Kõrge molekulmassiga ühendid on polümeerid, millel on suur molekulmass. Need võivad olla orgaanilised ja anorgaanilised ühendid. Eristatakse amorfseid ja kristalseid aineid, mis koosnevad monomeersetest rõngastest. Viimased on keemiliste ja koordinatsioonisidemetega ühendatud makromolekulid. Lihtsam alt öeldes on kõrgmolekulaarne ühend polümeer, see tähendab monomeersed ained, mis ei muuda oma massi, kui neile on kinnitatud sama "raske" aine. Muidu räägime oligomeerist.
Mida uurib makromolekulaarsete ühendite teadus?
Makromolekulaarsete polümeeride keemia on monomeersetest subühikutest koosnevate molekulaarsete ahelate uurimine. See hõlmab tohutut uurimisvaldkonda. Paljud polümeerid on olulise tööstusliku ja kaubandusliku tähtsusega. Ameerikas käivitati koos maagaasi avastamisega suur projekt polüetüleeni tootmise tehase ehitamiseks. Maagaasist saadav etaan muundatakseetüleeniks, monomeeriks, millest saab valmistada polüetüleeni.
Polümeer kui makromolekulaarne ühend on:
- Mistahes looduslike või sünteetiliste ainete klass, mis koosnevad väga suurtest molekulidest, mida nimetatakse makromolekulideks.
- Paljud lihtsamad keemilised ühikud, mida nimetatakse monomeerideks.
- Polümeerid moodustavad elusorganismides palju materjale, sealhulgas näiteks valke, tselluloosi ja nukleiinhappeid.
- Lisaks on need aluseks mineraalidele, nagu teemant, kvarts ja päevakivi, aga ka tehismaterjalidele, nagu betoon, klaas, paber, plast ja kumm.
Sõna "polümeer" tähistab määramatut arvu monomeeriühikuid. Kui monomeeride kogus on väga suur, nimetatakse seda ühendit mõnikord kõrge polümeeriks. See ei piirdu sama keemilise koostise või sama molekulmassi ja struktuuriga monomeeridega. Mõned looduslikud suure molekulmassiga orgaanilised ühendid koosnevad ühte tüüpi monomeerist.
Kuid enamik looduslikke ja sünteetilisi polümeere on moodustatud kahest või enamast erinevat tüüpi monomeerist; selliseid polümeere nimetatakse kopolümeerideks.
Looduslikud ained: milline on nende roll meie elus?
Orgaanilised suure molekulmassiga orgaanilised ühendid mängivad inimeste elus üliolulist rolli, pakkudes põhilisi struktuurimaterjale ja osaledes elutähtsates protsessides.
- Näiteks kõigi taimede tahked osad koosnevad polümeeridest. Nende hulka kuuluvad tselluloos, ligniin ja erinevad vaigud.
- Tselluloos onpolüsahhariid, suhkrumolekulidest koosnev polümeer.
- Ligniin moodustub keerulisest kolmemõõtmelisest polümeeride võrgustikust.
- Puuvaigud on lihtsa süsivesiniku, isopreeni polümeerid.
- Teine tuttav isopreenpolümeer on kumm.
Teised olulised looduslikud polümeerid hõlmavad valke, mis on aminohapete polümeerid, ja nukleiinhappeid. Need on nukleotiidide tüübid. Need on keerulised molekulid, mis koosnevad lämmastikku sisaldavatest alustest, suhkrutest ja fosforhappest.
Nukleiinhapped kannavad rakus geneetilist teavet. Tärklised, mis on oluline taimedest saadava toiduenergia allikas, on looduslikud polümeerid, mis koosnevad glükoosist.
Makromolekulaarsete ühendite keemia vabastab anorgaanilisi polümeere. Neid leidub ka looduses, sealhulgas teemant ja grafiit. Mõlemad on valmistatud süsinikust. Tasub teada:
- Teemandis on süsinikuaatomid ühendatud kolmemõõtmeliseks võrguks, mis annab materjalile selle kõvaduse.
- Määrdeainena ja pliiatsi "juhtmetes" kasutatavas grafiidis seostuvad süsinikuaatomid tasapindadel, mis võivad üksteisest üle libiseda.
