Раздел 7. Высокомолекулярные соединения
7.1 Общие сведения и методы получения полимеров
Высокомолекулярные соединения – это химические вещества с большой молекулярной массой, молекулы которых состоят из огромного числа атомов, соединенных между собой ковалентными связями.
Макромолекулы большинства полимеров построены из одинаковых, много раз повторяющихся групп атомов, которые называются элементарными звеньями.
Число элементарных звеньев в макромолекуле n является одной из важнейших характеристик полимера и называется степенью полимеризации.
В общем виде реакцию образования полимера можно представить следующей схемой:
n
A
→ - А – А – А – А - … или -(А)n-
.
Мономер полимер степень полимеризации
Между степенью полимеризации и молекулярной массой полимера Мn имеется следующая связь: n = Mn / m, или Мn = n ∙ m,
где m – молекулярная масса элементарного звена.
Свойства полимеров неразрывно связаны не только с их составом и структурой, но и с молекулярной массой. Обычно к полимерам относят вещества, имеющие молекулярную массу свыше 5000. Полимеры с меньшей молекулярной массой называют олигомерами. Если для обычных соединений молекулярная масса есть величина постоянная, то для полимеров молекулярная масса величина среднестатистическая. Это связано с тем, что полимерное вещество состоит из молекул с разной степенью полимеризации, т.е. представляет собой смесь полимергомологов. Поэтому для характеристики полимера пользуются понятием средней молекулярной массы – М.
Таким образом, полимеры – это высокомолекулярные вещества, молекулы которых состоят из огромного числа структурных звеньев, взаимодействующих друг с другом посредством ковалентных связей.
Классификация полимеров
1. По происхождению полимеры делятся на группы:
– неорганические полимеры: алмаз, красный фосфор, сера пластическая, асбест, кремневая кислота и др.
– природные (биополимеры): натуральный каучук, крахмал, целлюлоза, шелк, шерсть, белки, нуклеиновые кислоты (РНК, ДНК) и др.;
– искусственные, химически модифицированные природные полимеры: вискоза, ацетатный шелк и др.;
– синтетические: полиэтилен, синтетический каучук, резина, и др.;
2. По химическому составу основной цепи макромолекул делятся на три группы:
- карбоцепные полимеры, макромолекулярные цепи которых состоят только из атомов углерода;
- гетероцепные полимеры, в состав цепей которых входят, кроме атомов углерода, еще и атомы кислорода, серы, азота;
- элементорганические полимеры, в основные цепи которых могут входить атомы кремния, алюминия и других элементов.
3. По строению полимерной цепи – макромолекулы могут иметь линейное, разветвленное и сетчатое строение (рис. 7.1).
Рис. 7.1. Линейное (а), разветвленное (б) и сетчатое (в) строение полимеров
Полимеры с макромолекулами линейного и разветвленного строения растворяются в органических растворителях, плавятся при нагревании, а при охлаждении вновь затвердевают. Высокомолекулярные соединения с макромолекулами трехмерного строения имеют повышенную устойчивость к термическому и механическому воздействию, не растворяются в растворителях, а лишь набухают.
4. По отношению к температуре:
– термопластичные, которые обратимо меняют свои свойства под влиянием температуры;
– термореактивные, которые необратимо меняют свои свойства под влиянием температуры.
5. По отношению к механическим нагрузкам:
– эластомеры, которые при небольших нагрузках деформируются на сотни процентов, часто обратимо;
– пластомеры, которые при больших нагрузках деформируются незначительно.
6. По природе элементарных звеньев цепи:
– гомополимеры, состоящие из одинаковых элементарных звеньев;
– сополимеры, состоящие из разных элементарных звеньев (обычные, привитые и блок-сополимеры).
7. По характеру размещения элементарных звеньев в макромолекулярной цепи:
– регулярные полимеры с правильно повторяющимся пространственным расположением звеньев цепи и атомов, из них выделяют:
регулярные изотактические полимеры, когда заместители расположены по одну сторону полимерной цепи … - А – А – А – А – А – …
Х Х Х
регулярные синдиотактические полимеры, когда заместители расположены по разные стороны полимерной цепи
Х Х Х
… - А – А – А – А – А – …
Х Х
– нерегулярные (атактические) полимеры, с произвольным пространственным расположением звеньев цепи и атомов.
Х Х
… - А – А – А – А – А – …
Х
Регулярные полимеры склонны к плотной упаковке, обладают способностью кристаллизоваться и имеют целый ряд других полезных свойств.