Классификация полимеров

Размещено на http://www.allbest.ru/

7

КЛАССИФИКАЦИЯ ПОЛИМЕРОВ

Способность элемента образовывать полимерные соединения зависит от его положения в периодической системе Д. И. Менделеева.

Элементы первой группы, а также одновалентные элементы других групп (водород, галогены) вообще не способны образовывать полимеры, так как для образования цепи элемент должен иметь по крайней мере две валентности. Все остальные элементы могут давать гомоцепные или гетероцепные полимерные соединения, устойчивость которых зависит от прочности связи между атомами.

Таблица 1. Энергия связи между одинаковыми атомами (гомоцепные полимеры)

Таблица 2. Энергия связи между разными атомами (гетероцепные полимеры)

В табл. 1 и 2 приведены значения энергий связи между одинаковыми и разными атомами.

Из табл. 1 видно, что наиболее прочными являются связи между атомами углерода и наименее прочными -- между атомами азота и кислорода. Невозможность получения гомоцепных полимерных соединений кислорода и азота объясняется, по-видимому, малюй прочностью связей N--N и О--О.

Все остальные элементы могут образовывать гомоцепные полимеры.

В образовании гетероцепных полимерных соединений может участвовать значительно большее число элементов. Значения энергий связи между атомами в гетероцепных соединениях выше, чем во многих гомоцепных соединениях (см. табл. 2). Особенно прочные связи образует бор с кислородом и азотом, кремний с кислородом.

Полимерные соединения с такими связями -- высокопрочные и высокоплавкие вещества.

Выше указывалось, что полимеры делятся на органические, элементоорганические и неорганические. Однако точное разграничение этих трех классов очень затруднительно, так как между ними имеется много различных промежуточных соединений. В основу используемого в данной книге деления полимеров положена классификация по химическому составу, предложенная А. А. Берлиным и В. П. Парини.

К органическим полимерам относятся соединения, содержащие, кроме атомов углерода, атомы водорода, кислорода, азота, серы, галогенов, даже в том случае, если кислород, азот или сера входят в состав главной цепи.

К органическим полимерам относятся также полимерные вещества, в состав молекул которых могут входить и другие элементы, если атомы этих элементов не образуют главную цепь и не соединены непосредственно с атомами углерода (например, соли органических поликислот и др.).

К элементоорганическим полимерам относятся:

а)соединения, цепи которых построены из атомов углерода и гетероатомов (за исключением атомов азота, серы и кислорода);

б)соединения с неорганическими цепями, если они содержат боковые группы с атомами углерода, присоединенными непосредственно к цепи;

в)соединения, главная цепь которых состоит из атомов углерода, а в боковые группы входят гетероатомы (за исключением атомов азота, серы, кислорода и галогенов), непосредственно соединенные с углеродными атомами цепи.

Неорганические полимеры -- это полимеры, не содержащие атомов углерода.

В настоящее время вопрос о том, какие неорганические соединения следует относить к полимерам, не совсем ясен. По-видимому, при решении его следует учитывать прежде всего тип связи, характерной для соединения. Например, металлы не относят к полимерам, для металлов характерна так называемая металлическая связь, под которой подразумевают соединение ионов в кристалле при помощи свободных подвижных электронов. Обычные соли также не относятся к полимерам, так как, несмотря на наличие ионных химических связей, соли в разбавленных растворах диссоциируют на ионы.

К неорганическим полимерным соединениям следует относить соединения, цепи которых построены из разных атомов, соединенных химическими связями, в то время как между самими цепями действуют более слабые межмолекулярные силы.

Как уже указывалось, элементы I группы не образуют полимерных соединений; элементы II группы (бериллий, кадмий и т. д.) образуют гетероцепные полимеры. Окись магния, например, имеет следующее полимерное строение:

Особенно большое значение имеют гетероцепные полимерные соединения элементов III й IV групп периодической системы Д. И. Менделеева.

Ниже приведены важнейшие органические, элементоорганические и неорганические полимеры, физико-химические свойства которых рассматриваются в дальнейшем изложении.

Органические и элементоорганические полимеры

Органические полимеры в соответствии с принятой в органической химии классификацией можно разделить на следующие классы (табл. 3).

Неорганические полимеры

Неорганические полимеры еще очень мало изучены, и в настоящее время разделение их на классы затруднительно. Поэтому ниже перечислены только наиболее типичные неорганические полимеры, содержащие элементы IV--VI групп периодической системы Д. И. Менделеева.

Гомоцепные полимеры элементов IV--VI групп. Все элементы IV группы могут образовывать линейные цепи, аналогичные цепям полиэтилена

Элементы V группы обычно существуют в виде низкомолекулярных соединений, но при определенных условиях они могут превратиться в полимер.

