Diez vai var iedomāties šodienas dzīvi bez polimēriem - sarežģītām sintētiskām vielām, kuras plaši izmanto dažādās cilvēka darbības jomās. Polimēri ir dabiskas vai sintētiskas izcelsmes lielmolekulāri savienojumi, kas sastāv no monomēriem, kas savienoti ar ķīmiskām saitēm. Monomērs ir atkārtota ķēdes saite, kas satur sākotnējo molekulu.
Organiski makromolekulāri savienojumi
Pateicoties unikālajām īpašībām, lielmolekulārie savienojumi dažādās dzīves jomās veiksmīgi aizvieto tādus dabiskos materiālus kā koks, metāls, akmens, iekarojot jaunus pielietojuma laukus. Lai sistematizētu tik plašu vielu grupu, tiek pieņemta polimēru klasifikācija pēc dažādiem kritērijiem. Tajos ietilpst sastāvs, ražošanas metode, telpiskā konfigurācija utt.
Polimēru klasifikācija pēc ķīmiskā sastāva tos sadala trīs grupās:
- Organiskas makromolekulas vielas.
- Organoelementu savienojumi.
- Neorganiski makromolekulāri savienojumi.
Lielāko grupu pārstāv organiskie IUD - sveķi, kaučuki, augu eļļas, tas ir, dzīvnieku, kā arī augu izcelsmes produkti. Šo vielu makromolekulās galvenajā ķēdē kopā ar oglekļa atomiem ir skābekļa, slāpekļa un citu elementu atomi.
Viņu īpašības:
- ir spēja mainīt deformāciju, tas ir, elastību pie mazām slodzēm;
- nelielā koncentrācijā var veidot viskozus šķīdumus;
- mainīt fizikālās un mehāniskās īpašības minimāla reaģenta daudzuma ietekmē;
- ar mehānisku iedarbību ir iespējama to makromolekulu virziena orientācija.
Organoelementu savienojumi
Organoelementu IUD, kuru makromolekulas papildus neorganisko elementu atomiem - silīcija, titāna, alumīnija - un organisko ogļūdeņražu radikāļiem ir izveidotas mākslīgi, un dabā to nav. Polimēru klasifikācija tos savukārt sadala trīs grupās.
- Pirmā grupa ir vielas, kuru galvenā ķēde sastāv no noteiktu elementu atomiem, kurus ieskauj organiskie radikāļi.
- Otrajā grupā ietilpst vielas ar galveno ķēdi, kurā ir mainīgi oglekļa atomi un tādi elementi kā sērs, slāpeklis un citi.
- Trešajā grupā ietilpst vielas ar organiskiem mugurkauliem, ko ieskauj dažādas organoelementu grupas.
Kā piemēru var minēt silīcija organiskos savienojumus, jo īpaši silikonu, kam ir augsta nodilumizturība.
Neorganiskie makromolekulārie savienojumi galvenajā ķēdē satur silīcija un metālu oksīdus - magniju, alumīniju vai kalciju. Viņiem nav sānu organisko atomu grupu. Savienojumi galvenajās ķēdēs ir kovalenti un jonu kovalenti, kas nosaka to augsto izturību un siltuma pretestību. Tajos ietilpst azbests, keramika, silikāta stikls, kvarcs.
Carbochain un heterochain Navy
Polimēru klasificēšana pēc galvenās polimēra ķēdes ķīmiskā sastāva ietver šo vielu sadalīšanu divās lielās grupās.
- Karbočīns, kurā IUD makromolekulu galvenā ķēde sastāv tikai no oglekļa atomiem.
- Heteroķēde, kurā citi atomi atrodas galvenajā ķēdē kopā ar oglekļa atomiem, piešķirot šai vielai papildu īpašības.
Katra no šīm lielajām grupām sastāv no šādām apakšgrupām, kas atšķiras pēc ķēdes struktūras, aizvietotāju skaita, to sastāva un sānu zaru skaita:
- savienojumi ar piesātinātām ķēdēm, piemēram, polietilēns vai polipropilēns;
- polimēri ar nepiesātinātām saitēm galvenajā ķēdē, piemēram, polibutadiēns;
- halogēna aizvietoti makromolekulāri savienojumi - teflons;
- polimēru spirti, kuru piemērs ir polivinilspirts;
- IUD, kuru pamatā ir spirtu atvasinājumi, piemērs ir polivinilacetāts;
- savienojumi, kas iegūti no aldehīdiem un ketoniem, piemēram, poliakroleīns;
- polimēri, kas iegūti no karbonskābēm, no kuriem poliakrilskābe ir raksturīga;
- vielas, kas iegūtas no nitriliem (PAN);
- makromolekulas vielas, kas iegūtas no aromātiskiem ogļūdeņražiem, piemēram, polistirols.
