Spojevi visoke molekularne težine su polimeri koji imaju veliku molekularnu težinu. Mogu biti organski i anorganski spojevi. Razlikovati amorfne i kristalne tvari koje se sastoje od monomernih prstenova. Potonje su makromolekule povezane kemijskim i koordinacijskim vezama. Jednostavno rečeno, visokomolekularni spoj je polimer, odnosno monomerne tvari koje ne mijenjaju svoju masu kada se na njih veže ista "teška" tvar. Inače ćemo govoriti o oligomeru.
Što proučava znanost o makromolekularnim spojevima?
Kemija makromolekularnih polimera je proučavanje molekularnih lanaca koji se sastoje od monomernih podjedinica. Ovo pokriva veliko područje istraživanja. Mnogi polimeri imaju značajnu industrijsku i komercijalnu važnost. U Americi je, uz otkriće prirodnog plina, pokrenut veliki projekt izgradnje pogona za proizvodnju polietilena. Etan iz prirodnog plina se pretvarau etilen, monomer od kojeg se može napraviti polietilen.
Polimer kao makromolekularni spoj je:
- Bilo koja iz klase prirodnih ili sintetičkih tvari sastavljenih od vrlo velikih molekula koje se nazivaju makromolekule.
- Mnoge jednostavnije kemijske jedinice zvane monomeri.
- Polimeri čine mnoge materijale u živim organizmima, uključujući, na primjer, proteine, celulozu i nukleinske kiseline.
- Osim toga, oni čine osnovu minerala kao što su dijamant, kvarc i feldspat, kao i umjetnih materijala kao što su beton, staklo, papir, plastika i guma.
Riječ "polimer" označava neodređeni broj monomernih jedinica. Kada je količina monomera vrlo visoka, spoj se ponekad naziva visokim polimerom. Nije ograničeno na monomere s istim kemijskim sastavom ili molekularnom težinom i strukturom. Neki prirodni organski spojevi visoke molekularne težine sastoje se od jedne vrste monomera.
Međutim, većina prirodnih i sintetičkih polimera nastaje od dvije ili više različitih vrsta monomera; takvi su polimeri poznati kao kopolimeri.
Prirodne tvari: koja je njihova uloga u našim životima?
Organski organski spojevi visoke molekularne težine igraju ključnu ulogu u životima ljudi, osiguravajući osnovne strukturne materijale i sudjelujući u vitalnim procesima.
- Na primjer, čvrsti dijelovi svih biljaka sastoje se od polimera. To uključuje celulozu, lignin i razne smole.
- Pulpa jepolisaharid, polimer sastavljen od molekula šećera.
- Lignin se formira iz složene trodimenzionalne mreže polimera.
- Smole drveća su polimeri jednostavnog ugljikovodika, izoprena.
- Još jedan poznati polimer izoprena je guma.
Drugi važni prirodni polimeri uključuju proteine, koji su polimeri aminokiselina, i nukleinske kiseline. Oni su vrste nukleotida. To su složene molekule sastavljene od baza koje sadrže dušik, šećera i fosforne kiseline.
Nukleinske kiseline nose genetske informacije u stanici. Škrob, važan izvor prehrambene energije iz biljaka, prirodni su polimeri koji se sastoje od glukoze.
Kemija makromolekularnih spojeva oslobađa anorganske polimere. Također ih ima u prirodi, uključujući dijamant i grafit. Oba su napravljena od ugljika. Vrijedi znati:
- U dijamantu, atomi ugljika povezani su u trodimenzionalnu mrežu koja daje materijalu njegovu tvrdoću.
- U grafitu, koji se koristi kao mazivo i u "olovkama", atomi ugljika se vežu u ravninama koje mogu kliziti jedna preko druge.
Mnogi važni polimeri sadrže atome kisika ili dušika, kao i atome ugljika u okosnici. Takvi makromolekularni materijali s atomima kisika uključuju poliacetale.
Najjednostavniji poliacetal je poliformaldehid. Ima visoku točku taljenja, kristalan je, otporan na habanje idjelovanje otapala. Acetalne smole sličnije su metalu od bilo koje druge plastike i koriste se u proizvodnji dijelova strojeva kao što su zupčanici i ležajevi.
Tvari dobivene umjetno
Sintetski makromolekularni spojevi nastaju u različitim vrstama reakcija:
- Mnogi jednostavni ugljikovodici kao što su etilen i propilen mogu se pretvoriti u polimere dodavanjem jednog za drugim monomera u rastući lanac.
