Высокомолекулярные соединения конспект кратко

Обновлено: 05.07.2024

один большой реакционный объем. И окружают его предметы, состоящие из достаточно реакционноспособных соединений, да и он сам состоит из весьма лабильных веществ. Что химические реагенты, субстраты и растворители не только где-то в химической лаборатории, а химические реакции протекают вокруг нас непрерывно. Кроме того, практически вс, что окружает человека, будь то мебель, одежда, материалы его дома, даже его пища и он сам – содержат высокомолекулярные соединения. Мало того, появление органических полимерных соединений на Земле непосредственно связано с возникновением жизни на планете. Люди издавна используют хлопок и древесину, шерсть и шелк, разнообразные клеи и лаки, но изучением высокомолекулярных соединений химия занялась сравнительно недавно. Да и сейчас образование “смолистых” побочных продуктов в органическом синтезе рассматривается как неудавшийся опыт, а подгоревшая пища как повод к ухудшению настроения. Однако вовремя высохшая краска на полу или удачно приклеенный каблук воспринимаются как обыденные детали быта, безо всяких ассоциаций с высокомолекулярными соединениями.

Химия высокомолекулярных соединений как самостоятельная наука сформировалась в середине ХХ века, но начала развиваться давно. В 1833 году Й.Берцелиус ввел понятие “полимерия” для веществ одинакового состава, но разной молекулярной массы (О2 и О3, СН2=СН-СН3 и СН2=СН-СН2-СН3 и т.п. - сейчас этот термин имеет другой смысл, см. ниже). Первые упоминания о синтетических высокомолекулярных соединениях относятся к 30-м годам XIX века. В 1831 году французский химик Бонастр получил стирол, а уже в 1939 году был синтезирован полистирол; в 1838 году был синтезирован поливинилиденхлорид. До 20-х годов ХХ века полимерная химия вела интенсивный поиск способов получения синтетического каучука (Г.Бушарда, И.Кондаков, С.Лебедев и др.). В 30-х годах было доказано существование свободнорадикального и ионного механизмов полимеризации. В это же время У.Карзерсом были развиты представления о поликонденсации (функциональность мономера, линейная и трехмерная поликонденсация). В 1937 году им же был разработан метод получения волокнообразующего полиамида – найлона.

Принципиально новые представления Г.Штаудингера о полимерах как о веществах, построенных из макромолекул, привели к началу 40-х годов к тому, что полимеры стали рассматривать как качественно новый объект исследования химии и физики. 40-60-е годы XX века ознаменовались исследованием закономерностей поликонденсации, созданием теории растворов и статистической механики высокомолекулярных соединений (большой вклад внес П.Флори - на основе его работ созданы методы определения строения и свойств макромолекул по данным измерения их вязкости, седиментации и диффузии). Дальнейшее развитие химии высокомолекулярных соединений направлено в область получения полимерных материалов с заранее известными особыми свойствами (прочность, оптические и электрические свойства и т.д.), а также стыкуется с проблемами биохимии и генной инженерии, переживающими в настоящее время определенный бум.

Известно, что в настоящее время в промышленно развитых странах более 50% химиков, работающих в промышленных и исследовательских группах, имеют непосредственное отношение к полимерным системам. Естественно, что каждый год требуется подготовка дополнительных кадров в эту развивающуюся область. Существует своеобразный обзор 50 учебных заведений всего мира и их программ курсов ВМС1.

Трудно назвать отрасль человеческой деятельности, где не применялись бы полимеры. Любое желаемое свойство материала - высокая прочность, малый вес, гибкость, специфические электрические свойства, химическая стойкость, доступность быстрого и массового производства и переработки в изделия сложной формы любой цветовой гаммы, - может обеспечить наверняка какой-нибудь из полимеров. Полимеры могут быть превращены в прочные твердые изделия, гибкие каучукоподобные массы, мягкие и упругие пенопласты, ровные и тонкие волокна, чистые и прозрачные стеклообразные листы, набухшие желеобразные пищевые материалы и т.д. Они могут быть использованы как связующие материалы, уплотнительные соединения, поронаполнители, опорные поверхности - короче, им доступно все, начиная с одежды и кончая космическими кораблями, включая даже замену некоторых человеческих органов. Все это объясняет, отчего наш век иногда называют веком полимеров.