Paljud olulised polümeerid sisaldavad tuumas nii hapniku- või lämmastikuaatomeid kui ka süsinikuaatomeid. Selliste hapnikuaatomitega makromolekulaarsete materjalide hulka kuuluvad polüatsetaalid.
Kõige lihtsam polüatsetaal on polüformaldehüüd. Sellel on kõrge sulamistemperatuur, see on kristalne, kulumiskindel jalahustite toime. Atsetaalvaigud on metallisarnasemad kui ükski teine plast ja neid kasutatakse masinaosade, näiteks hammasrataste ja laagrite valmistamisel.
Kunstlikult saadud ained
Sünteetilisi makromolekulaarseid ühendeid tekivad erinevat tüüpi reaktsioonides:
- Paljusid lihtsaid süsivesinikke, nagu etüleen ja propüleen, saab muuta polümeerideks, lisades kasvavasse ahelasse ühe monomeeri teise järel.
- Polüetüleen, mis koosneb korduvatest etüleeni monomeeridest, on lisandina polümeer. Sellel võib olla kuni 10 000 monomeeri, mis on ühendatud pikkadeks spiraalseteks ahelateks. Polüetüleen on kristalne, poolläbipaistev ja termoplastne, mis tähendab, et see pehmendab kuumutamisel. Seda kasutatakse katete, pakendite, vormitud osade ning pudelite ja mahutite jaoks.
- Polüpropüleen on samuti kristalne ja termoplastne, kuid kõvem kui polüetüleen. Selle molekulid võivad koosneda 50 000–200 000 monomeerist.
Seda segu kasutatakse tekstiilitööstuses ja vormimiseks.
Teised lisapolümeerid on järgmised:
- polübutadieen;
- polüisopreen;
- polükloropreen.
Sünteetiliste kummide tootmisel on kõik olulised. Mõned polümeerid, nagu polüstüreen, on toatemperatuuril klaasjad ja läbipaistvad ning on ka termoplastsed:
- Polüstüreeni saab värvida mis tahes värvi ning seda kasutatakse mänguasjade ja muu plasti valmistamiselüksused.
- Kui üks vesinikuaatom etüleenis asendatakse klooriaatomiga, moodustub vinüülkloriid.
- See polümeriseerub polüvinüülkloriidiks (PVC), värvituks, kõvaks, jäigaks termoplastseks materjaliks, millest saab valmistada mitmesuguseid vorme, sealhulgas vahtu, kilesid ja kiude.
- Vinüülatsetaat, mis saadakse etüleeni ja äädikhappe vahelisel reaktsioonil, polümeriseerub amorfseteks pehmeteks vaikudeks, mida kasutatakse katete ja liimidena.
- Kopolümeriseerub vinüülkloriidiga, moodustades suure termoplastiliste materjalide perekonna.
Lineaarset polümeeri, mida iseloomustab estrirühmade kordumine peaahelas, nimetatakse polüestriks. Avatud ahelaga polüestrid on värvitud, kristalsed, termoplastsed materjalid. Kilede tootmisel kasutatakse neid sünteetilisi makromolekulaarseid ühendeid, millel on kõrge molekulmass (10 000 kuni 15 000 molekuli).
Haruldased sünteetilised polüamiidid
Polüamiidid hõlmavad piimas leiduvaid looduslikult esinevaid kaseiinvalke ja maisis leiduvaid zeiini, mida kasutatakse plastide, kiudude, liimide ja kattekihtide valmistamiseks. Väärib märkimist:
- Sünteetiliste polüamiidide hulka kuuluvad uurea-formaldehüüdvaigud, mis on termoreaktiivsed. Neid kasutatakse vormitud esemete valmistamiseks ning tekstiili- ja paberiliimide ja kattekihtidena.
- Olulised on ka nailonina tuntud polüamiidvaigud. Nemad onvastupidav, vastupidav kuumusele ja hõõrdumisele, mittetoksiline. Neid saab värvida. Selle kõige kuulsam kasutusala on tekstiilkiud, kuid neil on palju muid kasutusalasid.
Teine oluline sünteetiliste suure molekulmassiga keemiliste ühendite perekond koosneb uretaanrühma lineaarsetest kordustest. Polüuretaane kasutatakse elastomeerkiudude, mida tuntakse spandexina, ja aluskihtide valmistamisel.
