Чим полімери відрізняються від інших матеріалів

0 Comments

§ 28. Поняття про полімери. Поліетилен

Як ви пам’ятаєте з попереднього параграфа, етен — це ненасичений вуглеводень. Завдяки цьому атоми Карбону в його молекулах можуть приєднувати інші атоми. Однією з хімічних реакцій, у яких реалізується така властивість етену, є реакція полімеризації (від грец. polymeres — той, що складається з багатьох частин).

Під дією певних речовин (ініціаторів) подвійний зв’язок у молекулі етену може розриватися й атоми Карбону можуть приєднувати інші атоми, зокрема атоми Карбону іншої молекули етену:

Частинка, що утворилася, також здатна приєднати молекулу етену:

І так може тривати, поки за певних причин приєднання не зупиниться. У результаті реакції утворюються дуже великі молекули, в яких однаковий фрагмент повторюється багато разів:

Умовно рівняння реакції полімеризації записують так:

Зміст реакції полімеризації полягає в об’єднанні великої кількості молекул ненасичених вуглеводнів — мономерів — один з одним (мал. 28.1). Продукти реакції полімеризації називають полімерами, у їхніх молекулах багато разів повторюється фрагмент молекули мономеру.

Мал. 28.1. Молекули мономеру об’єднуються в молекулу полімеру

Полімеризація — процес сполучення багатьох молекул низькомолекулярної речовини (мономеру) у молекулу полімеру.

Фрагмент у молекулі полімеру, що повторюється, називають елементарною ланкою, число n — ступенем полімеризації:

Ступінь полімеризації показує число молекул мономеру, що об’єдналися в одну молекулу полімеру. Він може бути від тисячі до сотень тисяч. Оскільки молекули полімерів складаються з великої кількості фрагментів, вони мають дуже великі молекулярні маси. Саме тому інша назва полімерів — високомолекулярні сполуки.

У формулах полімерів не зазначено, чим закінчується карбоновий ланцюг. На кінцях молекули полімеру перебувають фрагменти молекул розчинника або ініціатора полімеризації. Ці атоми майже не впливають на властивості полімеру.

Назви полімерів походять від назви мономерів. У нашому випадку в реакцію полімеризації вступив етилен (етен), тому продукт реакції називають поліетиленом:

Зверніть увагу, що етилен і поліетилен мають однаковий якісний і кількісний склад: обидва складаються з атомів Карбону й Гідрогену, причому в обох речовинах на один атом Карбону припадає два атоми Гідрогену. Важливою відмінністю між ними є те, що в молекулі етену існує подвійний зв’язок — це ненасичений вуглеводень, а в поліетилені всі зв’язки одинарні. Фактично поліетилен — це алкан з високою молекулярною масою, тому хімічно він досить інертний. Поліетилен не взаємодіє ані з кислотами, ані з лугами, стійкий до дії окисників. Саме хімічною стійкістю поліетилену пояснюється його широке застосування.

Елементарна ланка поліетилену -CH2-CH2– складається з двох однакових груп атомів -CH2-. Чому ж формулу поліетилену не записують у спрощеному вигляді [-CH2-]? Це робити не прийнято, тому що формула полімеру має відображати його зв’язок з початковою речовиною — мономером, у цьому випадку — етиленом CH2=CH2.

Більшість полімерів (крім деяких біополімерів) відрізняються від низькомолекулярних речовин тим, що не мають визначеної молекулярної маси. У кожному зразку поліетилену всі молекули мають різну довжину й масу, тому, коли говорять про полімери, використовують поняття середньої молекулярної маси.

Фізичні властивості та застосування поліетилену

Найпоширенішим з полімерів є поліетилен. Це малопрозора речовина, що погано проводить теплоту й електричний струм, жирна на дотик і нагадує парафін. Іноді в побуті його неправильно називають целофаном (целофан — це зовсім інший матеріал, що виготовляють із целюлози, він тільки зовні нагадує поліетиленову плівку).