Применение полимерных материалов во всех областях человеческой деятельности также расширяется с развитием химии и технологии. Например, динамика применения полимерных материалов в отечественном автомобилестроении такова: если в первых моделях ВАЗ-2101 вес полимерных деталей составлял около 32 кг, то уже в модели ВАЗ-2108 - 76 кг. В более современных марках автомобилей вес полимеров достигает 120 кг.

В последние годы ХХ века и в первое десятилетие XXI века темп роста производства полимеров немного замедлился на уровне 4-5% в год. К 2010 году общий объем выпущенных полимеров может достичь 300 млн.т в год.

ПОЛИМЕРНОЕ СОСТОЯНИЕ ВЕЩЕСТВА

Как правило, вещества, имеющие молекулярную массу до 500 углеродных единиц, считаются низкомолекулярными. При молекулярной массе 500. 5000 вещества относятся к олигомерам, а при большей массе вещество считается высокомолекулярным веществом или полимером, а его молекула называется макромолекулой. Причем не всякое высокомолекулярное вещество будет являться полимером. Высокомолекулярные соединения, макромолекулы которых состоят из одинаковых атомных группировок повторяющихся звеньев, последовательно связанных в виде цепи, называются полимерами. Важная особенность полимеров - цепное строение (значительное превыПолимеры: Пер.с англ./В.Р.Говарикер, Н.В.Висванатхан, Дж.Шридхар; Предисл. В.А.Кабанова.М.:Наука, 1990. - 396 с.

шение длины макромолекулы над ее поперечным размером) - является причиной возникновения у полимеров ряда свойств, отличных от свойств низкомолекулярных соединений:

- повышенная прочность сцепления макромолекул (волокно- и пленкообразующие свойства);

- эластичность (цепное строение+гибкость) - способность к большим обратимым деформациям под действием малых нагрузок;

- особенности растворения и свойства растворов - предварительное набухание и большая вязкость разбавленных растворов (6% раствор желатины теряет текучесть);

- небольшие воздействия (только одна сшивка каждой макромолекулы) приводят к значительному изменению свойств (дает трехмерную сшитую структуру);

- влияние соседних по цепи заместителей на реакционную способность функциональных групп (большая вероятность кооперативных процессов);

- возможность хранения информации с высокой плотностью (последовательности расположения пуриновых и пиримидиновых оснований в макромолекулах ДНК). В частности, как будет рассмотрено далее, полимеры сохраняют информацию о способе их получения (молекулярно-массовое распределение, композиционная неоднородность сополимеров) и переработке (ориентация, анизотропия свойств, степень кристалличности) - это не характерно для низкомолекулярных веществ !

Эти особенности строения и свойств высокомолекулярных соединений свидетельствуют о качественном различии свойств высоко- и низкомолекулярных соединений и дают основания рассматривать полимерное состояние как особое состояние вещества.

КЛАССИФИКАЦИЯ ПОЛИМЕРОВ

В основе классификации высокомолекулярных соединений могут лежать различные признаки.

ВМС могут быть выделены из растительного или животного сырья (целлюлоза, желатин, белки, нуклеиновые кислоты, природные смолы) - это природные (биополимеры) полимеры, получены путем модификации природных полимеров - искусственные полимеры (вискоза, нитроцеллюлоза) или получены синтетическим путем - синтетические полимеры (полиэтилен, полипропилен, фенолформальдегидные смолы).

Деление полимеров возможно по величине молекулярной массы: олигомеры (ММ 500. 5000), плейномеры (ММ 5000. 50000) и высокополимеры (ММ 50000. до неск. млн.).

По химическому составу полимеры делятся на органические (содержат связи СН и различные функциональные группы, включающие атомы кислорода, азота, галогенов, например, полиолефины и полимеры виниловых мономеров [-СН2-СНR-]n), неорганические (не содержат связей С-Н, например, гомоцепные - модификации серы, а гетероцепные - полифосфонитрилхлорид [-PCl2=N-]n) и элементоорганические (полидиметилоргансилоксан [-SiR2O-]n, полиарганофосфазены [-PR2=N-]n).

