Классификация и свойства полимеров

Размещено на http://www.allbest.ru/

ПОЛИМЕРЫ

ученика 9-А класса

Сазонова Кирилла

Мариуполь 2011

Введение

Полимеры (от греч. polymeres - состоящий из многих частей, многообразный), химические соединения с высокой молекулярной массой (от нескольких тысяч до многих миллионов), молекулы которых (макромолекулы) состоят из большого числа повторяющихся группировок (мономерных звеньев). Атомы, входящие в состав макромолекул, соединены друг с другом силами главных и (или) координационных валентностей.

Классификация

По происхождению П. делятся на природные (биополимеры), например белки, нуклеиновые кислоты, смолы природные, и синтетические, например полиэтилен, полипропилен, феноло-формальдегидные смолы.

Атомы или атомные группы могут располагаться в макромолекуле в виде:

- открытой цепи или вытянутой в линию последовательности циклов (линейные П., например каучук натуральный);

- цепи с разветвлением (разветвленные П., например амилопектин);

- трёхмерной сетки (сшитые П., например отверждённые эпоксидные смолы).

П., молекулы которых состоят из одинаковых мономерных звеньев, называются гомополимерами, например поливинилхлорид, поликапроамид, целлюлоза.

Макромолекулы одного и того же химического состава могут быть построены из звеньев различной пространственной конфигурации. Если макромолекулы состоят из одинаковых стереоизомеров или из различных стереоизомеров, чередующихся в цепи в определённой периодичности, П. называются стереорегулярными (см. Стереорегулярные полимеры).

П., макромолекулы которых содержат несколько типов мономерных звеньев, называются сополимерами. Сополимеры, в которых звенья каждого типа образуют достаточно длинные непрерывные последовательности, сменяющие друг друга в пределах макромолекулы, называются блок-сополимерами. К внутренним (не концевым) звеньям макромолекулы одного химического строения могут быть присоединены одна или несколько цепей другого строения. Такие сополимеры называются привитыми (см. также Сополимеры).

П., в которых каждый или некоторые стереоизомеры звена образуют достаточно длинные непрерывные последовательности, сменяющие друг друга в пределах одной макромолекулы, называются стереоблок-сополимерами.

В зависимости от состава основной (главной) цепи П. делят на: гетероцепные, в основной цепи которых содержатся атомы различных элементов, чаще всего углерода, азота, кремния, фосфора, и гомоцепные, основные цепи которых построены из одинаковых атомов. Из гомоцепных П. наиболее распространены карбоцепные П., главные цепи которых состоят только из атомов углерода, например полиэтилен, полиметилметакрилат, политетрафторэтилен. Примеры гетероцепных П. - полиэфиры (полиэтилентерефталат, поликарбонаты и др.), полиамиды, мочевиноформальдегидные смолы, белки, некоторые кремнийорганические полимеры. П., макромолекулы которых наряду с углеводородными группами содержат атомы неорганогенных элементов, называются элементоорганическими (см. Элементоорганические полимеры). Отдельную группу П. образуют неорганические полимеры, например пластическая сера, полифосфонитрилхлорид (см. Неорганические полимеры).

Свойства и важнейшие характеристики

Линейные П. обладают специфическим комплексом физико-химических и механических свойств. Важнейшие из этих свойств:

- способность образовывать высокопрочные анизотропные высокоориентированные волокна и плёнки (см. Полимеров ориентированное состояние);

- способность к большим, длительно развивающимся обратимым деформациям (см. Высокоэластическое состояние);

- способность в высокоэластическом состоянии набухать перед растворением;

- высокая вязкость растворов (см. Растворы полимеров, Набухание).

Этот комплекс свойств обусловлен высокой молекулярной массой, цепным строением, а также гибкостью макромолекул. При переходе от линейных цепей к разветвленным, редким трёхмерным сеткам и, наконец, к густым сетчатым структурам этот комплекс свойств становится всё менее выраженным. Сильно сшитые П. нерастворимы, неплавкие и неспособные к высокоэластическим деформациям.

П. могут существовать в кристаллическом и аморфном состояниях. Необходимое условие кристаллизации - регулярность достаточно длинных участков макромолекулы. В кристаллических П. возможно возникновение разнообразных надмолекулярных структур (фибрилл, сферолитов, монокристаллов и др.), тип которых во многом определяет свойства полимерного материала. Надмолекулярные структуры в незакристаллизованных (аморфных) П. менее выражены, чем в кристаллических.

Незакристаллизованные П. могут находиться в трёх физических состояниях: стеклообразном, высокоэластическом и вязкотекучем. П. с низкой (ниже комнатной) температурой перехода из стеклообразного в высокоэластическое состояние называются эластомерами, с высокой - пластиками. В зависимости от химического состава, строения и взаимного расположения макромолекул свойства П. могут меняться в очень широких пределах. Так, 1,4-цис-полибутадиен, построенный из гибких углеводородных цепей, при температуре около 20^оС - эластичный материал, который при температуре - 60^оС переходит в стеклообразное состояние; полиметилметакрилат, построенный из более жёстких цепей, при температуре около 20^оС - твёрдый стеклообразный продукт, переходящий в высокоэластическое состояние лишь при 100^оС. Целлюлоза - полимер с очень жёсткими цепями, соединёнными межмолекулярными водородными связями, вообще не может существовать в высокоэластическое состоянии до температуры её разложения. Большие различия в свойствах П. могут наблюдаться даже в том случае, если различия в строении макромолекул на первый взгляд и невелики. Так, стереорегулярный полистирол - кристаллическое вещество с температурой плавления около 235^оС, а нестереорегулярный (атактический) вообще не способен кристаллизоваться и размягчается при температуре около 80^оС.

П. могут вступать в следующие основные типы реакций:

- образование химических связей между макромолекулами (т.н. сшивание), например при вулканизации каучуков, дублении кожи;

- распад макромолекул на отдельные, более короткие фрагменты (см. Деструкция полимеров);

- реакции боковых функциональных групп П. с низкомолекулярными веществами, не затрагивающие основную цепь (т.н. полимераналогичные превращения);

- внутримолекулярные реакции, протекающие между функциональными группами одной макромолекулы, например внутримолекулярная циклизация.

Сшивание часто протекает одновременно с деструкцией. Примером полимераналогичных превращений может служить омыление поливинилацетата, приводящее к образованию поливинилового спирта. Скорость реакций П. с низкомолекулярными веществами часто лимитируется скоростью диффузии последних в фазу П. Наиболее явно это проявляется в случае сшитых П. Скорость взаимодействия макромолекул с низкомолекулярными веществами часто существенно зависит от природы и расположения соседних звеньев относительно реагирующего звена. Это же относится и к внутримолекулярным реакциям между функциональными группами, принадлежащими одной цепи.

Некоторые свойства П., например растворимость, способность к вязкому течению, стабильность, очень чувствительны к действию небольших количеств примесей или добавок, реагирующих с макромолекулами. Так, чтобы превратить линейный П. из растворимого в полностью нерастворимый, достаточно образовать на одну макромолекулу 1-2 поперечные связи.

Важнейшие характеристики полимеров

Химический состав, молекулярная масса и молекулярно-массовое распределение, степень разветвлённости и гибкости макромолекул, стереорегулярность и др. Свойства П. существенно зависят от этих характеристик.

Получение. Природные П. образуются в процессе биосинтеза в клетках живых организмов. С помощью экстракции, фракционного осаждения и др. методов они могут быть выделены из растительного и животного сырья. Синтетические П. получают полимеризацией и поликонденсацией. Карбоцепные П. обычно синтезируют полимеризацией мономеров с одной или несколькими кратными углерод-углеродными связями или мономеров, содержащих неустойчивые карбоциклические группировки (например, из циклопропана и его производных). Гетероцепные П. получают поликонденсацией, а также полимеризацией мономеров, содержащих кратные связи углерод-элемент (например, С = О, С є N, N = С = О) или непрочные гетероциклические группировки (например, в окисях олефинов, лактамах).

Применение

полимер макромолекула химический линейный

Благодаря механической прочности, эластичности, электроизоляционным и др. ценным свойствам изделия из П. применяют в различных отраслях промышленности и в быту. Основные типы полимерных материалов - пластические массы, резины, волокна (см. Волокна текстильные, Волокна химические), лаки, краски, клеи, ионообменные смолы. Значение биополимеров определяется тем, что они составляют основу всех живых организмов и участвуют практически во всех процессах жизнедеятельности.

Историческая справка

Термин "полимерия" был введён в науку И. Берцелиусом в 1833 для обозначения особого вида изомерии, при которой вещества (полимеры), имеющие одинаковый состав, обладают различной молекулярной массой, например этилен и бутилен, кислород и озон. Т. о., содержание термина не соответствовало современным представлениям о П. "Истинные" синтетические полимеры к тому времени ещё не были известны.

Ряд П. был, по-видимому, получен ещё в 1-й половине 19 в. Однако химики тогда обычно пытались подавить полимеризацию и поликонденсацию, которые вели к "осмолению" продуктов основной химической реакции, т. е., собственно, к образованию П. (до сих пор П. часто называли "смолами"). Первые упоминания о синтетических П. относятся к 1838 (поливинилдиенхлорид) и 1839 (полистирол).

Химия П. возникла только в связи с созданием А М. Бутлеровым теории химического строения (начало 60-х гг. 19 в.). А.М. Бутлеров изучал связь между строением и относительной устойчивостью молекул, проявляющейся в реакциях полимеризации. Дальнейшее своё развитие (до конца 20-х гг. 20 в.) наука о П. получила главным образом благодаря интенсивным поискам способов синтеза каучука, в которых участвовали крупнейшие учёные многих стран (Г. Бушарда, У. Тилден, нем. учёный К. Гарриес, И.Л. Кондаков, С.В. Лебедев и др.). В 30-х гг. было доказано существование свободнорадикального (Г. Штаудингер и др.) и ионного (американский учёный Ф. Уитмор и др.) механизмов полимеризации. Большую роль в развитии представлений о поликонденсации сыграли работы У. Карозерса.

С начала 20-х гг. 20 в. развиваются также теоретические представления о строении П. Вначале предполагалось, что такие биополимеры, как целлюлоза, крахмал, каучук, белки, а также некоторые синтетические П., сходные с ними по свойствам (например, полиизопрен), состоят из малых молекул, обладающих необычной способностью ассоциировать в растворе в комплексы коллоидной природы благодаря нековалентным связям (теория "малых блоков"). Автором принципиально нового представления о полимерах как о веществах, состоящих из макромолекул, частиц необычайно большой молекулярной массы, был Г. Штаудингер. Победа идей этого учёного (к началу 40-х гг. 20 в.) заставила рассматривать П. как качественно новый объект исследования химии и физики.

Литература

1. Энциклопедия полимеров. - Т. 1-2. ? М., 1972-74.

2. Стрепихеев А.А., Деревицкая В.А., Слонимский Г.Л. Основы химии высокомолекулярных соединений. - 2 изд. ? М., 1967.

3. Лосев И.П., Тростянская Е.Б. Химия синтетических полимеров. - 2 изд. ? М., 1964.

4. Коршак В.В. Общие методы синтеза высокомолекулярных соединений. ? М., 1953.

5. Каргин В.А., Слонимский Г.Л. Краткие очерки по физике-химии полимеров. - 2 изд. ? М., 1967.

6. Оудиан Дж. Основы химии полимеров. / Пер. с англ. ? М., 1974.

7. Тагер А.А. Физикохимия полимеров. - 2 изд. ? М., 1968.

8. Тенфорд Ч. Физическая химия полимеров. / Пер. с англ. ? М., 1965.

Размещено на Allbest.ru