Dalīšana pēc heteroatoma rakstura
Polimēru klasifikācija var būt atkarīga arī no heteroatomu rakstura, tas ietver vairākas grupas:
- ar skābekļa atomiem galvenajā ķēdē - vienkārši un sarežģīti poliesteri un peroksīdi;
- savienojumi ar slāpekļa atomu galveno ķēdi - poliamīni un poliamīdi;
- vielas ar skābekļa un slāpekļa atomiem galvenajā ķēdē, piemēram, poliuretāni;
- IUD ar sēra atomiem galvenajā ķēdē - politioesteri un politetrasulfīdi;
- savienojumi, kuros galvenajā ķēdē atrodas fosfora atomi.
Dabiski polimēri
Pašlaik polimēru klasifikācija pēc izcelsmes un ķīmiskās būtības tiek sadalīta šādi:
- Dabiski, tos sauc arī par biopolimēriem.
- Mākslīgas vielas ar lielu molekulmasu.
- Sintētiskie savienojumi.
Dabas kara flote ir dzīvības uz Zemes pamats. Vissvarīgākie no tiem ir olbaltumvielas - dzīvo organismu "ķieģeļi", kuru monomēri ir aminoskābes. Olbaltumvielas ir iesaistītas visās ķermeņa bioķīmiskajās reakcijās, bez tām imūnsistēma nevar darboties, asins koagulācijas procesi, kaulu un muskuļu audu veidošanās, enerģijas pārveidošanas darbs un vēl daudz vairāk. Bez nukleīnskābēm iedzimtās informācijas glabāšana un pārsūtīšana nav iespējama.
Polisaharīdi ir lielmolekulāri ogļūdeņraži, kas kopā ar olbaltumvielām ir iesaistīti metabolismā. Polimēru klasifikācija pēc izcelsmes ļauj īpašā grupā izvēlēties dabiskas makromolekulas vielas.
Mākslīgie un sintētiskie polimēri
Mākslīgos polimērus iegūst no dabīgiem ar dažādām ķīmiskās modifikācijas metodēm, lai tām piešķirtu nepieciešamās īpašības. Kā piemēru var minēt celulozi, no kuras iegūst daudz plastmasu. Polimēru klasifikācija pēc izcelsmes raksturo tos kā mākslīgas vielas. Sintētiskos IUD iegūst ķīmiski, izmantojot polimerizācijas vai polikondensācijas reakcijas. To īpašības un līdz ar to darbības joma ir atkarīga no makromolekulas garuma, tas ir, no molekulmasas. Jo lielāks tas ir, jo stiprāks ir iegūtais materiāls. Polimēru klasifikācija pēc izcelsmes ir ļoti ērta. Piemēri to apstiprina.
Lineāras makromolekulas
Jebkura polimēru klasifikācija ir diezgan patvaļīga, un katram no tiem ir savi trūkumi, jo tas nevar parādīt visas šīs vielu grupas īpašības. Neskatoties uz to, tas kaut kādā veidā palīdz tos sistematizēt. Polimēru klasifikācija makromolekulu veidā sastāv no šādām trim grupām:
- lineārs
- sazarots;
- telpisko, ko sauc arī par sietu.
Garās, izliektās vai spirālveida lineāro IUD ķēdes piešķir vielām dažas unikālas īpašības:
- starpmolekulāro saišu parādīšanās dēļ veido spēcīgas šķiedras;
- tie spēj lielas un garas, bet tajā pašā laikā atgriezeniskas deformācijas;
- svarīgs īpašums ir to elastība;
- izšķīstot, šīs vielas veido šķīdumus ar augstu viskozitāti.
Sazarotas makromolekulas
Sazarotiem polimēriem ir arī lineāra struktūra, bet ar daudziem sānu zariem ir īsāki nekā galvenajiem.Tajā pašā laikā mainās arī to īpašības:
- sazaroto vielu šķīdība ir augstāka nekā lineārā, attiecīgi tie veido zemākas viskozitātes šķīdumus;
- palielinoties sānu ķēžu garumam, starpmolekulārie spēki kļūst vājāki, kas izraisa materiāla maiguma un elastības palielināšanos;
- jo augstāka ir sazarošanās pakāpe, jo fizikālākas šādas vielas īpašības tuvojas parasto mazmolekulāro savienojumu īpašībām.
Trīsdimensiju makromolekulas
Acu makromolekulārie savienojumi ir plakani (kāpņu un parketa tipa) un trīsdimensiju. Plakanā gumija ietver dabisko kaučuku un grafītu. Telpiskajos polimēros ir ķēdes, kas savieno “tiltus” starp ķēdēm, veidojot vienu lielu trīsdimensiju makromolekulu, kurai ir ārkārtīga cietība.
Piemērs ir dimants vai keratīns. Acu makromolekulārie savienojumi ir gumijas, dažu veidu plastmasu, kā arī līmju un laku pamats.