- Polietilen, sastavljen od ponavljajućih monomera etilena, je aditivni polimer. Može imati do 10 000 monomera povezanih u duge spiralne lance. Polietilen je kristalan, proziran i termoplastičan, što znači da omekšava kada se zagrijava. Koristi se za premaze, pakiranje, oblikovane dijelove, te boce i posude.
- Polipropilen je također kristalan i termoplastičan, ali tvrđi od polietilena. Njegove molekule mogu se sastojati od 50.000-200.000 monomera.
Ova smjesa se koristi u tekstilnoj industriji i za oblikovanje.
Ostali aditivni polimeri uključuju:
- polibutadien;
- poliizopren;
- polikloropren.
Sve su važne u proizvodnji sintetičke gume. Neki polimeri, kao što je polistiren, su staklasti i prozirni na sobnoj temperaturi, a također su i termoplastični:
- Polistiren se može bojati bilo kojom bojom i koristi se u proizvodnji igračaka i druge plastikestavke.
- Kada se jedan atom vodika u etilenu zamijeni atomom klora, nastaje vinil klorid.
- Polimerizira se u polivinil klorid (PVC), bezbojni, tvrdi, kruti, termoplastični materijal koji se može napraviti u više oblika, uključujući pjene, filmove i vlakna.
- Vinil acetat, proizveden reakcijom između etilena i octene kiseline, polimerizira se u amorfne, meke smole koje se koriste kao premazi i ljepila.
- Kopolimerizira s vinil kloridom da tvori veliku obitelj termoplastičnih materijala.
Linearni polimer karakteriziran ponavljanjem esterskih skupina duž glavnog lanca naziva se poliester. Poliesteri otvorenog lanca su bezbojni, kristalni, termoplastični materijali. Oni sintetski makromolekularni spojevi koji imaju veliku molekularnu masu (od 10.000 do 15.000 molekula) koriste se u proizvodnji filmova.
Rijetki sintetički poliamidi
Poliamidi uključuju prirodne proteine kazeina koji se nalaze u mlijeku i zein koji se nalazi u kukuruzu, a koji se koriste za izradu plastike, vlakana, ljepila i premaza. Vrijedi napomenuti:
- Sintetski poliamidi uključuju urea-formaldehidne smole, koje su termoreaktivne. Koriste se za izradu oblikovanih predmeta te kao ljepila i premazi za tekstil i papir.
- Također su važne poliamidne smole poznate kao najlon. Oni suizdržljiv, otporan na toplinu i habanje, netoksičan. Mogu se bojati. Njegova najpoznatija upotreba je kao tekstilna vlakna, ali imaju i mnoge druge namjene.
Još jedna važna obitelj sintetskih kemijskih spojeva visoke molekularne težine sastoji se od linearnih ponavljanja uretanske skupine. Poliuretani se koriste u proizvodnji elastomernih vlakana poznatih kao spandex i u proizvodnji osnovnih premaza.
Druga klasa polimera su miješani organsko-anorganski spojevi:
- Najvažniji predstavnici ove obitelji polimera su silikoni. Spojevi visoke molekularne težine sadrže naizmjenične atome silicija i kisika s organskim skupinama vezanim za svaki od atoma silicija.
- Silikoni niske molekularne težine su ulja i masti.
- Vrste veće molekularne težine su svestrani elastični materijali koji ostaju mekani čak i na vrlo niskim temperaturama. Također su relativno stabilni na visokim temperaturama.
Polimer može biti trodimenzionalni, dvodimenzionalni i pojedinačni. Ponavljajuće jedinice često se sastoje od ugljika i vodika, a ponekad i kisika, dušika, sumpora, klora, fluora, fosfora i silicija. Da bi se stvorio lanac, mnoge jedinice su kemijski povezane ili polimerizirane zajedno, čime se mijenjaju karakteristike spojeva visoke molekularne težine.
Koje značajke imaju makromolekularne tvari?
Većina proizvedenih polimera je termoplastična. Nakonpolimer se formira, može se ponovno zagrijati i reformirati. Ovo svojstvo olakšava rukovanje. Druga skupina termoreta ne može se ponovno rastopiti: nakon što se polimeri formiraju, ponovno zagrijavanje će se razgraditi, ali ne i rastopiti.
Karakteristike makromolekularnih spojeva polimera na primjeru pakiranja:
- Može biti vrlo otporan na kemikalije. Uzmite u obzir sve tekućine za čišćenje u vašem domu koje su pakirane u plastiku. Opisane su sve posljedice kontakta s očima, ali kožom. Ovo je opasna kategorija polimera koja sve otapa.
