og en person forestiller sig ikke længere sit liv uden dem. Dog opstår et andet problem, ikke mindre vigtigt - muligheden for let og billig bortskaffelse. Løsningen på dette problem er meget vigtig for eksistensen af planeten.