Чисті полімери на практиці зазвичай не використовують. На їхній основі виготовляють різноманітні матеріали, які називають пластмасами або пластиками. Для їх виготовлення до полімерів додають різні речовини: стабілізатори, пластифікатори, барвники, спінювачі тощо. Із досить невеликого числа полімерів виготовляють величезну кількість різних пластмас.

У більшості полімерів є також і недоліки — термічна нестійкість, горючість і хрупкість, але завдяки досягненням науки останнім часом винайдено багато нових полімерних матеріалів. Можливо, що незабаром пластмаси стануть єдиним матеріалом, який людство буде використовувати, зберігаючи тим самим природні матеріали.

У промисловості поліетилен виготовляють у вигляді гранул, що потім піддають термічній обробці (мал. 28.2). Молекулярна маса поліетилену коливається від 30 тис. до 3 млн залежно від тиску, за якого відбувається реакція полімеризації (табл. 11).

Мал. 28.2. Гранули поліетилену

Таблиця 11. Порівняння різних видів поліетилену

Ознака для порівняння

Поліетилен низької густини LDPE (добутий за тиску бл. 2000 атмосфер)

Поліетилен високої густини HDPE (добутий за тиску бл. 40 атмосфер)

Мономери та полімери в хімії

Мономер — це тип молекули, яка має здатність хімічно зв’язуватися з іншими молекулами в довгому ланцюзі; полімер – це ланцюг із невизначеної кількості мономерів. По суті, мономери є будівельними блоками полімерів, які є більш складним типом молекул. Мономери — повторювані молекулярні одиниці — з’єднані в полімери ковалентними зв’язками.

Мономери

Слово мономер походить від моно- (один) і -mer (частина). Мономери – це невеликі молекули, які можуть з’єднуватися разом повторюваним чином, утворюючи складніші молекули, які називаються полімерами. Мономери утворюють полімери шляхом утворення хімічних зв’язків або супрамолекулярного зв’язування за допомогою процесу, який називається полімеризацією.

Іноді полімери виготовляють із зв’язаних груп мономерних субодиниць (до кількох десятків мономерів), які називаються олігомерами. Щоб кваліфікувати як олігомер, властивості молекули повинні суттєво змінитися, якщо додається або видаляється одна або кілька субодиниць. Приклади олігомерів включають колаген і рідкий парафін.

Спорідненим терміном є «мономерний білок», тобто білок, який зв’язується, утворюючи мультибілковий комплекс. Мономери — це не просто будівельні блоки полімерів, а самі по собі важливі молекули, які не обов’язково утворюють полімери, якщо немає відповідних умов.

Приклади мономерів

Приклади мономерів включають вінілхлорид (який полімеризується в полівінілхлорид або ПВХ), глюкозу (яка полімеризується в крохмаль, целюлозу, ламінарин і глюкани) та амінокислоти (які полімеризуються в пептиди, поліпептиди та білки). Глюкоза є найпоширенішим природним мономером, який полімеризується шляхом утворення глікозидних зв’язків.

полімери

Слово полімер походить від полі- (багато) і -мер (частина). Полімер може бути природною або синтетичною макромолекулою, що складається з повторюваних одиниць меншої молекули (мономерів). Хоча багато людей використовують терміни «полімер» і «пластик» як синоніми, полімери — це набагато більший клас молекул, до якого входять пластмаси, а також багато інших матеріалів, таких як целюлоза, бурштин і натуральний каучук.

Низькомолекулярні сполуки можна розрізнити за кількістю мономерних субодиниць, які вони містять. Терміни димер, тример, тетрамер, пентамер, гексамер, гептамер, октамер, нонамер, декамер, додекамер, ейкозамер відображають молекули, що містять 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12 і 20 мономерні одиниці.

Приклади полімерів

Приклади полімерів включають пластики, такі як поліетилен, силікони, такі як дурна замазка, біополімери, такі як целюлоза та ДНК, природні полімери, такі як каучук і шелак, і багато інших важливих макромолекул.