- Dok se neke plastike lako deformiraju otapalima, druge plastike se stavljaju u nelomljiva pakiranja za agresivna otapala. Nisu opasni, ali mogu samo naštetiti ljudima.
- Otopine makromolekularnih spojeva najčešće se isporučuju u jednostavnim plastičnim vrećicama kako bi se smanjio postotak njihove interakcije s tvarima unutar spremnika.
Kao opće pravilo, polimeri su vrlo male težine sa značajnim stupnjem čvrstoće. Razmotrite niz namjena, od igračaka do strukture okvira svemirskih stanica, ili od tankih najlonskih vlakana u tajicama do kevlara koji se koristi u oklopima. Neki polimeri plutaju u vodi, drugi tonu. U usporedbi s gustoćom kamena, betona, čelika, bakra ili aluminija, sve plastike su lagani materijali.
Svojstva makromolekularnih spojeva su različita:
- Polimeri mogu poslužiti kao toplinski i električni izolatori: aparati, kabeli, električne utičnice i ožičenje izrađeno ili obloženo polimernim materijalima.
- Kuhinjski aparati otporni na toplinu s ručkama za lonce i tave od smole, ručkama lonaca za kavu, pjenom za hladnjak i zamrzivač, izoliranim šalicama, rashladnim uređajima i priborom za mikrovalnu pećnicu.
- Termo donje rublje koje nose mnogi skijaši izrađeno je od polipropilena, dok su vlakna zimskih jakni izrađena od akrila i poliestera.
Spojevi visoke molekularne težine su tvari s neograničenim rasponom karakteristika i boja. Imaju mnoga svojstva koja se mogu dodatno poboljšati širokim rasponom aditiva za proširenje primjene. Polimeri mogu poslužiti kao osnova za imitaciju pamuka, svile i vune, porculana i mramora, aluminija i cinka. U prehrambenoj industriji koriste se za davanje gljivama jestivih svojstava. Na primjer, skupi plavi sir. Može se sigurno jesti zahvaljujući preradi polimera.
Obrada i primjena polimernih struktura
Polimeri se mogu obraditi na različite načine:
- Ektruzija omogućuje proizvodnju tankih vlakana ili teških masivnih cijevi, filmova, boca za hranu.
- Injektiranje omogućuje stvaranje složenih dijelova, kao što su veliki dijelovi karoserije automobila.
- Plastika se može lijevati u bačve ili miješati s otapalima kako bi postala ljepljive baze ili boje.
- Elastomeri i neke plastike su rastezljive i fleksibilne.
- Neke plastike se šire tijekom obrade kako bi zadržale svoj oblik, kao što su boce s pitkom vodom.
- Drugi polimeri se mogu pjeniti, kao što su polistiren, poliuretan i polietilen.
Svojstva makromolekularnih spojeva variraju ovisno o mehaničkom djelovanju i načinu dobivanja tvari. To omogućuje njihovu primjenu u raznim industrijama. Glavni makromolekularni spojevi imaju širi raspon namjena od onih koji se razlikuju po posebnim svojstvima i načinima pripreme. Univerzalni i "kaprici" "nađu se" u prehrambenom i građevinskom sektoru:
- Spojevi visoke molekularne težine sastoje se od ulja, ali ne uvijek.
- Mnogi polimeri su napravljeni od ponavljajućih jedinica prethodno formiranih od prirodnog plina, ugljena ili sirove nafte.
- Neki građevinski materijali izrađeni su od obnovljivih materijala kao što je polimliječna kiselina (od kukuruza ili celuloze i pamuka).
Zanimljivo je da ih je gotovo nemoguće zamijeniti:
- Polimeri se mogu koristiti za izradu predmeta koji nemaju druge materijalne alternative.
- Izrađuju se u prozirne vodootporne folije.
- PVC se koristi za izradu medicinskih cijevi i vrećica za krv koje produžuju vijek trajanja proizvoda i njegovih derivata.
- PVC sigurno isporučuje zapaljivi kisik u nezapaljive fleksibilne cijevi.
- A antitrombogeni materijal kao što je heparin može se uključiti u kategoriju fleksibilnih PVC katetera.
Mnogi medicinski uređaji fokusiraju se na strukturne značajke makromolekularnih spojeva kako bi se osiguralo učinkovito funkcioniranje.
