Общие сведения о высокомолекулярных соединениях кратко

Обновлено: 05.07.2024

Такой принцип построения полимерных и олигомерных молекул обусловлен тем, что они образуются путем соединения определенного числа молекул низкомолекулярных соединений – мономеров (одного мономера при образовании гомополимера, двух или более – при образовании сополимеров).

Еще раз подчеркнем, что далее мы будем называть полимерами соединения, в макромолекулах которых атомы связаны ковалентными связями. Дело в том, что иногда термин “полимер” употребляют по отношению к агрегатам малых молекул, связанных между собой нековалентными взаимодействиями; так, говорят о “полимерном строении” воды (молекулы связаны водородными связями) или липидных бислоев биомембран. Естественно, такие взаимодействия связывают “элементарные звенья” (субъединицы) намного слабее, чем в настоящих полимерах; здесь более точными следовало бы считать термины “квазиполимерное строение” или “полимолекулярные комплексы”.

Практически все синтетические полимеры, а также некоторые природные (например, целлюлоза) состоят из молекул разной величины (с разным числом элементарных звеньев). Такие однотипно построенные макромолекулы разной величины называют полимергомологами, а сами полимеры называют полидисперсными. Разброс по молекулярным массам называют степенью полидисперсности данного полимера. Полидисперсность обусловлена тем, что почти все лабораторные и тем более промышленные методы синтеза не дают возможности остановить синтез макромолекул в строго определенном месте. Существуют методы фракционирования полимеров, позволяющие разделять полидисперсные полимеры на фракции с меньшей степенью полидисперсности. Естественно, молекулярная масса полидисперсных полимеров является средней величиной, причем в зависимости от критерия усреднения, она имеет различные значения для одного и того же полимера (среднечисловая, средневесовая, средневискозиметрическая); это принципиально отличает такие полимеры от низкомолекулярных соединений, которые состоят из идентичных молекул.

Напротив, важнейшие природные полимеры – белки и нуклеиновые кислоты – построены из идентичных макромолекул, т.е. монодисперсны. Это становится возможным благодаря матричному синтезу, при котором считывается строго определенная информация с молекулы-матрицы.
Классификация высокомолекулярных соединений.

А. Классификация по химическому составу основных цепей. Легко заметить, что основу большинства полимеров составляют длинные цепи атомов, связанных ковалентными связями; остальные атомы служат как бы обрамлением этих цепей. В соответствии с природой атомов, составляющих основную цепь, можно выделить два типа полимеров:

I. Карбоцепные; их цепи построены только из атомов углерода; к ним, например, относятся полиэтилен, полистирол, поливинилхлорид и многие другие синтетические полимеры, а из природных полимеров – натуральный каучук. Это – практически единственный тип гомоцепныхполимеров, т.е. полимеров, цепи которых построены из атомов одного элемента (атомы кремния, серы, селена также могут образовывать цепочки атомов, однако не способны образовывать устойчивые высокомолекулярные соединения).

II. Гетероцепные: их основные цепи построены из атомов двух или более элементов; эти полимеры можно разделить на три группы:

IIa. Органические: один из элементов, образующих цепь – углерод; другими элементами (их атомы называют гетероатомами) чаще всего являются кислород, азот, фосфор, сера, но известны полимеры, включающие в цепи атомы многих других элементов. К этой группе полимеров относятся полиэфиры, полиамиды, полиуретаны; к ней же относятся важнейшие биополимеры: полисахариды (гетероатомы – атомы кислорода), полипептиды (атомы азота), нуклеиновые кислоты (атомы кислорода и фосфора).
IIb Элементорганические : основные цепи этих полимеров не содержат атомов углерода, однако органические фрагменты входят в обрамление цепей (являются боковыми группами). Наиболее распространенные полимеры этого типа - полиорганосилоксаны

.
R – органические фрагменты (например, Ме, Ph).

IIв. Неорганические: эти полимеры не содержат органических фрагментов; к ним относятся многие природные силикаты и алюмосиликаты или, например, полифосфонитрилхлорид (-РCl₂=N-)_n.

Б. Классификация по топологической структуре макромолекул. Здесь можно выделить несколько групп полимеров (рис.1):

I. Линейные полимеры(а): макромолекулы таких полимеров представляют собой линейные цепи; боковые группы несоизмеримо меньше основной цепи и обычно расположены вдоль цепи с большей или меньшей степенью регулярности (довольно часто – строго регулярно). К этой группе относится очень большое число синтетических полимеров, таких как полиэтилен, полистирол, многие полиэфиры, полиамиды и т.д. К этой же группе относятся целый ряд полисахаридов (например, целлюлоза, амилоза, хитин, альгиновые кислоты), многие белки и нуклеиновые кислоты. Линейные полимеры обладают наиболее четко выраженными особенностями физико-химического поведения, что весьма важно как для практического использования синтетических полимеров, так и для биологических функций биополимеров.