Групи мономерів і полімерів

Класи біологічних молекул можна згрупувати за типами полімерів, які вони утворюють, і мономерів, які діють як субодиниці:

  • Ліпіди – полімери, які називаються дигліцеридами, тригліцеридами; мономерами є гліцерин і жирні кислоти
  • Білки – полімери відомі як поліпептиди; мономерами є амінокислоти
  • Нуклеїнові кислоти – полімери ДНК і РНК; Мономери – це нуклеотиди, які в свою чергу складаються з азотистої основи, пентозного цукру та фосфатної групи.
  • Вуглеводи – полімери полісахаридів і дисахаридів*; мономери – це моносахариди (прості цукри)

*Технічно дигліцериди та тригліцериди не є справжніми полімерами, оскільки вони утворюються шляхом дегідратації, синтезу менших молекул, а не через зв’язок між мономерами, що характеризує справжню полімеризацію.

Як утворюються полімери

Полімеризація – це процес ковалентного зв’язку менших мономерів у полімер. Під час полімеризації хімічні групи втрачаються з мономерів, щоб вони могли з’єднатися. У випадку з біополімерами вуглеводів це реакція дегідратації, при якій утворюється вода.

Ресурси та додаткова література

  • Коуї, JMG і Валерія Аррігі. «Полімери: хімія і фізика сучасних матеріалів», 3-е вид. Бока Татон: CRC Press, 2007.
  • Сперлінг, Леслі Х. «Вступ до фізичної науки про полімери», 4-е видання. Гобокен, Нью-Джерсі: Джон Вайлі та сини, 2006.
  • Янг, Роберт Дж. і Пітер А. Ловелл. «Введення в полімери», 3-е вид. Бока-Ратон, Луїзіана: CRC Press, Taylor & Francis Group, 2011.

16.7: Полімери

Серед інших застосувань органічна хімія зробила величезний вплив на розробку сучасних матеріалів під назвою полімери. Багато предметів у повсякденному житті складаються з полімерів; цікаво, так кілька важливих біологічних матеріалів. Розглянемо молекулу з подвійним зв’язком, наприклад етилен:

Уявіть собі зв’язок між вуглецями, що відкриваються і атакують іншу молекулу етилену:

Подвійний зв’язок між двома вуглецями зображений з електронними штовхаючими стрілами, атакуючими інший етилен.

Тепер уявіть далі, що подвійний зв’язок другої молекули етилену відкривається і атакує третю молекулу етилену, яка також відкриває подвійний зв’язок і атакує четверту молекулу етилену тощо. Кінцевим результатом є довга, практично нескінченна молекула:

Цю довгу, майже безперервну молекулу називають полімером (від грецького означає «багато частин»). Оригінальна частина, етилен, називається мономером (мається на увазі «одна частина»). Процес виготовлення полімеру називається полімеризацією. Полімер – приклад макромолекули, назва якої дано великій молекулі.

Прості полімери названі на честь їх мономерів. Полімер етилену формально називають полі (етилен), хоча в загальному вживанні назви використовуються без дужок: поліетилен. Оскільки додавання одного мономера до іншого утворює цей полімер, поліетилен є прикладом типу полімеру, званого додатковими полімерами. Малюнок \(\PageIndex\) – Деякі мономери та їх додавання полімерів, перераховані деякі додаткові полімери та їх мономери. Один з них, полі (етиленоксид), є результатом не відкриття подвійного зв’язку, а відкриття кільця в мономері; концепція зв’язку з іншими мономерами, однак, однакова.

Малюнок \(\PageIndex\) : Деякі мономери та їх додавання полімерів

Приклад \(\PageIndex\)

Намалюйте полімер, який виходить в результаті полімеризації тетрафторетилену.

Рішення

У випадку з цим мономером подвійний зв’язок відкривається і приєднується до інших мономерів, як і з етиленом. Полімер, який виготовляється, має таку структуру:

Вправа \(\PageIndex\)

Намалюйте полімер, який виходить в результаті полімеризації вінілхлориду.