Otopine makromolekularnih tvari i njihova svojstva
Budući da je veličinu dispergirane faze teško izmjeriti, a koloidi su u obliku otopina, ponekad identificiraju i karakteriziraju fizikalno-kemijska i transportna svojstva.
| koloidna faza | Teško | Čisto rješenje | Dimenzionalni indikatori |
| Ako se koloid sastoji od čvrste faze dispergirane u tekućini, čvrste čestice neće difundirati kroz membranu. | Otopljeni ioni ili molekule će difundirati kroz membranu pri punoj difuziji. | Zbog isključenja veličine, koloidne čestice ne mogu proći kroz pore UF membrane manje od njihove vlastite veličine. | |
| Koncentracija u sastavu otopina makromolekularnih spojeva | Točna koncentracija stvarne otopljene tvari ovisit će o eksperimentalnim uvjetima koji se koriste za odvajanje od koloidnih čestica također raspršenih u tekućini. | Ovisi o reakciji makromolekularnih spojeva pri provođenju studija topljivosti za lako hidrolizirane tvari kao što su Al, Eu, Am, Cm. | Što je manja veličina pora ultrafiltracijske membrane, to je niža koncentracijaraspršene koloidne čestice preostale u ultrafiltriranoj tekućini. |
Hidrokoloid je definiran kao koloidni sustav u kojem su čestice makromolekularnih molekula hidrofilni polimeri raspršeni u vodi.
| Ovisnost o vodi | ovisnost o toplini | Ovisnost o načinu proizvodnje |
| Hidrokoloidi su koloidne čestice raspršene u vodi. U ovom slučaju, omjer dviju komponenti utječe na oblik polimera - gel, pepeo, tekuće stanje. | Hidrokoloidi mogu biti nepovratni (u jednom stanju) ili reverzibilni. Na primjer, agar, reverzibilni hidrokoloid ekstrakta morskih algi, može postojati u gelu i čvrstom stanju ili izmjenjivati stanja uz dodavanje ili uklanjanje topline. | Dobivanje makromolekularnih spojeva, poput hidrokoloida, ovisi o prirodnim izvorima. Na primjer, agar-agar i karagenan ekstrahiraju se iz morskih algi, želatina se dobiva hidrolizom goveđih i ribljih proteina, a pektin se ekstrahira iz kore citrusa i komine jabuke. |
| Želatinski deserti, napravljeni od praha, imaju drugačiji hidrokoloid u svom sastavu. On je obdaren s manje tekućine. | Hidrokoloidi se koriste u hrani uglavnom kako bi utjecali na teksturu ili viskoznost (npr. umak). Međutim, konzistencija već ovisi o načinu toplinske obrade. | Medicinski zavoji na bazi hidrokoloida koriste se za liječenje kože i rana. NAproizvodnja se temelji na potpuno drugačijoj tehnologiji, a koriste se isti polimeri. |
Drugi glavni hidrokoloidi su ksantan guma, arapska guma, guar guma, guma rogača, derivati celuloze kao što su karboksimetil celuloza, alginat i škrob.
Interakcija makromolekularnih tvari s drugim česticama
Sljedeće sile igraju važnu ulogu u interakciji koloidnih čestica:
- Odbijanje bez obzira na volumen: ovo se odnosi na nedostatak preklapanja između čvrstih čestica.
- Elektrostatička interakcija: Koloidne čestice često nose električni naboj i stoga se međusobno privlače ili odbijaju. Naboj i kontinuirane i raspršene faze, kao i pokretljivost faza, čimbenici su koji utječu na ovu interakciju.
- Van der Waalsove sile: To je zbog interakcije između dva dipola, koji su ili trajni ili inducirani. Čak i ako čestice nemaju trajni dipol, fluktuacije elektronske gustoće rezultiraju privremenim dipolom u čestici.
- Entropijske sile. Prema drugom zakonu termodinamike, sustav prelazi u stanje u kojem je entropija maksimizirana. To može dovesti do stvaranja učinkovitih sila čak i između tvrdih sfera.
- Steričke sile između površina obloženih polimerom ili u otopinama koje sadrže neadsorbirajući analog mogu modulirati međučestične sile, stvarajući dodatnu steričku silu odbijanja kojaje pretežno entropske prirode, ili sila iscrpljivanja između.
Potonji učinak traži se sa posebno formuliranim superplastifikatorima dizajniranim da povećaju obradivost betona i smanje njegov sadržaj vode.
Polimerni kristali: gdje se nalaze, kako izgledaju?