Teine polümeeride klass on segatud orgaanilised-anorgaanilised ühendid:
- Selle polümeeride perekonna kõige olulisemad esindajad on silikoonid. Kõrgmolekulaarsed ühendid sisaldavad vaheldumisi räni ja hapniku aatomeid ning orgaanilised rühmad on seotud iga räni aatomiga.
- Madala molekulmassiga silikoonid on õlid ja määrded.
- Kõrgema molekulmassiga materjalid on mitmekülgsed elastsed materjalid, mis jäävad pehmeks ka väga madalatel temperatuuridel. Need on suhteliselt stabiilsed ka kõrgetel temperatuuridel.
Polümeer võib olla kolme-, kahe- ja ühemõõtmeline. Korduvad ühikud koosnevad sageli süsinikust ja vesinikust ning mõnikord hapnikust, lämmastikust, väävlist, kloorist, fluorist, fosforist ja ränist. Ahela loomiseks seotakse või polümeriseeritakse paljud ühikud omavahel keemiliselt, muutes seega suure molekulmassiga ühendite omadusi.
Millised omadused on makromolekulaarsetel ainetel?
Enamik toodetud polümeere on termoplastsed. Pärastpolümeer moodustub, saab seda kuumutada ja uuesti reformida. See omadus muudab selle käsitsemise lihtsaks. Teist termoreaktiivide rühma ei saa uuesti sulatada: kui polümeerid on moodustunud, laguneb kuumutamine, kuid ei sula.
Polümeeride makromolekulaarsete ühendite omadused pakendite näitel:
- Võib olla väga vastupidav kemikaalidele. Võtke arvesse kõiki oma kodus olevaid puhastusvedelikke, mis on pakendatud plastikusse. Kirjeldati kõiki silma sattumise tagajärgi, kuid nahk. See on ohtlik polümeeride kategooria, mis lahustab kõik.
- Kuigi mõned plastid deformeeruvad lahustite mõjul kergesti, asetatakse teised plastid agressiivsete lahustite jaoks purunematutesse pakenditesse. Need ei ole ohtlikud, kuid võivad inimestele ainult kahjustada.
- Makromolekulaarsete ühendite lahuseid tarnitakse enamasti lihtsates kilekottides, et vähendada nende koostoimet mahutis sisalduvate ainetega.
Üldiselt on polümeerid kaalult väga kerged ja märkimisväärse tugevusega. Kaaluge mitmesuguseid kasutusviise, alates mänguasjadest kuni kosmosejaamade raamistruktuurini või õhukesest nailonkiust sukkpükstes kuni soomusvestides kasutatava kevlarini. Mõned polümeerid ujuvad vees, teised vajuvad. Võrreldes kivi, betooni, terase, vase või alumiiniumi tihedusega on kõik plastid kerged materjalid.
Makromolekulaarsete ühendite omadused on erinevad:
- Polümeerid võivad toimida soojus- ja elektriisolaatoritena: seadmed, juhtmed, pistikupesad ja juhtmestik, mis on valmistatud või kaetud polümeermaterjalidega.
- Kuumuskindlad köögiseadmed, millel on vaigupottide ja pannide käepidemed, kohvikannu käepidemed, külmkapi ja sügavkülma vaht, isoleeritud tassid, jahutid ja mikrolaineahjus sobivad nõud.
- Paljude suusatajate poolt kantav termopesu on valmistatud polüpropüleenist, talvejopede kiud aga akrüülist ja polüestrist.
Kõrge molekulmassiga ühendid on ained, millel on piiramatu hulk omadusi ja värve. Neil on palju omadusi, mida saab veelgi täiustada laia valiku lisanditega, et rakendust laiendada. Polümeerid võivad olla aluseks puuvilla, siidi ja villa, portselani ja marmori, alumiiniumi ja tsingi jäljendamiseks. Toiduainetööstuses kasutatakse neid seentele söödavate omaduste andmiseks. Näiteks kallis sinihallitusjuust. Tänu polümeeri töötlemisele saab seda ohutult süüa.