С точки зрения природы атомов основной цепи полимеры делятся на гомоцепные (например, карбоцепные - полиметилметакрилат, политетрафторэтилен) и гетероцепные (полиэфиры, полиамиды, полиоргансилоксаны, полиуретаны -NH-(CO)-O- ).

Полимеры, макромолекулы которых состоят из повторяющихся звеньев одного типа, называются гомополимерами, если макромолекула состоит из двух типов мономерных звеньев, то такие ВМС называют сополимерами (из трех -терполимерами).

Сополимеры могут быть статистическими, чередующимися, блок- или привитыми (графт-) сополимерами.

По строению основной цепи полимеры могут быть линейными, двухтяжевыми (лестничными, спирополимерами), разветвленными (статистически, гребнеобразными, звездообразными), сшитыми (в плоскости - паркетные или в пространстве).

С позиций стереохимических представлений макромолекулы подразделяются на атактические, синдиотактические и изотактические.

По способам ориентации мономерных звеньев, например, "голова к хвосту":

-СН2-СНR-СН2-СНR-. По геометрической изомерии цепи: 1,4-цис-полиизопрен (натуральный каучук, получают из латекса гевеи, ММ 70 000. 2 500 000, плотность 0.91 г/см3, т. стекл. - 70С), 1,4-трансполиизопрен (гутта из гуттаперчи, продукт коагуляции латекса тропических деревьев, кожеподобный полимер, ММ 20 000. 50 000, плотность 0.95 г/см3, при 50-70С размягчается, становясь пластичным).

По отношению к нагреванию полимеры можно разделить на термопласты, термоэластопласты и реактопласты.

В зависимости от своей конечной формы и назначения полимеры можно классифицировать на пластики (полистирол, полиметилметакрилат), эластомеры (каучуки), волокна (лавсан) и жидкие смолы (эпоксидные смолы).

НОМЕНКЛАТУРА ПОЛИМЕРОВ

В состав полимера (макромолекулы) входят тысячи атомов, соединенные химическими связями. Любые атом или группа атомов, входящие в состав цепи полимера или олигомера, называются составным звеном. Наименьшее составное звено, повторением которого может быть описано строение регулярного полимера, называется составным повторяющимся звеном. Составное звено, которое образуется из одной молекулы мономера при полимеризации, называется мономерным звеном (ранее иногда называли элементарным звеном). Например, в полиэтилене [-СН2-СН2-]n повторяющееся составное звено -СН2-, мономерное звено -СН2-СН2-.

Название линейного полимера образуется прибавлением приставки “поли-” (в случае неорганического полимера - “катена-поли-”):

а) к названию составного повторяющегося звена, заключенного в скобки (систематические названия);

б) к названию мономера, из которого получен полимер (полусистематические названия, которые ИЮПАК рекомендует использовать для обозначения наиболее часто применяемых полимеров). Название составного повторяющегося звена образуют по правилам химической номенклатуры:

(первыми указаны полусистематические названия).

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.

Вещества полимерного строения (полимеры) – состоят из молекул, характеризующихся многократным повторением одного или более составных звеньев и обладают такими свойствами, что они остаются практически неизменными при добавлении или удалении одного или нескольких составных звеньев.

Вещества неполимерного строения (олигомеры) также включают определенное число (не более 100) повторяющихся составных звеньев, но любое изменение их числа приводит к изменению свойств.

Свойства полимеров определяются размером и строением макромолекул:

где: СЗ – составное звено;

n – степень полимеризации.

Классификации полимеров

По типу составных звеньев:

Неорганические полимеры

Самые распространенные – природные силикаты и алюмосиликаты, составляющие основу земной коры:

Рис. 24. Полимерные кремнекислородные цепочки в составе силикатов

Органические полимеры

Органические полимеры — основа большинства пластических масс.

Полиэтилен – один из наиболее распространенных промышленных полимеров. Обладает высокой химической стойкостью, водо- и газонепроницаемостью. Используется как электроизолятор, а также для производства упаковочных пленок, шлангов и т.п.

Недостатки: низкая прочность и устойчивость к свету, растворителям (бензин).