Visokomolekularni spojevi uključuju čak i kristale, koji su uključeni u kategoriju koloidnih tvari. Ovo je visoko uređeni niz čestica koje se formiraju na vrlo velikoj udaljenosti (obično reda veličine od nekoliko milimetara do jednog centimetra) i izgledaju slično svojim atomskim ili molekularnim kolegama.
| Naziv transformiranog koloida | Primjer narudžbe | Proizvodnja |
| Precious Opal | Jedan od najboljih prirodnih primjera ovog fenomena nalazi se u čistoj spektralnoj boji kamena | Ovo je rezultat tijesno zbijenih sfera amorfnog koloidnog silicijevog dioksida (SiO2) |
Ove sferne čestice taložene su u rezervoarima s visokim sadržajem silicija. Oni tvore visoko uređene masive nakon godina taloženja i kompresije pod djelovanjem hidrostatskih i gravitacijskih sila. Periodični nizovi submikrometarskih sfernih čestica pružaju slične nizove međuprostornih praznina koje djeluju kao prirodna difrakcijska rešetka za vidljive svjetlosne valove, posebno kada je međuprostorni razmak istog reda veličine kao i upadni svjetlosni val.
Tako je utvrđeno da zbog odbojnostiCoulombove interakcije, električno nabijene makromolekule u vodenom mediju mogu pokazati korelacije poput kristala dugog dometa s udaljenostima između čestica često mnogo većim od promjera pojedinačnih čestica.
U svim ovim slučajevima, kristali prirodnog makromolekularnog spoja imaju istu briljantnu iridescenciju (ili igru boja), što se može pripisati difrakciji i konstruktivnoj interferenciji valova vidljive svjetlosti. Zadovoljavaju Braggov zakon.
Veliki broj eksperimenata na proučavanju takozvanih "koloidnih kristala" nastao je kao rezultat relativno jednostavnih metoda razvijenih tijekom posljednjih 20 godina za dobivanje sintetskih monodisperznih koloida (polimernih i mineralnih). Različitim mehanizmima ostvaruje se i čuva formiranje dalekometnog reda.
Određivanje molekularne težine
Molekularna težina je kritično svojstvo kemikalije, posebno za polimere. Ovisno o materijalu uzorka, odabiru se različite metode:
- Molekularna težina kao i molekularna struktura molekula mogu se odrediti pomoću masene spektrometrije. Korištenjem metode izravne infuzije, uzorci se mogu ubrizgati izravno u detektor kako bi se potvrdila vrijednost poznatog materijala ili pružila strukturna karakterizacija nepoznatog.
- Informacije o molekularnoj težini polimera mogu se odrediti metodom kao što je kromatografija isključivanja veličine za viskozitet i veličinu.
- ZaOdređivanje molekularne težine polimera zahtijeva razumijevanje topivosti danog polimera.
Ukupna masa spoja jednaka je zbroju pojedinačnih atomskih masa svakog atoma u molekuli. Postupak se provodi prema formuli:
- Odredite molekularnu formulu molekule.
- Koristite periodni sustav da pronađete atomsku masu svakog elementa u molekuli.
- Pomnožite atomsku masu svakog elementa s brojem atoma tog elementa u molekuli.
- Rezultirajući broj predstavljen je indeksom pored simbola elementa u molekularnoj formuli.
- Povežite sve vrijednosti zajedno za svaki pojedinačni atom u molekuli.
Primjer jednostavnog izračuna niske molekularne težine: Da biste pronašli molekularnu težinu NH3, prvi korak je pronaći atomske mase dušika (N) i vodika (H). Dakle, H=1, 00794N=14, 0067.
Zatim pomnožite atomsku masu svakog atoma s brojem atoma u spoju. Postoji jedan atom dušika (za jedan atom nije dan indeks). Postoje tri atoma vodika, kao što je naznačeno indeksom. Dakle:
- Molekularna težina tvari=(1 x 14,0067) + (3 x 1,00794)
- Molekularne težine=14,0067 + 3,02382
- Rezultat=17, 0305
Primjer izračunavanja kompleksne molekularne težine Ca3(PO4)2 je složenija opcija izračuna:
Iz periodnog sustava, atomske mase svakog elementa:
- Ca=40, 078.
- P=30, 973761.
- O=15,9994.
Zamršen dio je otkriti koliko je svakog atoma u spoju. Postoje tri atoma kalcija, dva atoma fosfora i osam atoma kisika. Ako je dio za spajanje u zagradama, pomnožite indeks odmah nakon znaka elementa s indeksom koji zatvara zagrade. Dakle:
- Molekularna težina tvari=(40,078 x 3) + (30,97361 x 2) + (15,9994 x 8).
- Molekularna težina nakon izračuna=120, 234 + 61, 94722 + 127, 9952.
- Rezultat=310, 18.
Složeni oblici elemenata izračunavaju se analogno. Neki od njih se sastoje od stotina vrijednosti, pa se sada koriste automatizirani strojevi s bazom podataka svih g/mol vrijednosti.