Polümeerstruktuuride töötlemine ja pealekandmine
Polümeere saab töödelda mitmel viisil:
- Ekstrusioon võimaldab toota õhukesi kiude või raskeid massiivseid torusid, kilesid, toidupudeleid.
- Sissepritsevalu võimaldab luua keerukaid osi, näiteks suuri auto kereosi.
- Plasti saab valada tünnidesse või segada lahustitega, et saada liimialuseks või värviks.
- Elastomeerid ja mõned plastid on venivad ja painduvad.
- Mõned plastid paisuvad töötlemise käigus, et säilitada oma kuju, näiteks joogiveepudelid.
- Muid polümeere, nagu polüstüreen, polüuretaan ja polüetüleen, saab vahustada.
Makromolekulaarsete ühendite omadused varieeruvad sõltuv alt mehaanilisest toimest ja aine saamise meetodist. See võimaldab neid rakendada erinevates tööstusharudes. Peamistel makromolekulaarsetel ühenditel on laiem kasutusotstarve kui neil, mis erinevad eriliste omaduste ja valmistamismeetodite poolest. Universaalsed ja "veidrad" "leivad" toidu- ja ehitussektorist:
- Kõrge molekulmassiga ühendid koosnevad õlist, kuid mitte alati.
- Paljud polümeerid on valmistatud korduvatest ühikutest, mis on varem moodustatud maagaasist, kivisöest või toornaftast.
- Mõned ehitusmaterjalid on valmistatud taastuvatest materjalidest, nagu polüpiimhape (maisist või tselluloosist ja puuvillast linter).
Huvitav on ka see, et neid on peaaegu võimatu asendada:
- Polümeere saab kasutada esemete valmistamiseks, millel pole muud materjali alternatiivi.
- Neist on tehtud läbipaistvad veekindlad kiled.
- PVC-d kasutatakse meditsiiniliste torude ja verekottide valmistamiseks, mis pikendavad toote ja selle derivaatide säilivusaega.
- PVC toimetab tuleohtliku hapniku ohutult mittesüttivatesse painduvatesse torudesse.
- Ja antitrombogeensed materjalid, nagu hepariin, võib kuuluda elastsete PVC kateetrite kategooriasse.
Paljud meditsiiniseadmed keskenduvad makromolekulaarsete ühendite struktuurilistele omadustele, et tagada tõhus toimimine.
Makromolekulaarsete ainete lahused ja nende omadused
Kuna hajutatud faasi suurust on raske mõõta ja kolloidid on lahuste kujul, tuvastavad ja iseloomustavad need mõnikord füüsikalis-keemilisi ja transpordiomadusi.
| kolloidfaas | Raske | Puhas lahendus | Mõõtmendikaatorid |
| Kui kolloid koosneb vedelikus dispergeeritud tahkest faasist, ei difundeeru tahked osakesed läbi membraani. | Lahustatud ioonid või molekulid difundeeruvad täielikul difusioonil läbi membraani. | Suuruse välistamise tõttu ei saa kolloidosakesed läbida UF-membraani poore, mis on väiksemad kui nende enda suurus. | |
| Kontsentratsioon makromolekulaarsete ühendite lahuste koostises | Tegeliku lahustunud aine täpne kontsentratsioon sõltub katsetingimustest, mida kasutatakse selle eraldamiseks vedelikus dispergeeritud kolloidosakestest. | Sõltub makromolekulaarsete ühendite reaktsioonist kergesti hüdrolüüsitavate ainete (nt Al, Eu, Am, Cm) lahustuvuse uuringute läbiviimisel. | Mida väiksem on ultrafiltratsioonimembraani pooride suurus, seda madalam on kontsentratsioonultrafiltreeritud vedelikku jäävad hajutatud kolloidosakesed. |
Hüdrokolloid on defineeritud kui kolloidne süsteem, milles makromolekulaarsete molekulide osakesed on vees dispergeeritud hüdrofiilsed polümeerid.
| Vesõltuvus | Kuumussõltuvus | Sõltuvus tootmismeetodist |
| Hüdrokolloid on vees dispergeeritud kolloidsed osakesed. Sel juhul mõjutab kahe komponendi suhe polümeeri vormi – geel, tuhk, vedel olek. | Hüdrokolloidid võivad olla pöördumatud (ühes olekus) või pöörduvad. Näiteks agar, merevetikaekstrakti pöörduv hüdrokolloid, võib esineda geelis ja tahkes olekus või vaheldumisi kuumuse lisamise või eemaldamisega. | Makromolekulaarsete ühendite, nagu hüdrokolloidide, saamine sõltub looduslikest allikatest. Näiteks agar-agarit ja karrageeni ekstraheeritakse merevetikatest, želatiini saadakse veise- ja kalavalkude hüdrolüüsil ning pektiini ekstraheeritakse tsitruseliste koortest ja õunajääkidest. |
| Pubrist valmistatud želatiinmagustoidud on koostiselt erineva hüdrokolloidiga. Tal on vähem vedelikku. | Hüdrokolloide kasutatakse toidus peamiselt tekstuuri või viskoossuse mõjutamiseks (nt kaste). Konsistents sõltub aga juba kuumtöötlusmeetodist. | Hüdrokolloididel põhinevaid meditsiinilisi sidemeid kasutatakse naha ja haavade raviks. ATtootmine põhineb täiesti erineval tehnoloogial ja kasutatakse samu polümeere. |
Teised peamised hüdrokolloidid on ksantaankummi, kummiaraabik, guarkummi, jaanikaunakummi, tselluloosi derivaadid nagu karboksümetüültselluloos, alginaat ja tärklis.
Makromolekulaarsete ainete koostoime teiste osakestega
Järgmised jõud mängivad olulist rolli kolloidosakeste vastasmõjus:
- Tõrjumine mahust sõltumata: see viitab tahkete osakeste kattuvuse puudumisele.
- Elektrostaatiline interaktsioon: kolloidosakesed kannavad sageli elektrilaengut ja tõmbavad seetõttu üksteist ligi või tõrjuvad. Seda interaktsiooni mõjutavad tegurid nii pideva kui ka hajutatud faasi laeng, samuti faaside liikuvus.
- Van der Waalsi jõud: see on tingitud kahe dipooli vastasmõjust, mis on kas püsivad või indutseeritud. Isegi kui osakestel ei ole püsivat dipooli, põhjustavad elektrontiheduse kõikumised osakeses ajutise dipooli.
- Entroopiajõud. Termodünaamika teise seaduse kohaselt läheb süsteem olekusse, kus entroopia on maksimeeritud. See võib viia tõhusate jõudude loomiseni isegi kõvade sfääride vahel.
- Steerilised jõud polümeeriga kaetud pindade vahel või lahustes, mis sisaldavad mitteadsorbeerivat analoogi, võivad moduleerida osakestevahelisi jõude, luues täiendava steerilise tõukejõu, mison oma olemuselt valdav alt entroopiline või vahepealne ammenduv jõud.
Viimast efekti püütakse saavutada spetsiaalselt valmistatud superplastifikaatoritega, mis on loodud betooni töödeldavuse suurendamiseks ja veesisalduse vähendamiseks.
Polümeerkristallid: kus neid leidub, kuidas need välja näevad?
Kõrgmolekulaarsete ühendite hulka kuuluvad isegi kristallid, mis kuuluvad kolloidsete ainete kategooriasse. See on väga järjestatud osakeste massiiv, mis moodustuvad väga suurel kaugusel (tavaliselt mõnest millimeetrist kuni ühe sentimeetrini) ja sarnanevad nende aatom- või molekulaarsete vastetega.
| Teisndatud kolloidi nimi | Tellimisnäide | Tootmine |
| Precious Opal | Selle nähtuse üks parimaid looduslikke näiteid on kivi puhtas spektraalvärvis | See on amorfse kolloidse ränidioksiidi (SiO2) sfääride tihed alt paiknevate niššide tulemus |
Need sfäärilised osakesed ladestuvad kõrge ränidisisaldusega reservuaaridesse. Need moodustavad pärast aastatepikkust settimist ja kokkusurumist hüdrostaatiliste ja gravitatsiooniliste jõudude mõjul väga järjestatud massiive. Submikromeetriliste sfääriliste osakeste perioodilised massiivid pakuvad sarnaseid vahepealseid tühimike massiive, mis toimivad nähtava valguse lainete loomuliku difraktsioonivõrena, eriti kui vahekaugus on langeva valguslainega samas suurusjärgus.
Seega leiti, et tõrjuva tõttuCoulombi interaktsioonid, elektriliselt laetud makromolekulid vesikeskkonnas võivad avaldada pikamaa kristallilaadset korrelatsiooni osakeste vahekaugustega, mis on sageli palju suuremad kui üksikute osakeste läbimõõt.
Kõigil neil juhtudel on loodusliku makromolekulaarse ühendi kristallidel sama hiilgav sillerdamine (või värvide mäng), mille võib seostada nähtava valguse lainete difraktsiooni ja konstruktiivse interferentsiga. Need vastavad Braggi seadusele.
Suur hulk katseid niinimetatud "kolloidsete kristallide" uurimisel tekkis suhteliselt lihtsate meetodite tulemusena, mis on viimase 20 aasta jooksul välja töötatud sünteetiliste monodisperssete kolloidide (nii polümeersete kui ka mineraalsete) saamiseks. Läbi erinevate mehhanismide realiseerub ja säilib kaugjärjekorra kujunemine.
Molekulmassi määramine
Molekulmass on kemikaali kriitiline omadus, eriti polümeeride puhul. Sõltuv alt proovi materjalist valitakse erinevad meetodid:
- Molekulide molekulmassi ja ka molekulaarstruktuuri saab määrata massispektromeetria abil. Otsese infusioonimeetodi abil saab proove süstida otse detektorisse, et kinnitada teadaoleva materjali väärtust või esitada tundmatu materjali struktuurne iseloomustus.
- Polümeeride molekulmassi teavet saab määrata sellise meetodi abil, nagu viskoossuse ja suuruse suuruskromatograafia.
- EestPolümeeride molekulmassi määramine nõuab antud polümeeri lahustuvuse mõistmist.
Ühendi kogumass võrdub molekuli iga aatomi üksikute aatommasside summaga. Protseduur viiakse läbi vastav alt valemile:
- Määrake molekuli molekulvalem.
- Molekuli iga elemendi aatommassi leidmiseks kasutage perioodilisustabelit.
- Korrutage iga elemendi aatommass selle elemendi aatomite arvuga molekulis.
- Saadud arvu esindab molekulaarvalemis elemendi sümboli kõrval alaindeksiga.
- Ühendage molekuli iga üksiku aatomi kõik väärtused.
Näide lihtsast madala molekulmassi arvutamisest: NH3 molekulmassi leidmiseks tuleb kõigepe alt leida lämmastiku (N) ja vesiniku aatommassid (H). Niisiis, H=1, 00794N=14, 0067.
Seejärel korrutage iga aatomi aatommass ühendis olevate aatomite arvuga. Lämmastikuaatom on üks (ühe aatomi kohta alaindeksit ei anta). Seal on kolm vesinikuaatomit, nagu näitab alaindeks. Niisiis:
- Aine molekulmass=(1 x 14,0067) + (3 x 1,00794)
- Molekulmassid=14,0067 + 3,02382
- Tulemus=17, 0305
Näide kompleksmolekulmassi Ca3(PO4)2 on keerulisem arvutusvalik:
Perioodilisustabelist iga elemendi aatommassid:
- Ca=40, 078.
- P=30, 973761.
- O=15,9994.
Keeruline osa on välja selgitada, kui palju igast aatomist ühendis on. Seal on kolm k altsiumi aatomit, kaks fosfori aatomit ja kaheksa hapniku aatomit. Kui liitumisosa on sulgudes, korrutage kohe elemendi märgile järgnev alaindeks sulgusid sulgeva alaindeksiga. Niisiis:
- Aine molekulmass=(40,078 x 3) + (30,97361 x 2) + (15,9994 x 8).
- Molekulmass pärast arvutamist=120, 234 + 61, 94722 + 127, 9952.
- Tulemus=310, 18.
Elementide keerukad kujundid arvutatakse analoogia põhjal. Mõned neist koosnevad sadadest väärtustest, nii et automatiseeritud masinaid kasutatakse nüüd kõigi g/mol väärtuste andmebaasiga.