Белый фосфор состоит из молекул Р₄, построенных в форме тетраэдра. При нагревании он переходит в полимер. Красный фосфор получается при нагревании белой модификации до 500° С. Это менее упорядоченная форма полимерного фосфора. Наиболее упорядоченной формой является черный фосфор_t образующийся при нагревании белого фосфора при 200°С и давлении 12 000 ат. Это полимерное соединение, имеющее подобно графиту слоистую решетку.

Мышья/с при нагревании полимеризуется, образуя при сравнительно низких температурах аморфный полимерный мышьяк, а при 270° С -- ромбоэдрический кристаллический полимерный мышьяк. Известны полимерные формы сурьмы, аналогичные красному фосфору и аморфному мышьяку.

Очень склонны к образованию линейных гомоцепных полимерных соединений сера и селен (VI группа).

Обычная ромбоэдрическая сера имеет циклические молекулы, содержащие 8 атомов серы. При нагревании серы в расплавленном состоянии происходит превращение цикла в линейный полимер

Гетероцепные полимеры. Ниже перечислены некоторые гетероцепные полимеры элементов III и IV групп периодической системы. Так, например, полимерное строение имеет бороводород

Нитрид бора представляет собой полимер графитоподобной структуры. Боразол при комнатной температуре полимеризуется с образованием полимера.

Типичными полимерными веществами являются аморфные двуокись кремния и поликремневая кислота

Такие неорганические соединения, как карбид бора В₄С, прокаленная окись алюминия (корунд) А1₂0₃, карбид кремния (карборунд) SiC, нецелесообразно относить к полимерам. Эти вещества, имеющие высокие температуры плавления (2000--2600°С), близки по структуре и свойствам к алмазу и являются обычными твердыми кристаллическими телами.

Полимерным строением обладают также природные и синтетические силикаты и алюмосиликаты.

Силикаты -- это соли кремневых кислот общей формулы , где Э -- атомы Na, Са, Al, Mg и т. д.

У большинства силикатов атомы в цепи соединены ковалентными связями, а цепи между собой -- ионными связями

Такая цепь называется пироксеновой.

Силикаты могут иметь слоистую или трехмерную кристаллическую структуру (например, кварц). К слоистым силикатам относятся тальк , разновидности природного асбеста, например хризотил-асбест

Полимерное строение имеют силикатные стекла, основной составной частью которых является SiO₂. Наличие в стекле металлов (К и Na) приводит к нарушению eго кристаллической структуры, поэтому при обычных условиях силикатные стекла аморфны.

Из полимерных соединений этого типа, следует упомянуть цемент (общее название многочисленных минеральных вяжущих веществ), состоящий главным образом из различных силикатов, и бетон.

К природным алюмосиликатам со слоистой структурой относятся каолиниты, монтмориллониты и цеолиты. Синтетические цеолиты называются пермутитами; примером синтетических цеолитов может служить натриевый пермутит

Некоторые природные высокомолекулярные вещества, применяемые в промышленности

Наиболее типичными природными высокомолекулярными веществами являются натуральный каучук и гуттаперча, макромолекулы которых построены из остатков изопрена, различные полисахариды (целлюлоза, крахмал и др.) и белки. Химическое строение натурального каучука (полиизопрен), целлюлозы, крахмала и их производных хорошо известно.

Ниже очень кратко описаны некоторые природные высокомолекулярные соединения, применяемые в промышленности, химическое строение которых полностью не изучено. Большинство из них представляет собой белковые вещества.

Из простых белков следует назвать альбумин и глобулин. К более сложным белкам относятся казеин, кератины и коллаген.

Казеин -- сложный белок, образующийся из казеиногена (важнейшая составная часть молока, творога и сыра) при его свертывании под действием ферментов. Кроме атомов углерода, водорода, кислорода и азота в казеине содержится фосфор. полимер высокомолекулярное вещество

Кератины -- белковые вещества, являющиеся главной составной частью тканей, выполняющих в животных организмах покровные и защитные функции (кожа, рог, волос, шерсть). Кератины характеризуются высоким содержанием серы.

Коллаген -- белковое вещество, являющееся главной составной частью соединительной ткани; в частности, очень много коллагена содержится в костях животных.

Специальной обработкой костей, рога и кожи животных в промышленности получают желатин -- смесь белковых веществ животного происхождения. В промышленности наряду с желатином широко применяется агар-агар -- продукт, выделяемый из некоторых видов морских водорослей, в котором содержится до 85--90% углеводов, главным образом полисахаридов (пентозаны, гексозаны, галактаны).

Размещено на Allbest.ru