Відповідь

Іншим типом полімеру є конденсаційний полімер, який є полімером, виготовленим, коли два різних мономери вступають в реакцію разом і виділяють якусь іншу невелику молекулу як продукт. Ми вже бачили приклад цього, при утворенні амідного зв’язку:

Тут Н 2 О виділяється, коли кінці молекул реагують з утворенням полімеру.

До конденсаційних полімерів відносяться сополімери, полімери, виготовлені з більш ніж одного типу мономера. Наприклад, етилен і пропілен можна об’єднати в полімер, який є сумішшю двох мономерів. Поширена форма синтетичного каучуку під назвою стирол-бутадієновий каучук (SBR) виготовляється з двох мономерів: стиролу та бутадієну:

Фізико-хімічні властивості полімерів сильно різняться залежно від їх мономерів, структур та добавок. Серед інших властивостей, які можна модифікувати на основі цих факторів, включають: розчинність у Н 2 О та інших розчинниках, температуру плавлення, горючість, колір, твердість, прозорість, товщину плівки, змочуваність, поверхневе тертя, здатність до цвілі, розмір частинок. список продовжується.

Використання полімерів майже занадто багато, щоб розглянути. Все, що ви можете охарактеризувати як «пластик», швидше за все, полімер. Полімери використовуються для виготовлення всього, від зубних щіток до комп’ютерних корпусів до автомобільних деталей. Багато клеї на основі епоксидної смоли – це конденсаційні полімери, які сильно прилипають до інших поверхонь. Поліуретанові фарби та покриття – це полімери, як і поліефірні тканини, що використовуються для виготовлення одягу. Нейлон, Дакрон і Майлар є полімерами (насправді і Дакрон, і Майлар є формами поліетилентерефталату [ПЕТ]). Продукт, відомий як Saran Wrap, спочатку був побудований з Saran, назва полі (вініліденхлорид), який був відносно непроникним для кисню і може бути використаний як бар’єр, щоб допомогти зберегти їжу свіжою. (З тих пір його замінили поліетиленом, який не настільки непроникний для атмосферного кисню.) Полі (вінілхлорид) є третім найбільш виробленим полімером [після полі (етилену) та полі (пропілену)] і використовується для виготовлення всього, від пластикових труб до деталей автомобільних двигунів, водопровідних труб до іграшок, підлоги до водяних ліжок та басейнів.

Всі розглянуті нами полімери засновані на основі (в основному) вуглецю. Існує ще один клас полімерів на основі основи атомів Si і O; ці полімери називаються силіконами. Атоми Si мають приєднані до них органічні групи, тому ці полімери все ще є органічними. Один із прикладів силікону виглядає наступним чином:

Силікони використовуються для виготовлення масел і мастильних матеріалів; їх використовують як герметики для скляних предметів (наприклад, акваріумів) і плівки для гідроізоляційних об’єктів. Тверді силікони термостійкі і гумові і використовуються для виготовлення посуду та електроізоляції.

Деякі дуже важливі біологічні матеріали – полімери. З трьох основних харчових груп полімери представлені двома: білками і вуглеводами. Білки – це полімери амінокислот, які є мономерами, що мають функціональну групу аміну і функціональну групу карбонових кислот. Ці дві групи реагують, утворюючи конденсаційний полімер, утворюючи амідний зв’язок:

Білки утворюються, коли сотні або навіть тисячі амінокислот утворюють амідні зв’язки для отримання полімерів. Білки відіграють вирішальну роль в живих організмах.

