2. Основные понятия

В соответствии с предложениями ИЮПАК термины «полимер», «олигомер», «составное звено» формулируются следующим образом.

Полимер – вещество, состоящее из молекул, характеризующихся многократным повторением одного или более типов атомов или групп атомов (составных звеньев), соединенных между собой в количестве, достаточном для проявления комплекса свойств, который является практически неизменным при добавлении или удалении одного или нескольких составных звеньев.

Олигомер – вещество, состоящее из молекул, содержащих некоторое количество одного или более типов атомов (составных звеньев), соединенных повторяющимся образом друг с другом. Физические свойства олигомера отличаются при добавлении или удалении одного или нескольких составных звеньев его молекулы.

Составное звено – атомы или группа атомов, входящих в состав цепи молекулы олигомера или полимера.

Наименьшее составное звено, повторением которого может быть описано строение регулярного полимера, называется составным повторяющимся звеном. Наименьшее составное звено (атом или группа атомов, вместе с боковыми группами), повторением которого создается регулярная макромолекула, олигомерная молекула или блок, называется составное повторяющееся звено. С другой стороны, наибольшее составное звено в структуре макромолекулы, олигомерной молекулы или блока, которое образовалось из одной мономерной молекулы, называется мономерным звеном. Например, в полиэтилене [-СН₂-СН₂-]_n повторяющееся составное звено -СН₂-, мономерное звено -СН₂-СН₂-.

Исходное вещество обычно называется мономером. В соответствии с новыми рекомендациями ИЮПАК, под мономерной молекулой понимают молекулу, в результате участия которой в процессе полимеризации образуются звенья основной структуры макромолекулы. При последовательном соединении двух, трех, четырех и т.д. мономеров образуются соответственно димер, тример, тетрамер и т.д. Если соединяются n молекул мономера, образуется полимерная молекула.

Число мономерных звеньев в макромолекуле (олигомерной молекуле, блоке или цепи) называется степенью полимеризации, или поликонденсации n (число повторяющихся звеньев в цепи). Молекулярная масса полимера равна молекулярной массе m мономерного звена, выраженной в углеродных единицах и умноженной на степень полимеризации:

M = mn, где m – молекулярная масса звена

Молекула полимера состоит из его низкомолекулярных аналогов, соединенных друг с другом п раз химическими связями, где п – так называемая степень полимеризации – может принимать очень большие значения (десятки и сотни тысяч).

Соединение большого числа малых молекул в результате химической реакции в длинную цепную молекулу полимера приводит к возникновению у последнего целого комплекса новых физико-механических свойств – упругости, эластичности, способности к пленко- и волокнообразованию. Наличие длинных цепных молекул, имеющих химические, т.е. прочные, связи вдоль цепи, и физические, т.е. слабые, связи между цепями, является наиболее характерным признаком полимеров. Большая молекула полимера обладает определенной гибкостью.

Цепная молекула полимера называется макромолекулой. Составляющие ее низкомолекулярные повторяющиеся структурные единицы, или звенья, образованы низкомолекулярными веществами, способными к многократному соединению друг с другом в результате химической реакции синтеза. Эти вещества называют мономерами, а их соединение в макромолекулу полимера происходит в результате химических реакций, протекающих по законам цепных или ступенчатых процессов. Очевидно, что степень полимеризации, т.е. число мономерных звеньев в одной макромолекуле, определяет молекулярную массу полимера, которая составляет десятки, сотни тысяч, а иногда и миллионы углеродных единиц и равна молекулярной массе исходного мономера, умноженной на степень полимеризации:

Совершенно ясно, что в процессе синтеза полимера, когда степень полимеризации п велика, практически невозможно получить совершенно одинаковые по размеру макромолекулы. Молекулярная масса полимеров является величиной усредненной по отношению к молекулярным массам отдельных макромолекул. В этом одно из принципиальных отличий полимера от низкомолекулярного вещества, так как последнее характеризуется совершенно определенным значением молекулярной массы.

Ниже приведены значения молекулярной массы некоторых природных и синтетических полимеров:

Вообще говоря, часто слово полимер используется в двух смыслах: им называют полимерные вещества и полимерные молекулы. Естественно, это не одно и то же. Правильно индивидуальные молекулы высокомолекулярных соединений следует называть макромолекулой или полимерной молекулой, а состоящее из макромолекул вещество – полимером. При этом под макромолекулой подразумевается молекула, с высокой относительной молекулярной массой, структура которой включает многократно повторяющиеся звенья, которые на самом деле или условно произошли от молекул с низкой молекулярной массой. В свою очередь, под молекулой с высокой относительной молекулярной массой понимают такую молекулу, для которой изменение ее длины на одно или небольшой количество звеньев пренебрежимо влияет на молекулярные свойства. В некоторых случаях такое определение несправедливо (например, для полимерных носителей наследственной информации).

Сокращенно формула полимерной молекулы может быть записана в виде –[m]_n–, где n – количество звеньев в макромолекуле, черточки указывают на наличие концевых групп, отличающихся по своему составу от состава звеньев.

Цепью называется вся целиком или часть макромолекулы (олигомерной молекулы или блока) представляющая собой линейную или разветвленную последовательность составных звеньев, находящихся между двумя граничными составными звеньями, каждая из которых может быть концевой группой или точкой разветвления, или какой-либо другой особенной группой макромолекулы. Основной цепью называется линейная цепь, по отношению к которой все остальные цепи (короткие и длинные) могут считаться побочными.

Количество граммов полимера, равное молекулярной массе M, называется основным молем.

Из полимеров выделяется большая группа веществ-олигомеров, обладающих свойствами как низкомолекулярных, так и высокомолекулярных соединений. Олигомерная молекула имеет промежуточное значение относительной молекулярной массы, структура которой включает незначительное число повторяющихся звеньев, которые на самом деле или условно произошли от молекул с низкой молекулярной массой. Молекула рассматривается как имеющая промежуточную молекулярную массу, если ее удлинение или укорочение на одно или небольшое число звеньев заметно влияет на молекулярные свойства. Молекулярная масса олигомеров зависит от их химического строения и находится в пределах от 500-1000 до 5 000-15 000, чаще от 500 до 6000, т.е. до такого размера цепи, когда начинают проявляться высокоэластические свойства ВМС.

Номенклатура полимеров

Природные и некоторые синтетические полимеры имеют тривиальные названия ­– целлюлоза, коллаген, лигнин, капрон, лавсан, бакелит, тефлон и др.

При использовании рациональной номенклатуры названия синтетических полимеров образуется добавлением приставки поли– к названию низкомолекулярных соединений (мономеров), из которых данный полимер получен. Так, полимер, полученный поликонденсацией этиленгликоля и терефталевой кислоты, называется полиэтиленгликоль-терефталатом (лавсан). Полимер, полученный полимеризацией тетрафторэтилена – политерафторэтилен (тефлон). Название олигомеров образуется добавлением приставки олиго- к названию мономера, из которого был получен данный олигомер.

Химические формулы полимеров принято записывать в виде структурной формулы мономерного звена или составного повторяющегося звена, заключенных в квадратные скобки. Для записи формулы полимера могут быть использованы также структурные формулы конфигурационного повторяющегося звена, стереоповторяющегося и др. звеньев. Концевые группы в большинстве случаев (при большой молекулярной массе полимеров) во внимание не принимают, и химические формулы пишут без них.

полистирол	полиметилметакрилат

Масса атома углерода, например, равна 1,99 · 10^-26 кг. Однако, выражать значения масс атомов с помощью грамм или килограмм неудобно, т.к. получаются очень малые значения, а ими тяжело пользоваться. Поэтому для вычисления атомных масс за единицу массы принимают 1/12 массы атома углерода-12. Эта единица измерения массы атома называется углеродной единицей (у.е.) или атомной единицей массы (а.е.м.):

_{1 а.е.м. = 1,667 · 10}^-27 _{кг = 1,667 · 10}^-24 _г

Эта величина является основой для химических и физических расчетов.  

Таким образом, относительная атомная масса – это масса атома, отнесенная к 1/12 массы атома изотопа углерода 12. Обозначается Ar (индекс «r» - начальная буква английского слова relative – относительный).  Найти значение относительной атомной массы можно в таблице Менделеева рядом с каждым химическим элементом. Оно показывает во сколько раз масса данного элемента больше 1/12 массы изотопа углерода-12. Например, относительная атомная масса цинка равна 65. Это означает, что атом цинка в 65 раз тяжелее 1/12 массы атома углерода.

Между абсолютной и относительной атомными массами существует зависимость:

_{Ar = ma / 1а.е.м.}