Элементоорганические полимеры

Содержат в составных звеньях макромолекул наряду с углеводородными группами неорганические фрагменты.

Различают элементоорганические полимеры:

1. С основными цепями, содержащими атомы других элементов, обрамленными органическими группами

2. С основными цепями, содержащими чередующиеся атомы углерода и других элементов

3. С углеродными основными цепями, обрамленными элементоорганическими группами.

Пример последнего типа элементоорганических полимеров: фторопласт.

Классификация полимеров по происхождению:

1. Природные (натуральный каучук, белки)

2. Модифицированные (измененные природные, например, резина);

3. Синтетические (полученные из низкомолекулярных веществ путем синтеза, например, полиэтилен).

Классификации полимеров по строению макромолекул:

4. Трехмерные сшитые

Рис. 25. Строение макромолекул полимеров

Классификации полимеров

По отношению к нагреванию:

Термопластичные полимеры

Линейные полимеры (полиэтилен, поливинилхлорид, полистирол) способны обратимо размягчаться при нагреве и отверждаться при охлаждении, сохраняя основные свойства.

Переход в пластичное состояние связан с тем, что межмолекулярные и водородные связи между цепями полимеров разрываются при умеренном повышении температуры.

Термореактивные полимеры

Пространственные полимеры с жестким каркасом, которые будучи отверждены, не переходят при нагреве в пластичное состояние. При повышении температуры они претерпевают деструкцию (химическое разложение) и загораются (карбамидные полимеры, фенолформальдегидные и эпоксидные смолы).

Ковалентные связи между цепями этих полимеров имеют прочность того же порядка, что и прочность связей внутри цепи. Поэтому повышение температуры приводит к разрыву связей не только между цепями, но и внутри цепей, то есть к необратимой деструкции термореактивных полимеров.

Классификация полимеров по типу химической реакции, используемой для получения:

Полимеризация – процесс образования макромолекул из молекул низкомолекулярного вещества (мономера), содержащего кратные связи.

Поликонденсация — процесс образования макромолекул из молекул низкомолекулярного вещества (мономера), содержащих две или более функциональных групп, сопровождающийся выделением воды, аммиака или др. веществ.

Полимеризационные смолы получаются полимеризацией этиленовых углеводородов и их производных: полиэтилен, полипропилен, полистирол, поливинилхлорид, полиакрилаты, каучуки и др.

Полипропилен

Получается при полимеризации пропилена.

Сферы использования полипропилена: производство электроизоляции, труб, шлангов, шестерен, высокопрочного и химически стойкого волокна для производства канатов и рыболовных сетей. Пленки из полипропилена используют для упаковки пищевых продуктов. Температурный интервал использования: -150 С — + 1000 С

Конденсационные смолы получаются поликонденсацией разнообразных мономеров.

Полимеры, получаемые при реакциях

поликонденсации: фенолформальдегидные, полиэфирные, полиамидные смолы, полиуретаны и др.

Пластическими массами называют композиционные материалы на основе полимеров, содержащие дисперсные или коротковолокнистые наполнители, пигменты и другие компоненты, обладающие пластичностью на определенном этапе производства, которая полностью или частично теряется после отверждения полимера.

Некоторые строительные пластмассы целиком состоят из полимера ( например, органическое стекло: полиметилметакрилат, полиэтилен).

Роль наполнителей в пластмассах часто очень важна.

Пример: в начале 1990-х годов началось производство резины для автомобильных шин с использованием в качестве наполнителей технического углерода и оксида кремния. Введение оксида кремния позволило повысить сцепление шин с мокрой дорогой. Связать оксид кремния с бутадиенстирольным каучуком удалось введением в шинную массу органосиланов.

Высокомолекулярные соединения. Реакции полимеризации и поликонденсации. Полимеры. Пластмассы, волокна, каучуки.

Например , полиэтилен, получаемый при полимеризации этилена CH₂=CH₂:

…-CH₂-CH₂-CH₂-CH₂-CH₂-CH₂-CH₂-… или (-CH₂—CH₂-)_n

Соединения, из которых образуются полимеры, называются мономерами.