Termoplastika un termoreaktīvi
Polimēru klasifikācija pēc izcelsmes un attiecībā uz karsēšanu ir paredzēta, lai raksturotu šo vielu izturēšanos ar temperatūru. Atkarībā no procesiem, kas notiek sildīšanas laikā, tiek iegūti dažādi rezultāti. Ja starpmolekulārā mijiedarbība vājina un molekulu kinētiskā enerģija palielinās, tad viela mīkstina, kļūstot par viskozu stāvokli. Kad temperatūra pazeminās, tā atgriežas normālā stāvoklī - tās ķīmiskā daba nemainās. Šādas vielas sauc par termoplastiskiem polimēriem, piemēram, polietilēnu.
Citu savienojumu grupu sauc par termoreaktīvu. Apkures laikā tajos notiekošo procesu mehānisms ir pilnīgi atšķirīgs. Divkāršo saišu vai funkcionālo grupu klātbūtnē tie mijiedarbojas viens ar otru, mainot vielas ķīmisko raksturu. Atdzesējot, tas nevar atjaunot sākotnējo formu. Piemērs ir dažādi sveķi.
Polimerizācijas metode
Vēl viena polimēru klasifikācija notiek pēc sagatavošanas metodes. Ir šādi IU iegūšanas veidi:
- Polimerizācija, kas var notikt, izmantojot jonu reakcijas mehānismu un brīvos radikāļus.
- Polikondensācija
Polimerizācija ir makromolekulu veidošanās process, secīgi savienojot monomēru vienības. Tās parasti ir vielas ar mazu molekulmasu ar vairākām saitēm un cikliskām grupām. Reakcijas laikā divkāršā saite vai saite cikliskajā grupā saplīst un starp šiem monomēriem veidojas jaunas. Ja reakcijā tiek iesaistīti vienas sugas monomēri, to sauc par homopolimerizāciju. Lietojot dažāda veida monomērus, notiek kopolimerizācijas reakcija.
Polimerizācijas reakcija ir ķēdes reakcija, kas var notikt spontāni, tomēr, lai to paātrinātu, tiek izmantotas aktīvās vielas. Izmantojot brīvo radikāļu mehānismu, process norit vairākos posmos:
- Iniciācija. Šajā posmā ar gaismas, siltuma, ķīmiskas vai cita veida ietekmes palīdzību sistēmā veidojas aktīvās grupas - radikāļi.
- Ķēdes garuma pieaugums. Šo posmu raksturo šādu monomēru pievienošana radikāļiem, veidojot jaunus radikāļus.
- Atvērtu ķēdi iegūst aktīvo grupu mijiedarbībā ar neaktīvu makromolekulu veidošanos.
Nav iespējams kontrolēt ķēdes izbeigšanās brīdi, un tāpēc iegūtās makromolekulas atšķiras dažādos molekulmasos.
Polimerizācijas reakcijas jonu mehānisma princips ir tāds pats kā brīvo radikāļu. Bet šeit katjoni un anjoni darbojas kā aktīvi centri, tāpēc ir nodalīta katjonu un anjonu polimerizācija. Rūpniecībā vissvarīgākos polimērus iegūst, veicot radikālu polimerizāciju: polietilēns, polistirols un daudzi citi. Jonu polimerizācija tiek izmantota sintētisko kaučuku ražošanā.
Polikondensācija
Augstas molekulmasas savienojuma veidošanās process ar dažu zemu molekulmasu vielu atdalīšanu kā blakusproduktu ir polikondensācija, kas atšķiras no polimerizācijas ar to, ka iegūtās makromolekulas elementārais sastāvs neatbilst reakcijā iesaistīto sākotnējo vielu sastāvam. Tajos var piedalīties tikai savienojumi ar funkcionālām grupām, kas, mijiedarbojoties, sadala vienkāršas vielas molekulu un veido jaunu saiti. Bifunkcionālu savienojumu polikondensācija rada lineārus polimērus. Ja reakcijā tiek iesaistīti daudzfunkcionāli savienojumi, veidojas IUD ar sazarotu vai pat telpisku struktūru. Vielas ar mazu molekulmasu, kas veidojas reakcijas laikā, mijiedarbojas arī ar starpproduktiem, izraisot ķēdes pārtraukšanu. Tāpēc labāk tos noņemt no reakcijas zonas.
Atsevišķus polimērus nevar iegūt ar zināmām polimerizācijas vai polikondensācijas metodēm, jo nav nepieciešami sākuma monomēri, kas varētu tajos piedalīties. Šajā gadījumā polimēra sintēzi veic, piedaloties lielmolekulāriem savienojumiem, kas satur funkcionālās grupas, kuras spēj savstarpēji reaģēt.
Polimēru klasifikācija katru dienu kļūst sarežģītāka, jo parādās arvien vairāk jaunu šo apbrīnojamo vielu ar iepriekš noteiktām īpašībām veidu, un cilvēks savu dzīvi vairs iztēlojas bez tām. Tomēr rodas vēl viena, ne mazāk svarīga problēma - iespēja tos viegli un lēti iznīcināt. Šīs problēmas risinājums ir ļoti svarīgs planētas pastāvēšanai.