II. Разветвленные полимеры (b): эти полимеры включают более одной цепи (часто – много цепей), причем одни цепи являются ответвлениями от других. Иногда в таких полимерах можно выделить главную цепь, от которой отходят боковые цепи меньшей величины (b’); такие полимеры называют гребнеобразными. В других случаях макромолекулы построены из цепей сравнимой величины; найти основную цепь невозможно (b''); в некоторых случаях (b’’’) макромолекулы разветвленных полимеров имеют шарообразную форму (так называемые дендримеры). Типичными примерами разветвленных полимеров являются гликоген и амилопектиновая фракция крахмала. Среди синтетических разветвленных полимеров наиболее интересны так называемые привитые сополимеры (см. ниже).

Высокомолекулярные соединения (ВМС) получили свое название из-за очень большой относительной молекулярной массы (не менее 10000–15000). Если относительная молекулярная масса обычных низкомолекулярных веществ редко достигает нескольких сотен, например, воды – 18; диоксида углерода – 44; глюкозы – 180, то молекулярная масса натурального каучука (ВМС) находится в пределах от 7 10 4 до 2,5 10 6 . Молекулы ВМС из-за их большой молекулярной массы называют обычно макромолекулами.

Высокомолекулярные соединения из-за их большой молекулярной массы нелетучи и не способны перегоняться, весьма чувствительны к воздействию внешних факторов. Макромолекулы легко распадаются под воздействием самых незначительных количеств кислорода и других деструктирующих агентов. Большинство ВМС при повышении температуры размягчаются постепенно и не имеют определенной температуры плавления. Температура разложения этих веществ ниже температуры кипения, т. е. ВМС могут находиться только в конденсированном состоянии.

Свойства ВМС зависят не только от размера, но и от формы молекул. Так, ВМС с изодиаметрическими молекулами (гемоглобин, гликоген) – порошкообразные вещества, при растворении почти не набухают, а растворы их не обладают высокой вязкостью. ВМС с сильно асимметричными вытянутыми молекулами (желатин, целлюлоза, каучук) при растворении очень сильно набухают и образуют высоковязкие растворы.

ВМС с линейными молекулами обладают волокнистой структурой, обусловливающей анизотропию свойств и высокую механическую прочность, поэтому они образуют волокна и пленки. Некоторые полимеры высокоэластичны.

Природные и синтетические ВМС. К наиболее важным природным ВМС относятся белки, являющиеся главной составной частью всех веществ животного и растительного происхождения. Молекулы белков построены из различных аминокислот, содержащих ионогенные группы (СООН, NH₃OH) и соединенных пептидными связями. Молекулярная масса различных белков колеблется в широких пределах и достигает нескольких миллионов. Белки используются в основном для пищевых целей. Однако ряд содержащих белки веществ (кожа, шерсть, шелк) находят и техническое применение.

Природными ВМС являются и полисахариды – крахмал, целлюлоза. Целлюлоза – составная часть тканей растений. Наибольшее содержание целлюлозы (96–98 %) в хлопке. Молекулы целлюлозы имеют линейное строение и составлены из остатков глюкозы. Молекулярная масса колеблется от 500 тыс. до миллионов. Крахмал – составная часть всех злаков и картофеля. Макромолекулы крахмала состоят из звеньев глюкозы, и он является не индивидуальным веществом, а смесью полисахаридов, отличающихся размерами молекул и строением. Путем гидролиза из крахмала получают декстрин, патоку и глюкозу.

К природным ВМС относится и натуральный каучук – материал, обладающий высокой эластичностью. Его добывают из млечного сока (латекса) некоторых растений – каучуконосов. Это углеводород, состоящий из изопентеновых (изопреновых) остатков. При нагревании с серой каучук подвергается вулканизации, образуя резину, эбонит.

Помимо природных ВМС в технике и быту применяют синтетические ВМС. К ним относятся синтетические каучуки и различные синтетические полимеры. Эти продукты чрезвычайно разнообразны по химическому составу и свойствам, они являются заменителями природных ВМС, их используют для получения пластмасс, синтетических тканей и др. Производство синтетических ВМС значительно превысило производство конструкционных материалов (алюминиевых и магниевых сплавов и др.). К достоинствам синтетических ВМС относится то, что их можно получить с заранее заданными свойствами, подбирая необходимые исходные материалы и регулируя технологический процесс.

Строение макромолекул и структура ВМС. Молекулы ВМС могут быть линейными и разветвленными. Именно линейной формой макромолекул определяются типичные свойства полимеров: эластичность, способность образовывать нити и пленки высокой прочности, набухать, давать при растворении вязкие растворы и т. д. Эти типичные для полимеров свойства определяются гибкостью их линейных молекул, способностью к колебательно-вращательному движению отдельных звеньев макромолекул вокруг соединяющих их отдельных связей. Благодаря вращению отдельных звеньев, макромолекула изгибается и может принимать различные конформации. Конформации – формы молекул, переходящие друг в друга без разрыва химической связи за счет свободного поворота звеньев.

И СВОЙСТВА ИХ РАСТВОРОВ

СТРУКТУРА ВЫСОКОМОЛЕКУЛЯРНЫХ СОЕДИНЕНИЙ

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.

(полимеры), характеризуются мол. массой от неск. тысяч до неск. (иногда многих) миллионов. В состав молекул В. с. ( макромолекул )входят тысячи атомов, соединенных хим. связями. Любые атом или группа атомов, входящие в состав цепи полимера или олигомера, наз. составным звеном. Наим. составное звено, повторением к-рого м. б. описано строение регулярного (см. ниже) полимера, наз. составным повторяющимся звеном. Составное звено, к-рое образуется из одной молекулы мономера при полимеризации, наз. мономерным звеном (ранее иногда наз. элементарным звеном). Напр., в полиэтилене [ЧСН ₂ СН ₂ Ч]_n повторяющееся составное звено - СН ₂, мономерное -СН ₂ СН ₂.

Название линейного полимера образуют прибавлением приставки "поли" (в случае неорганич. полимеров -"кате на-поли"): а) к названию составного повторяющегося звена, заключенному в скобки (систематич. названия); б) к названию мономера, из к-рого получен полимер (полусистематич. названия, к-рые ИЮПАК рекомендует использовать для обозначения наиб. часто применяемых полимеров). Название составного повторяющегося звена образуют по правилам номенклатуры химической. напр. (первыми указаны полусистематич. названия):

Классификация. По происхождению В. с. делят на природные, или биополимеры (напр., белки, нуклеиновые кислоты, полисахариды), и синтетические (напр., полиэтилен, полистирол, феноло-алъдегидные смолы). В зависимости от расположения в макромолекуле атомов и атомных групп различают: 1) линейные B.C., макромолекулы к-рых представляют собой открытую, линейную, цепь (напр., каучук натуральный )или вытянутую в линию последовательность циклов (напр., целлюлоза); 2 )разветвленные B.C., макромолекулы к-рых имеют форму линейной цепи с ответвлениями (напр., амилопектин); 3) сетчатые В. с. - трехмерные сетки, образованные отрезками B.C. цепного строения (напр., отвержденные феноло-альдегидные смолы, вулканизов. каучук). См. также Сетчатые полимеры.

Макромолекулы одного и того же хим. состава м. б. построены из разл. стереоизомеров звена. В. с., молекулы к-рых состоят из одинаковых стереоизомеров или из разл. стереоизомеров, чередующихся в цепи с определенной периодичностью, наз. стереорегулярными. B.C., в к-рых каждый или нек-рые стереоизомеры звена образуют достаточно длинные непрерывные последовательности, сменяющие друг друга в пределах одной макромолекулы, наз. стереоблоксополимерами. В нестереорегулярных, или атактических, B.C. звенья разл. пространств. конфигурации чередуются в цепи произвольно. См. также Стереорегулярные полимеры.

По хим. составу макромолекулы различают гомополимеры (полимер образован из одного мономера, напр. полиэтилен) и сополимеры (полимер образован по меньшей мере из двух разл. мономеров, напр. бутадиен-стирольный каучук). В. с., состоящие из одинаковых мономерных звеньев, но различающиеся по мол. массе, наз. полимергомологами.

Сополимеры в зависимости от характера распределения разл. звеньев в макромолекуле делят на регулярные и нерегулярные. В регулярных макромолекулах наблюдается определенная периодичность распределения звеньев. Простейшие примеры - чередующиеся сополимеры стирола с малеиновым ангидридом или нек-рых олефинов с акриловыми мономерами, построенные по типу . АВАВАВАВ. где А и В - мономерные звенья (см. Сополиме-ризация, Радикальная полимеризация). Более сложные регулярные последовательности чередования звеньев реализованы, напр., в полипептидах - сополимерах аминокислот. Для нерегулярных сополимеров характерно случайное, или статистическое (т. е. подчиняющееся определенной статистике, но не регулярное), распределение звеньев; оно наблюдается у мн. синтетич. сополимеров. В белках нерегулярные последовательности звеньев задаются генетич. кодом и определяют биохим. и биол. специфичность этих соединений. Сополимеры, в к-рых достаточно длинные непрерывные последовательности, образованные каждым из звеньев, сменяют друг друга в пределах макромолекулы, наз. блоксополимерами (см. Блоксополимеры). Последние наз. регулярными, если длины блоков и их чередование подчиняются определенной периодичности. При уменьшении длины блоков различие между блоксополимерами и статистич. сополимерами постепенно утрачивается. К внутр. (неконцевым) звеньям макромолекулярной цепи одного хим. состава или строения м. б. присоединены одна или неск. цепей другого состава или строения; такие сополимеры наз. привитыми.

В зависимости от состава основной (главной) цепи макромолекулы все B.C. делят на два больших класса: гомоцепные, основные цепи к-рых построены из одинаковых атомов, и гетероцепные, в основной цепи к-рых содержатся атомы разных элементов, чаще всего С, N, Si, P. Среди гомоцепных В. с. наиб. распространены карбоцепные (главные цепи состоят только из атомов углерода), напр. полиэтилен, полиметилметакрилат, политетрафторэтилен (см. Фторопласты), гуттаперча. Примеры гетероцепных В. с.- полиэфиры (напр., полиэтиленоксид, полиэтилентерефталат, поликарбонаты), полиамиды, кремнийорганические полимеры, мочевино-формалъдегидные смолы, белки, целлюлоза. В. с., в макромолекулы к-рых наряду с углеводородными группами входят атомы неорганогенных элементов, наз, элементоорганическими. В полимерах, содержащих атомы металла (напр., Zn, Mg, Си), обычные ковалентные связи могут сочетаться с координационными (см. Координационные полимеры). Отдельная группа В. с.- неорганические полимеры (напр., полифосфазены), макромолекулы к-рых построены из неорг. главных цепей и не содержат орг. боковых радикалов (обрамляющих групп).

Свойства и основные характеристики. В. с. обладают специфич. комплексом физ.-хим. и мех. св-в. Важнейшие из них: 1) способность образовывать высокопрочные анизотропные волокна и пленки (см. Ориентированное состояние, Пленки полимерные); 2 )способность к большим обратимым, т. наз. высокоэластическим, деформациям (см. Высокоэластическое состояние);3) способность набухать перед растворением и образовывать высоковязкие р-ры (см. Растворы полимеров). Эти св-ва обусловлены высокой мол. массой B.C., цепным строением макромолекул, их гибкостью и наиб. полно выражены у линейных В. с. По мере перехода от линейных цепей к разветвленным, редким трехмерным сеткам и, наконец, к частым сетчатым структурам комплекс характерных св-в В. с. становится все менее выраженным. Трехмерные В. с. с очень большой частотой сетки нерастворимы, неплавки и неспособны к высокоэластич. деформациям.

По фазовому состоянию В. с. могут быть кристаллическими или аморфными. Необходимое условие кристаллизации - регулярность достаточно длинных участков молекулярной цепи. В таких В. с. возможно образование разнообразных кристаллич. форм (фибрилл, сферолитов, монокристаллов и др. Х тип к-рых во многом определяет св-ва полимерного материала. Аморфные В. с. помимо высокоэластического могут находиться в двух других физ. состояниях: стеклообразном состоянии и вязкотекучем состоянии. В. с., к-рые переходят из высокоэластич. состояния в стеклообразное при т-рах ниже комнатной, относят к эластомерам, при более высокой т-ре-к пластикам. Кристаллические B.C. обычно являются пластиками.

Св-ва отдельных B.C. определяются хим. составом, строением, конформацией и взаимным расположением макромолекул (надмолекулярной структурой). В зависимости от этих факторов св-ва B.C. могут изменяться в широких пределах. Так, цис-1,4-полибутадиен, построенный из гибких углеводородных цепей, при т-рах ок. 20

Химическая энциклопедия. — М.: Советская энциклопедия . Под ред. И. Л. Кнунянца . 1988 .

Читайте также: