Высокомолекулярные соединения

Высокомолекулярные соединенияМолекулу полимера можно представить в виде очень длинной цепи атомов, например углерода, имеющей большую молекулярную массу. Природные полимеры известны и применялись человеком с давних времен. Например, застывший сок растений в виде каучука, смол или янтаря; рога животных; панцири черепах и др. являются полимерными веществами. Они использовались для изготовления предметов домашнего обихода или украшений и легко перерабатывались под действием нагревания или давления. С течением времени люди научились их перерабатывать химически для получения других, нужных материалов: например, добавляя к каучуку серу при нагревании, получили резину. 

Однако природных полимеров было явно недостаточно для нужд человека, и поэтому стали получать полимеры синтетическими методами - появились синтетические полимеры. К числу синтетических полимеров относятся полиэтилен, поливинилхлорид политетрафторэтилен (тефлон, полистирол, полибутадиен, полиамиды (капрон) и полиэфиры (лавсан).


Строение высокомолекулярных соединений.

Строение высокомолекулярных соединений рассмотрим на примере синтетических, т. е. таких соединений, которые получают в результате химических реакций в лаборатории или промышленности.

Примером простейшего синтетического полимера является полиэтилен. Молекулу полимера можно представить в виде длинной цепи связанных друг с другом, как в углеводородах, атомов углерода.



Таким образом, полиэтилен похож на углеводороды, потому что состоит только из атомов углерода и водорода. Аналогичное строение имеет полистирол (приведенная формула не требует запоминания).




Кроме атомов водорода, с углеродом могут быть связаны и атомы других элементов, например атомы хлора (поливинилхлорид), фтора (политетрафторэтилен). В цепи, кроме атомов углерода, могут находиться и другие атомы, такие, как азот (капрон и нейлон) и кислород (лавсан). Капрон, нейлон и лавсан относятся к химическим синтетическим волокнам.

В органической химии основой большинства высокомолекулярных соединений является углерод, а в неорганической химии известны полимеры, основой которых являются, например, кремний или фосфор.



Образование полимеров.

Высокомолекулярные соединения могут быть получены двумя путями: реакциями полимеризации или поликонденсации.

Реакцию полимеризации рассмотрим на примере образования полиэтилена. Молекулы этилена, содержащие двойные связи С=С, способны к разрыву одной из связей и присоединению последовательно друг к другу с образованием структур с большой молекулярной массой - макромолекул.



Буква п показывает число молекул мономера, которые соединились в процессе полимеризации и называется степенью полимеризации.

Исходное вещество (в данном случае этилен) называют мономером, а образующиеся макромолекулы - полимером. Процесс образования полимеров называют реакцией полимеризации

Полимеризацией называется реакция соединения молекул мономеров друг с другом с образованием высокомолекулярных соединений.



Высокомолекулярные соединения, макромолекулы которых состоят из одинаковых мономерных звеньев, называют полимерами, из разных звеньев - сополимерами.

Образующиеся макромолекулы имеют различное, чаще всего отличающееся друг от друга число мономерных звеньев.

Реакция полимеризации применяется для получения полиэтилена, поливинилхлорида, полистирола и полибутадиена.

Реакцию поликонденсации рассмотрим на примере (не для запоминания) получения полимера нейлона из адипиновой кислоты НООС(СН2)4СООН и гексаметилендиамина NH2(CH2)6NH2. В отличие от реакции полимеризации процесс образования полимера обусловлен наличием двух различных функциональных групп -СООН и -NH2. Одна функциональная группа является карбоксильной группой, другая - аминогруппой.




Взаимодействие карбоксильной группы (-СООН) одной молекулы с аминогруппой (-NH2) другой молекулы с образованием группы (-CONH-) и выделением молекулы воды является основой образования полимера. Ниже показан пример взаимодействия только двух молекул с выделением одной молекулы воды.



Образующаяся молекула содержит две различные функциональные группы, за счет которых происходит последовательное присоединение других молекул, что приводит к образованию макромолекул полимера.

Поликонденсацией называется реакция соединения большого числа молекул мономеров друг с другом, в результате которой наряду с образованием высокомолекулярных соединений выделяется низкомолекулярный продукт, например вода.

Реакция поликонденсации применяется для получения фенолформальдегидных пластмасс и синтетических волокон типа лавсана.

Физические свойства высокомолекулярных соединений.

Практически полезные и ценные свойства полимеров обусловлены их особыми физическими свойствами, например сочетанием легкости и достаточной прочности; слабыми изменениями свойств в процессе использования.

Свойства полимеров обычно изменяют путем введения низкомолекулярных веществ, называемых пластификаторами. Пластификаторы используются с целью снижения температуры перерабатываемой массы вещества или улучшения нужных свойств пластических масс (пластмасс), например морозостойкости, огнеупорных или изоляционных характеристик. В состав пластмасс, кроме пластификаторов, входят красители и стабилизаторы, повышающие устойчивость полимера к действию кислорода воздуха или тепловым воздействиям.

Физические свойства высокомолекулярных соединений и пластмасс на их основе принципиально различаются по отношению к нагреванию. Одна группа полимеров при нагревании легко размягчается, изменяет форму, а при охлаждении затвердевает, сохраняя приданную форму. Такое свойство высокомолекулярных соединений называют термопластичностью.

Высокомолекулярные соединения, которые при повышении температуры переходят в жидкое состояние, называют термопластичными.

К высокомолекулярным соединениям, обладающим термопластичными свойствами, относятся полиэтилен, поливинилхлорид, полистирол, полиамиды и полиэфиры. Макромолекулы полимеров такого типа имеют преимущественно линейную структуру.


Другой тип высокомолекулярных соединений при нагревании не размягчается и не плавится.

Высокомолекулярные соединения, которые при повышении температуры за счет химических реакций образуют трехмерную сетчатую структуру и находятся в твердом, неплавком состоянии, называют термореактивными.

К таким высокомолекулярным соединениям относятся фенолформальдегидные смолы, эпоксидные смолы и полиуретаны, приобретающие трехмерную сетчатую структуру.

Особую группу полимеров составляют эластомеры, являющиеся эластичными, гибкими, к которым относятся природные и синтетические каучуки. Макромолекулы таких полимеров свернуты в клубок и при растягивании образцов полимеров выпрямляются (рис. 4), что упрощенно можно объяснить вращением частей молекул вокруг одинарных связей.

Большинство полимеров являются термическими и электрическими изоляторами. Политетрафторэтилен (тефлон) устойчив к действию нагревания до 280 °С.

Высокомолекулярные соединения, макромолекулы которых состоят из одинаковых мономерных звеньев, называют полимерами. Полимеры получают реакциями полимеризации или поликонденсации.

Свойства полимеров изменяют путем введения низкомолекулярных веществ, называемых пластификаторами. По отношению к нагреванию полимеры разделяют на термопластичные и термореактивные.