Например , пропилен (пропен) СН₂=СH–CH₃ является мономером полипропилена

Группа атомов, многократно повторяющаяся в цепной макромолекуле, называется ее структурным звеном.

Мономеры – низкомолекулярные вещества, из которых образуются полимеры.

Степень полимеризации – число, показывающее количество элементарных звеньев в молекуле полимера.

Полимеры, макромолекулы которых построены строго определенным способом, называют регулярными.

Полимер называется стереорегулярным, если заместители R в основной цепи макромолекул (–CH₂–CHR–)_n расположены упорядоченно.

Стереорегулярные полимеры обладают гораздо лучшими свойствами – пластичностью, прочностью и теплостойкостью; они способны кристаллизоваться, в отличие от нерегулярных.

Классификация по структуре

По структуре полимеры делятся на: линейные, разветвленные и пространственные.

Химические связи имеются и между цепями, образуя пространственную структуру

Линейные — макромолекулы состоят из последовательности повторяющихся звеньев с большим отношением длины молекулы к ее поперечному размеру (целлюлоза, полиэтилен низкого давления, капрон).

Разветвленные — макромолекулы которых имеют боковые ответвления от цепи, называемой главной или основной (крахмал).

Сетчатые (пространственные) — химические связи имеются и между цепями (резина, фенолформальдегидные смолы).

Классификация по происхождению

По способу получения полимеры делятся на: природные, синтетические и искусственные.

Природные полимеры непосредственно существуют в природе (крахмал, целлюлоза и др.).

Синтетические полимеры получают полностью химическим путем в реакциях полимеризации и поликонденсации (полиэтилен, полихлорвинил, фенол-формальдегидные смолы, метилметакрилат и т.д.). Не имеют аналогов в природе.

Искусственные – получают модификацией натуральных полимеров (вискоза –модифицированная целлюлоза, резина –модификация натурального каучука).

Классификация по химическому характеру

По химическому характеру и составу полимеры и химические волокна бывают: полиэфирные, полиамидные, элементоорганические (например, кремнийорганические полимеры).

Полиэфирные полимеры — содержат группу сложных эфиров -СОО-.

Полиамидные полимеры — содержат пептидную связь -СО-NH₂-.

Элементоорганические полимеры — содержат атомы других химических элементов (помимо С, Н, О, N).

Классификация по способу получения

Полимеры получают либо реакциями полимеризации, либо поликонденсацией.

Полимеризация — процесс образования высокомолекулярного вещества(полимера) путём многократного присоединения молекул мономера к активным центрам в растущей молекуле полимера.

Например , образование полиэтилена происходит по механизму полимеризации:

Поликонденсация – процесс образования высокомолекулярных соединений, протекающий по механизму замещения и сопровождающийся выделением побочных низкомолекулярных продуктов (обычно это вода).

Например , образование капрона протекает по механизму поликонденсации:

Свойства полимеров

По свойствам полимеры можно разделить на: термореактивные, термопластичные и эластомеры.

Термореактивные полимеры — пластмассы, переработка которых в изделия сопровождается необратимой химической реакцией, приводящей к образованию неплавкого и нерастворимого материала.

Например , фенолформальдегидные смолы, полиуретан.

Термопластичные полимеры — меняют форму в нагретом состоянии и сохраняют её после охлаждения.

Например , полиэтилен, полистирол, полихлорвинил и т.д.

Эластомеры – обладают высокоэластичными свойствами в широком интервале температур.

Например , натуральный каучук.

Полимеризация

Степень полимеризации — это число, показывающее сколько молекул мономера соединилось в макромолекулу.

В основе полимеризации лежит реакция присоединения.
Полимеризация – цепная реакция, включает стадии инициирования, роста и обрыва цепи.
Элементный состав (молекулярные формулы) мономера и полимера одинаков.

Катализаторами полимеризации могут быть: металлический натрий, пероксиды, кислород, металлоорганические соединения, комплексные соединения.

Процесс образования высокомолекулярных соединений при совместной полимеризации двух или более различных мономеров называют сополимеризацией.