Вуглевод – це з’єднання, яке має загальну формулу C n (H 2 O) n . Багато вуглеводів є відносно невеликими молекулами, такими як глюкоза:

Зв’язування сотень молекул глюкози разом робить відносно поширений матеріал, відомий як крохмаль:

Крохмаль є важливим джерелом енергії в раціоні людини. Зверніть увагу, як з’єднуються окремі одиниці глюкози. Їх також можна з’єднати іншим способом, ось так:

Цей полімер відомий як целюлоза. Целюлоза є основним компонентом клітинних стінок рослин. Цікаво, що незважаючи на схожість будівельних блоків, деякі тварини (наприклад, люди) не можуть перетравлювати целюлозу; ті тварини, які можуть перетравлювати клітковину, зазвичай покладаються на симбіотичні бактерії в травному тракті для фактичного травлення. Тварини не мають належних ферментів, щоб розщеплювати одиниці глюкози в клітковині, тому вона проходить через травний тракт і вважається харчовими волокнами.

ДНК

Дезоксирибонуклеїнова кислота (ДНК) і рибонуклеїнова кислота ( РНК ) також є полімерами, що складаються з довгих, трискладових ланцюгів, що складаються з фосфатних груп, цукрів з атомами 5 С (рибоза або дезоксирибоза), і N-містять кільця, що називаються основами. Кожна комбінація з трьох частин називається нуклеотидом; ДНК і РНК по суті є полімерами нуклеотидів, які мають досить складні, але інтригуючі структури (рис. \(\PageIndex\) ). ДНК є основним матеріалом в хромосомах і безпосередньо відповідає за спадковість, тоді як РНК є важливою речовиною в синтезі білка.

Малюнок \(\PageIndex\) : ДНК наших клітин – це полімер нуклеотидів, кожен з яких складається з фосфатної групи, цукру і азотовмісної основи. (CC BY-SA 3.0 Unported; Зефіріс через Вікіпедію)

Ключові виноси

  • Полімери – це довгі молекули, що складаються з ланцюжків одиниць, званих мономерами.
  • Кілька важливих біологічних полімерів включають білки, крохмаль, целюлозу та ДНК.
Вправа \(\PageIndex\)
  1. Поясніть взаємозв’язок між мономером і полімером.
  2. Чи повинен мономер мати подвійний зв’язок, щоб зробити полімер? Наведіть приклад, щоб проілюструвати свою відповідь.
  3. Намалюйте полімер, виготовлений з цього мономера.
  4. Намалюйте полімер, виготовлений з цього мономера.
  5. Чим відрізняється добавка полімеру від конденсаційного полімеру?
  6. Чим відрізняється конденсаційний полімер від сополімера?
  7. Перерахуйте три властивості полімерів, які сильно різняться залежно від складу.
  8. Перерахуйте три варіанти застосування полімерів.
  9. Намалюйте силікон, зроблений з цього мономера.
  10. Намалюйте силікон, зроблений з цього мономера.
  11. Поясніть, як крохмаль є полімером.
  12. У чому різниця між крохмалем і целюлозою?
  13. Поясніть, як білок є полімером.
  14. Які частини складають ДНК?

27 лист 2021 р. 10:23

Відповіді
  1. Полімер – це багато мономерів, скріплених між собою.
  2. У додатковому полімері жодна мала молекула не виділяється як продукт; тоді як в конденсаційному полімері дрібні частини кожного мономера відриваються як невелика молекула.
  3. розчинність в H 2 O та інших розчинниках, температура плавлення, горючість, колір, твердість, прозорість, товщина плівки, змочуваність, поверхневе тертя, формуваність та розмір частинок (відповіді будуть змінюватися)
  4. Крохмаль складається з багатьох мономерних одиниць глюкози.
  5. Білки – це полімери амінокислот, які виконують роль мономерів.

Recommended articles

  1. Article type Section or Page License CC BY-NC-SA License Version 3.0 Show Page TOC No on Page
  2. Tags
    1. Addition Polymers
    2. authorname:anonymous
    3. deoxyribonucleic acid
    4. DNA
    5. monomer
    6. Polymer
    7. polymerization
    8. program:hidden
    9. ribonucleic acid
    10. RNA
    11. Silicones
    12. source@https://2012books.lardbucket.org/books/beginning-chemistry
    13. source[translate]-chem-65116