Vysokomolekulárna zlúčenina je... Definícia, zloženie, vlastnosti, vlastnosti

Vysokomolekulárna zlúčenina je polymér, ktorý má veľkú molekulovú hmotnosť. Môžu to byť organické a anorganické zlúčeniny. Existujú amorfné a kryštalické látky, ktoré pozostávajú z monomérnych kruhov. Posledne menované sú makromolekuly Spojené chemickými a koordinačnými väzbami. Jednoducho povedané, vysokomolekulárna zlúčenina je polymér, to znamená monomérne látky, ktoré nemenia svoju hmotnosť, keď sú rovnaké "ťažký" látka. V opačnom prípade budeme hovoriť o oligoméri.

Aká je veda o štúdiu vysokomolekulárnych zlúčenín?

Chémia vysokomolekulárnych polymérov je štúdium molekulárnych reťazcov pozostávajúcich z monomérnych podjednotiek. Tu sa berie do úvahy obrovská oblasť výskumu. Mnoho polymérov má významný priemyselný a obchodný význam. V Amerike sa spolu s objavom zemného plynu začalo spustenie veľkého projektu výstavby závodu na výrobu polyetylénu. Ethan od k nim je pripojený zemný plyn premení sa na etylén, monomér, z ktorého je možné vyrobiť polyetylén.

Polymér ako vysokomolekulárna zlúčenina je:

• Akákoľvek z triedy prírodných alebo syntetických látok pozostávajúcich z veľmi veľkých molekúl nazývaných makromolekuly.
• Mnoho jednoduchších chemických jednotiek nazývaných monoméry.
• Polyméry tvoria veľa materiálov v živých organizmoch, vrátane napríklad bielkovín, celulózy a nukleových kyselín.
• Okrem toho tvoria základ minerálov, ako sú diamant, kremeň a živec, ako aj umelé materiály vrátane betónu, skla, papiera, plastov a kaučukov.

Slovo "polymér" znamená neurčitý počet monomérnych jednotiek. Keď je počet monomérov veľmi veľký, zlúčenina sa niekedy nazýva vysoký polymér. Nie je obmedzený na monoméry s rovnakým chemickým zložením alebo molekulovou hmotnosťou a štruktúrou. Niektoré prírodné vysokomolekulárne organické zlúčeniny pozostávajú z jedného typu monoméru.

Väčšina prírodných a syntetických polymérov je však tvorená z dvoch alebo viacerých rôznych typov monomérov; takéto polyméry sú známe ako kopolyméry.

Prírodné látky: aká je ich úloha v našich životoch?

Organické vysokomolekulárne organické zlúčeniny zohrávajú kľúčovú úlohu v živote ľudí, poskytujú základné štrukturálne materiály a podieľajú sa na životne dôležitých procesoch.

• Napríklad pevné časti všetkých rastlín pozostávajú z polymérov. Patria sem celulóza, lignín a rôzne živice.
• Celulóza je polysacharid, polymér pozostávajúci z molekúl cukru.
• Lignín je tvorený komplexnou trojrozmernou sieťou polymérov.
• Drevené živice sú polyméry jednoduchého uhľovodíka, izoprénu.
• Ďalším známym izoprénovým polymérom je guma.

Medzi ďalšie dôležité prírodné polyméry patria proteíny, ktoré sú polymérmi aminokyselín, a nukleové kyseliny. Sú to odrody nukleotidov. Ide o komplexné molekuly pozostávajúce z báz obsahujúcich dusík, cukrov a kyseliny fosforečnej.

Nukleové kyseliny prenášajú genetickú informáciu v bunke. Škroby, dôležité zdroje potravinovej energie získané z rastlín, sú prírodné polyméry pozostávajúce z glukózy.

Chémia zlúčenín s vysokou molekulovou hmotnosťou vylučuje anorganické polyméry. Nachádzajú sa tiež v prírode, vrátane diamantu a grafitu. Oba pozostávajú z uhlíka. Stojí za to vedieť:

• V diamante sú atómy uhlíka spojené v trojrozmernej sieti, ktorá dáva materiálu tvrdosť.
• V grafite, ktorý sa používa ako mazivo a v ceruzkových "elektródach", sa atómy uhlíka viažu v rovinách, ktoré sa môžu navzájom kĺzať.

Mnoho dôležitých polymérov obsahuje atómy kyslíka alebo dusíka, ako aj atómy uhlíka v hlavnom reťazci. Takéto makromolekulárne materiály s atómami kyslíka zahŕňajú polyacetály.

Najjednoduchším polyacetálom je polyformaldehyd. Má vysokú teplotu topenia, je kryštalický, odolný voči oderu a rozpúšťadlám. Acetalové živice sú viac ako kov ako akékoľvek iné plasty a používajú sa pri výrobe častí strojov, ako sú ozubené kolesá a ložiská.

Látky získané umelo

Syntetické zlúčeniny s vysokou molekulovou hmotnosťou sa vyrábajú pri rôznych typoch reakcií:

1. Mnoho jednoduchých uhľovodíkov, ako je etylén a propylén, sa môže premeniť na polyméry pridaním jedného monoméru za druhým do rastúceho reťazca.
2. Polyetylén pozostávajúci z opakujúcich sa etylénových monomérov je aditívny polymér. Môže mať až 10 000 monomérov Spojených v dlhých špirálových reťazcoch. Polyetylén je kryštalický, priesvitný a termoplastický, čo znamená, že pri zahrievaní zmäkne. Používa sa na nátery, obaly, tvarované diely, ako aj na výrobu fliaš a nádob.
3. Polypropylén je tiež kryštalický a termoplastický, ale tvrdší ako polyetylén. Jeho molekuly môžu pozostávať z 50000-200000 monomérov.

Táto zlúčenina sa používa v textilnom priemysle a pre výrobu z tvarovaných predmetov.

Medzi ďalšie aditívne polyméry patria:

• polybutadién;
• polyizoprén;
• polychloroprén.

Všetky z nich sú dôležité pri výrobe syntetických kaučukov. Niektoré polyméry, ako napríklad polystyrén, sú sklovité a priehľadné pri izbovej teplote, ako aj termoplastické:

1. Polystyrén môže byť natretý v akomkoľvek odtieni a používa sa pri výrobe hračiek a iných plastových predmetov.
2. Ak je jeden atóm vodíka v etyléne nahradený atómom chlóru, vytvorí sa vinylchlorid.
3. Polymerizuje na polyvinylchlorid (PVC), bezfarebný, tvrdý, tuhý, termoplastický materiál, ktorý sa môže vyrábať v mnohých formách vrátane pien, filmov a vlákien.
4. Vinylacetát získaný reakciou medzi etylénom a kyselinou octovou polymerizuje na amorfné mäkké živice používané ako nátery a lepidlá.
5. Kopolymerizuje s vinylchloridom za vzniku veľkej rodiny termoplastických materiálov.

Lineárny polymér charakterizovaný opakovaním esterových skupín pozdĺž hlavného reťazca sa nazýva polyester. Polyestery s otvoreným reťazcom sú bezfarebné, kryštalické, termoplastické materiály. Tie syntetické vysokomolekulárne zlúčeniny, ktoré majú vysokú molekulovú hmotnosť (od 10 000 do 15 000 molekúl), sa používajú pri výrobe filmov.

Zriedkavé polyamidy syntetického pôvodu

Polyamidy zahŕňajú prirodzene sa vyskytujúce kazeínové proteíny nachádzajúce sa v mlieku a zeín nachádzajúci sa v kukurici, z ktorých sa vyrábajú plasty, vlákna, lepidlá a nátery. Stojí za zmienku:

• Syntetické polyamidy zahŕňajú karbamid-formaldehydové živice, ktoré sú termosetové. Používajú sa na výrobu tvarovaných predmetov, ako aj lepidiel a náterov na textil a papier.
• Dôležité sú aj polyamidové živice, známe ako nylon. Sú odolné, odolné voči teplu a oderu, netoxické. Môžu byť maľované. Najznámejší smer použitia je ako textilné vlákna, ale majú veľa ďalšie funkcie.

Ďalšia dôležitá rodina syntetických chemických zlúčenín s vysokou molekulovou hmotnosťou pozostáva z lineárnych opakovaní uretánovej skupiny. Polyuretány sa používajú pri výrobe elastomérnych vlákien, známych ako spandex, a pri výrobe náterových báz.

Ďalšou triedou polymérov sú zmiešané organicko-anorganické zlúčeniny:

1. Najdôležitejšími predstaviteľmi tejto rodiny polymérov sú silikóny. Zloženie vysokomolekulárnych zlúčenín zahŕňa striedanie atómov kremíka a kyslíka s organickými skupinami pripojenými ku každému z atómov kremíka.
2. Silikóny s nízkou molekulovou hmotnosťou sú oleje a mazivá.
3. Druhy s vyššou molekulovou hmotnosťou sú všestranné elastické materiály, ktoré zostávajú mäkké aj pri veľmi nízkych teplotách. Sú tiež relatívne stabilné pri vysokých teplotách.

Polymér môže byť trojrozmerný, dvojrozmerný a jednoduchý. Opakujúce sa jednotky často pozostávajú z uhlíka a vodíka a niekedy z kyslíka, dusíka, síry, chlóru, fluóru, fosforu a kremíka. Na vytvorenie reťazca je veľa väzieb chemicky viazaných alebo polymerizovaných dohromady, a preto sa menia vlastnosti vysokomolekulárnych zlúčenín.

Aké sú vlastnosti vysokomolekulárnych látok?

Väčšina vyrobených polymérov je termoplastická. Po vytvorení polyméru sa môže znova zahriať a reformovať. Táto vlastnosť uľahčuje manipuláciu. Ďalšiu skupinu termosetových materiálov nie je možné roztaviť: akonáhle sa polyméry vytvoria, opätovné zahriatie povedie k rozkladu, ale nie k roztaveniu.

Charakteristika vysokomolekulárnych polymérnych zlúčenín na príklade obalov:

1. Môžu byť veľmi odolné voči chemikáliám. Zvážte všetky čistiace kvapaliny vo vašej domácnosti, ktoré sú balené v plastoch. Všetky dôsledky kontaktu s očami, ale koža sú opísané. Toto je nebezpečná kategória polymérov, ktorá rozpúšťa všetko.
2. Zatiaľ čo rozpúšťadlá ľahko deformujú niektoré plasty, iné druhy plastov sa umiestňujú do nerozbitných obalov pre agresívne rozpúšťadlá. Nie sú nebezpečné, ale môžu človeku iba ublížiť.
3. Roztoky vysokomolekulárnych zlúčenín sa najčastejšie dodávajú v jednoduchých plastových vreckách, aby sa znížilo percento ich interakcie s látkami vo vnútri nádoby.

Polyméry majú spravidla veľmi nízku hmotnosť so značným stupňom pevnosti. Zvážte celý rad aplikácií, od hračiek po rámovú štruktúru vesmírnych staníc alebo od tenkého nylonového vlákna v pančuchách až po Kevlar, ktorý sa používa v nepriestrelných vestách. Niektoré polyméry plávajú vo vode, iné klesajú. V porovnaní s hustotou kameňa, betónu, ocele, medi alebo hliníka sú všetky plasty ľahkými materiálmi.

Vlastnosti zlúčenín s vysokou molekulovou hmotnosťou sú rôzne:

1. Polyméry môžu slúžiť ako tepelné a elektrické izolátory: spotrebiče, káble, elektrické zásuvky a káble, ktoré sú vyrobené alebo potiahnuté polymérnymi materiálmi.
2. Tepelný odpor spotrebičov v kuchyni s úchytkami na hrnce a panvice z polymérov, úchytky na kávovary, penové chladničky a mrazničky, izolované šálky, chladiče a riady do mikrovlnnej rúry.
3. Termoprádlo, ktoré nosí veľa lyžiarov, je vyrobené z polypropylénu a vlákno v zimných bundách je vyrobené z akrylu a polyesteru.

Vysokomolekulárna zlúčenina je látka s neobmedzeným rozsahom charakteristík a farieb. Majú mnoho vlastností, ktoré je možné ďalej vylepšiť širokou škálou prísad na rozšírenie aplikácie. Polyméry môžu slúžiť ako základ pre imitáciu bavlny, hodvábu a vlny, porcelánu a mramoru, hliníka a zinku. V potravinárskom priemysle sa používajú na dodanie jedlých vlastností hubám. Napríklad drahý syr s plesňou. Vďaka spracovaniu polymérov sa dá bezpečne jesť.

Spracovanie a aplikácia polymérnych štruktúr

Polyméry môžu byť spracované rôznymi spôsobmi:

• Extrúzia Umožňuje výrobu tenkých vlákien alebo ťažkých masívnych rúrok, fólií, fliaš na potraviny.
• Vstrekovanie umožňuje vytvárať zložité časti, napríklad veľké časti karosérie vozidla.
• Plasty môžu byť odlievané do sudov alebo zmiešané s rozpúšťadlami, aby sa stali lepiacimi základmi alebo farbami.
• Elastoméry a niektoré plasty sa napínajú, majú flexibilitu.
• Niektoré plasty sa počas spracovania rozširujú, aby držali tvar, napríklad fľaše na pitnú vodu.
• Iné polyméry môžu byť penové, napríklad polystyrén, polyuretán a polyetylén.

Vlastnosti vysokomolekulárnych zlúčenín sa líšia v závislosti od mechanického pôsobenia a spôsobu získania látky. To umožňuje ich uplatnenie v rôznych priemyselných odvetviach. Hlavné vysokomolekulárne zlúčeniny majú širší rozsah účelov ako tie, ktoré sa líšia špeciálnymi vlastnosťami a spôsobmi prípravy. Univerzálny a "prihlásiť sa" "nájsť seba" v oblasti potravín a stavebníctva:

1. Vysokomolekulárne zlúčeniny pozostávajú z oleja, ale nie vždy.
2. Mnoho polymérov sa získava z opakujúcich sa článkov vytvorených skôr zo zemného plynu, uhlia alebo ropy.
3. Niektoré stavebné materiály sú vyrobené z obnoviteľných materiálov, ako je kyselina polymliečna (z kukurice alebo celulózy a bavlnených vlákien).

Je tiež zaujímavé, že prakticky neexistuje nič, čo by ich nahradilo:

• Polyméry sa môžu použiť na výrobu predmetov, ktoré nemajú alternatívu z iných materiálov.
• Sú premenené na priehľadné Vodotesné fólie.
• PVC sa používa na výrobu lekárskych skúmaviek a krvných vakov, ktoré predlžujú trvanlivosť produktu a jeho derivátov.
• PVC bezpečne dodáva horľavý kyslík do nehorľavých flexibilných rúrok.
• A antitrombogénny materiál, ako je heparín, môže byť zaradený do kategórie flexibilných PVC katétrov.

Mnoho zdravotníckych pomôcok na zabezpečenie efektívneho fungovania je zameraných na vlastnosti štruktúr vysokomolekulárnych zlúčenín.

Roztoky látok s vysokou molekulovou hmotnosťou a ich vlastnosti

Pretože veľkosť dispergovanej fázy je ťažké merať a koloidy majú formu roztokov, niekedy identifikujú a charakterizujú fyzikálno-chemické a transportné vlastnosti.

Hydrokoloid je definovaný ako koloidný systém, v ktorom častice molekuly vysokomolekulárnych zlúčenín sú hydrofilné polyméry rozptýlené vo vode.

Ďalšími hlavnými hydrokoloidmi sú xantánová guma, arabská guma, guarová guma, rohovníková guma, deriváty celulózy, ako je karboxymetylcelulóza, alginát a škrob.

Interakcia vysokomolekulárnych látok s inými časticami

Nasledujúce sily zohrávajú dôležitú úlohu pri interakcii koloidných častíc:

• Odpudzovanie bez objemu: týka sa to absencie prekrývania medzi pevnými časticami.
• Elektrostatická interakcia: koloidné častice často nesú elektrický náboj, a preto sa navzájom priťahujú alebo odpudzujú. Náboj kontinuálnej aj rozptýlenej fázy, ako aj mobilita fáz sú faktory ovplyvňujúce túto interakciu.
• Van der Waalsove sily: je to spôsobené interakciou medzi dvoma dipólmi, ktoré sú konštantné alebo indukované. Aj keď častice nemajú trvalý dipól, kolísanie hustoty elektrónov vedie k dočasnému dipólu v častici.
• Entropické sily. Podľa druhého zákona termodynamiky systém prechádza do stavu, v ktorom je maximalizovaná entropia. To môže viesť k vytvoreniu účinných síl aj medzi pevnými guľami.
• Sterické sily medzi povrchmi potiahnutými polymérom alebo v roztokoch obsahujúcich nenasiakavý analóg môžu modulovať medzičasticové sily a vytvárať tak ďalšiu sterickú odpudivú silu, ktorá má prevažne entropickú povahu, alebo vyčerpávaciu silu medzi nimi.

Posledný uvedený efekt sa hľadá pomocou špeciálne vyvinutých superplastifikátorov vytvorených na zvýšenie spracovateľnosti betónu a zníženie jeho obsahu vo vode.

Polymérne kryštály: kde sa stretávajú, ako vyzerajú?

Dokonca aj kryštály, ktoré patria do kategórie koloidných látok, patria k vysokomolekulárnym zlúčeninám. Toto je vysoko usporiadané pole častíc, ktoré sa vytvára vo veľmi veľkej vzdialenosti (zvyčajne rádovo niekoľko milimetrov až jeden centimeter) a vyzerá podobne ako ich atómové alebo molekulárne náprotivky.

Tieto sférické častice sa ukladajú vo vysoko kremičitých nádržiach. Tvoria vysoko usporiadané polia po rokoch sedimentácie a kompresie pôsobením hydrostatických a gravitačných síl. Periodické polia sférických častíc submikrometrického rozsahu poskytujú podobné polia vkladacích dutín, ktoré pôsobia ako prírodný difrakčná mriežka pre vlny viditeľného svetla, najmä ak je vzdialenosť medzi vložkami rovnaká rádovo ako dopadajúca svetelná vlna.

Zistilo sa teda, že v dôsledku odpudivých coulombových interakcií môžu elektricky nabité makromolekuly vo vodnom prostredí vykazovať Kryštálové korelácie s dlhým dosahom so vzdialenosťami medzi časticami, ktoré často výrazne presahujú priemer jednotlivých častíc.

Vo všetkých týchto prípadoch majú kryštály prírodnej vysokomolekulárnej zlúčeniny rovnakú brilantnú iridescenciu (alebo hru farieb), ktorú možno pripísať difrakcii a konštruktívnemu rušeniu vĺn viditeľného svetla. Spĺňajú Braggov zákon.

Veľké množstvo experimentov na štúdium takzvaných "koloidných kryštálov" vzniklo v dôsledku relatívne jednoduchých metód vyvinutých za posledných 20 rokov na získanie syntetických monodisperzných koloidov (oba polyméry, a minerálne). Prostredníctvom rôznych mechanizmov sa realizuje a zachováva tvorba diaľkového poriadku.

Stanovenie molekulovej hmotnosti

Molekulová hmotnosť je kritickou vlastnosťou chemikálie, najmä pre polyméry. V závislosti od materiálu vzorky sa vyberajú rôzne metódy:

1. Molekulová hmotnosť, ako aj molekulárna štruktúra molekúl sa môžu určiť pomocou hmotnostnej spektrometrie. Použitím metódy priamej infúzie sa vzorky môžu injikovať priamo do detektora, aby sa potvrdila hodnota známeho materiálu alebo aby sa poskytla štrukturálna charakteristika neznámeho materiálu.
2. Informácie o molekulovej hmotnosti polymérov je možné určiť pomocou metódy, ako je exkluzívna chromatografia podľa viskozity a veľkosti.
3. Na stanovenie molekulovej hmotnosti polymérov je potrebné pochopiť rozpustnosť tohto polyméru.

Celková hmotnosť zlúčeniny sa rovná súčtu jednotlivých atómových hmotností každého atómu v molekule. Postup sa vykonáva podľa vzorca:

1. Určite molekulárny vzorec molekuly.
2. Použite periodickú tabuľku na odhalenie atómovej hmotnosti každého prvku v molekule.
3. Vynásobte atómovú hmotnosť každého prvku počtom atómov tohto prvku v molekule.
4. Výsledné číslo je reprezentované dolným indexom vedľa symbolu prvku v molekulárnom vzorci.
5. Dajte všetky hodnoty dohromady pre každý jednotlivý atóm v molekule.

Príklad jednoduchého výpočtu malej molekulovej hmotnosti: nájsť molekulovú hmotnosť_{alebo NH3}, , prvým krokom je hľadanie atómových hmotností dusíka (N) A vodíka (H). Takže H = 1 00794 N = 14 0067.

Potom vynásobte atómovú hmotnosť každého atómu počtom atómov v zlúčenine. Existuje jeden atóm dusíka (pre jeden atóm nie je uvedený žiadny Dolný index). Existujú tri atómy vodíka, ako je uvedené v dolnom indexe. Tak:

• Molekulová hmotnosť látky = (1 x 14,0067) + (3 x 1,00794)
• Molekulové hmotnosti = 14,0067 + 3,02382
• Výsledok = 17.0305

Príklad výpočtu komplexnej molekulovej hmotnosti Ca₃(PO₄)₂ je zložitejšia možnosť výpočtu:

Z periodickej tabuľky sú atómové hmotnosti každého prvku:

• Ca = 40,078.
• P = 30,973761.
• O = 15.9994.

Zložitá časť je zistiť, koľko z každého atómu je v zlúčenine prítomných. Existujú tri atómy vápnika, dva atómy fosforu a osem atómov kyslíka. Ak je časť spojenia v zátvorkách, vynásobte Dolný index bezprostredne za symbolom prvku dolným indexom, ktorý uzatvára zátvorky. Tak:

• Molekulová hmotnosť látky = (40,078 x 3) + (30,97361 x 2) + (15,9994 x 8).
• Molekulová hmotnosť po počítaní = 120,234 + 61,94722 + 127,9952.
• Výsledok = 310,18.

Analogicky sa počítajú zložité tvary prvkov. Niektoré z nich pozostávajú zo stoviek hodnôt, takže teraz sa používajú automatizované stroje s databázou všetkých hodnôt g / mol.