Например , схема сополимеризации этилена с пропиленом:

Важнейшие синтетические полимеры

Важнейшие синтетические полимеры, получаемые реакцией полимеризации, и области их применения:

Метиловый эфир метакриловой кислоты

Термопластичный (t = 260-320 0 C)

Мономер: бутадиен-1,3 (дивинил)

Поликонденсация

В основе поликонденсации лежит реакция замещения.
Поликонденсация – процесс ступенчатый, т.к. образование макромолекул происходит в результате последовательного взаимодействия мономеров, димеров или n-меров как между собой, так и друг с другом.
Помимо высокомолекулярного соединения, в реакции поликонденсации образуется второе, низкомолекулярное вещество (обычно это вода).

Важнейшие синтетические полимеры, получаемые реакцией поликонденсации, и области их применения:

Высокомолекулярные соединения занимают особое место в группе органических веществ. Они обладают значительной массой, для их описания используются такие понятия, как макромолекула, мономер, степень полимеризации и другие. Характерны наличием множества повторяющихся звеньев в различных химических реакциях.

Классификация соединений

Высокомолекулярные соединения делятся на природные и синтетические. К первым относятся различные каучуки, полисахариды, нуклеиновые кислоты. Искусственно создаются полиэтилен, полипропилен, смолы на основе фенола и альдегидов. Атомы вещества в виде макромолекулы классифицируются следующим образом:

Однотяжные цепи или последовательность циклов, которая применяется в спирополимерах.
Разветвленные соединения, которыми обладают крахмал и дендримеры.
Трехмерная сетка, которая состоит из отрезков структурной цепи.
Соединения из множества повторяющихся звеньев в низкомолекулярных и высокомолекулярных разновидностях.

Полимеры в химии — это соединения, которые называются таковыми из-за большой массы и прочных химических связей и формул вдоль цепи вида C6H5CH.

Они могут быть стереополимерами, сополимерами и общими блок-сополимерами, которые делятся на стереорегулярные и нестереорегулярные в зависимости от периодичности чередования звеньев. Это зависит от степени расположения цепей, периодичности чередования и особенности строения.

Свойства и характеристики

Высокомолекулярные реакции обладают рядом химических свойств. Некоторые из них присущи исключительно ВМС (аббревиатура для обозначения таких соединений). Самыми важными характеристиками, которые лежат в основе классификации, можно назвать:

Образование соответствующими методами высокоориентированных волокон и пленок.
Способность к значительным обратимым деформациям с низкой упругостью по происхождению.
Могут набухать, образуя упругие тела с веществами типа гелия.
Очень высокая вязкость при получении раствора в разбавленном виде.

Указанные свойства обусловлены массой, строением цепей и способностью макромолекул изменять форму от внешних воздействий. Переход от линейных цепей к разветвленным и трехмерным делает такие характеристики менее выраженными.

В химии реакция полимеризации это процесс сшивания множества молекул мономера в макромолекулы. В нее вступают непредельные соединяющие элементы. Существует гомополимеризация и сополимеризация. В первом варианте идет слияние молекул одного мономера, а во втором воссоединяются два и более веществ. Она идет по радикальному или ионному механизму.

В случае радикальной полимеризации процесс инициируется свободными радикалами. К примеру, реакция поливинилхлорида идет по следующим стадиям:

Зарождение цепи C6H5COO=2C2H5COO.
После этого идет рост цепи с участием радикала R+CH2=CHCl=RCH2-CHCl.
В конце происходит разветвление или обрыв цепи.

В ионной полимеризации роль активных центров играют катионы и анионы. Это позволяет разделить ее на катионную и анионную вариацию в зависимости от доноров и акцепторов. По ней протекает реакция полимеризации полиизобутилена, бутадиена, синтетического каучука и прочих неорганических реакций.

Применение полимеров

Полимеры благодаря высокой механической прочности и вязкости используются во многих отраслях промышленности. Среди них автомобилестроение, электротехника, сельское хозяйство, медицина. Основными примерами являются пластмассы, резины, лаки, краски и эмали, а также капрон и прочие элементарные полимерные соединения.

Высокомолекулярные соединения и вещества встречаются в химии часто и занимают особое место. Под расшифровкой ВМС понимают такие реакции полимеризации и поликонденсации, в которых выделяются аминокислоты, полиэтилены и остальные соединения.

Читайте также: