andruhova

12.2. Органические полимеры

Это разнообразные материалы, обычно получаемые из доступного и дешёвого сырья; на их основе получают пластические массы (пластмассы) – сложные композиции, в которые вводят различные наполнители и добавки, придающие полимерам необходимый комплекс технических свойств, а также синтетические волокна.

Полимеризационные смолы. К полимеризационным смолам относятся полимеры, получаемые реакцией полимеризации преимущественно этиленовых углеводородов или их производных.

1.Полиэтилен представляет собой полимер, образующийся при полимеризации этилена: nCH2 = CH2 → (─CH2 ─ CH2 ─)n. В зависимости от условий полимеризации различают три вида полиэтилена: полиэтилен высокого, среднего и низкого давления.

Полиэтилен применяют в качестве электроизоляционного материала, а также для изготовления пленок, используемых в качестве упаковочного материала, для изготовления легкой небьющейся посуды, шлангов и трубопроводов для химической промышленности.

2.Полипропилен – полимер пропилена, следующего за этиленом гомолога непредельных этиленовых углеводородов:

nCH2 = CH → (─CH2 ─ CH ─)n

СН3 СН3

Используют полипропилен для изоляции, для изготовления защитных пленок, труб, шлангов, шестерен, деталей приборов, а также для высокопрочного и химически стойкого волокна, которое применяют в производстве канатов, рыболовных сетей и др. Пленки из полипропилена значительно прозрачнее и прочнее полиэтиленовых, пищевые продукты в упаковке из полипропилена можно подвергать стерилизации, варке и разогреванию.

181

3. Полистирол образуется при полимеризации стирола или винилбензола:

nCH2 = CH → (─CH2 ─ CH ─)n

С6Н5 С6Н5

Применяется как органическое стекло, для изготовления промышленных товаров (пуговиц, гребней и т.п.), в качестве электроизолятора. Широкое применение находят сополимеры стирола с другими мономерами.

4.Поливинилхлорид (полихлорвинил) [─CH ─ CHСl ─]n получается полимеризацией винилхлорида. Это эластичная белая масса, очень стойкая к действию кислот и щелочей. Хорошо растворяется в органических растворителях. Высокое содержание хлора обеспечивает полимеру пониженную горючесть. Поливинилхлорид хорошо совмещается со многими органическими соединениями – пластификаторами, придающими полимеру пластичность и эластичность. Полимер, не содержащий пластификатора называется винилпластом, а содержащий до 40% (масс.) пластификатора – пластикатом. Широко используется для футеровки труб и сосудов в хим. промышленности; для изоляции электрических проводов, изготовления искусственной кожи, линолеума, непромокаемых плащей.

5.Полиакрилаты и полиакрилонитрил. [─CH2 ─ CH(СООСН3) ─]n –

полиметилакрилат, [─CH2 ─ С(CH3)(СООСН3) ─]n – полиметилметакрилат – твердые, бесцветные, прозрачные, стойкие к нагреванию и действию света, пропускающие УФ-лучи полимеры. Из них изготавливают листы прочного и легкого органического стекла, широко применяемого для различных изделий.

Из полиакрилонитрила [─CH2 ─ CН2 ─ С≡N─]n получают нитрон (или орлон) – синтетическое волокно, идущее на производство трикотажа, тканей (костюмных и технических).

6. Каучуки – эластичные материалы, из которых путем специальной обработки получают резину. Каучуки применяют для электроизоляции, а

182

также производства промышленных товаров и медицинских приборов.

Натуральный (природный) каучук (НК) может быть выражен формулой

(С5Н8)n, он является полимером изопрена:

Природный каучук содержится в млечном соке каучуконосных растений (бразильское дерево гевея).

Другой природный продукт –гуттаперча – также является полимером изопрена, но с иной конфигурацией молекул. Чтобы придать изготовленным из каучука изделиям необходимую прочность и эластичность, каучук подвергают вулканизации – вводят в него серу и затем нагревают. Вулканизированный каучук называют резиной.

В нашей стране был найден и впервые в мире осуществлен в промышленном масштабе способ получения синтетического каучука (СК). Исходным материалом (С.В.Лебедев) служит непредельный углеводород

В нашей стране разработано и внедрен в производство получение синтетического полиизопренового каучука (СКИ), близкого по свойствам к натуральному каучуку.

Конденсационные смолы – к ним относятся полимеры, получаемые рекцией поликонденсации.

1. Фенолформальдегидные смолы – образуются в результате взаимодействия фенола С6Н5ОН с формальдегидом СН2=О в присутствии кислот или оснований в качестве катализаторов. Процесс сопровождается выделением воды. Фенолформальдегидные смолы нашли применение при

183

производстве строительных деталей из отходов древесины, изготовлении оболочковых форм в литейном деле.

2.Полиэфирные смолы. Примером является полиэтилентерефталат – продукт поликонденсации двухосновной ароматической терефталевой кислоты с двухатомным спиртом этиленгликолем. Это полимер, в молекулах которого многократно повторяется группировка сложного эфира. В нашей стране эту смолу выпускают под названием лавсан (за рубежом – терилен, дакрон). Из нее готовят волокно, напоминающее шерсть, но значительно более прочное, дающее несминаемые ткани. Лавсан обладает высокой термо -, влаго- и светостойкостью, устойчив к действию щелочей, кислот и окислителей.

3.Полиамидные смолы. Полимеры этого типа являются синтетическими аналогами белков. В их цепях имеются такие же, как в белках, многократно повторяющиеся амидные –СО-NH- группы. В цепях молекул белков они разделены звеном из одного С-атома, в синтетических полиамидах - цепочкой из четырех и более С-атомов. Полиамиды выдерживают нагрузки, близкие к допустимым нагрузкам для цветных металлов.

Капрон является поликонденсатом аминокапроновой кислоты, содержащей цепь из шести атомов углерода. Энант - поликонденсат аминоэнантовой кислоты, содержащей цепь из семи атомов углерода. Анид (нейлон или перлон) получается поликонденсацией двухосновной адипиновой кислоты и гексаметилендиамина.

12.3.Элементорганические полимеры

Перечень элементорганических полимеров непрерывно увеличивается. Широкую известность приобрели кремнийорганические полимеры:

органосилоксаны и органосилазаны.

Они включают неорганический скелет, состоящий из силоксановых (SiOSi) и силозановых (SiNSi) группировок, обрамленных органическими

184

группами. При небольшой степени конденсации (около 10 атомов кремния) получаются жидкости, применяемые в качестве смазочных масел, с незначительным изменением вязкости в широком интервале температур и химической стойкостью. При более высокой степени конденсации получаются смолообразные вещества, которые стойки к нагреванию. На основе этих смол получают каучукоподобные материалы. Физиологическая инертность полиорганосилоксанов позволяет их использовать в медицине.

Политетрафторэтилен – полимер тетрафторэтилена: nCF2 =CF2 → (- CF2 –CF2 -)n. Он выпускается в виде пластмассы, называемой тефлоном или фторопластом. По химической стойкости превосходит золото и платину. Применяется в химическом машиностроении, электротехнике.

12.4. Неорганические полимеры

Неорганических полимеров – множество. Их важнейшими свойствами являются термическая и химическая стойкость, твердость и хрупкость. Это обусловлено наличием пространственной кристаллической структуры и часто высокой долей ионной составляющей химической связи. Влияют и другие особенности природы химических связей углерода С-С и С-Н по отношению к химическим связям других элементов. Простые вещества многих элементов часто имеют полимерную структуру. К ним относятся металлы, часть неметаллов. Для элементов главной подгруппы VI группы (S, Se, Te) характерно образование линейных полимерных цепей: пластическая модификация из цепочек …-S-S-S-…, свернутых в спирали, , что согласуется с ковалентностью атомов этих элементов. Для элементов главных подгрупп III – V групп полимеры могут быть линейными, плоской структуры и пространственными.

Углеродные полимеры хорошо известны. Это древесный и каменный уголь, кокс, графит, алмаз. Углеродные стекла имеют зеркальную поверхность и отличаются химической инертностью, непроницаемостью для

185

газов и жидкостей, повышенной твердостью и устойчивостью к резким скачкам температуры. Широкое распространение получили углеродные волокна.

К неорганическим полимерам относятся многие представители бинарных соединений: карбиды, нитриды, бориды и др. Силикаты и алюмосиликаты. Самыми распространенными сложными соединениями – неорганическими полимерами являются оксиды кремния, алюминия и других металлов. Состоят они из тетраэдров (SiO4)4- и (AlO4)5-, октаэдров (AlO6)9-.

Неорганические сополимеры силикатов и алюминатов металлов составляют еще более сложные образования, называемые цеолитами. В цеолитах тетраэдры образуют полиэдры, содержащие внутри свободные полости и каналы, в которых размещаются ионы:Na+, Mg2+, Ca2+ и др., молекулы воды и других веществ. Благодаря такому строению цеолиты обладают способностью обменивать одни ионы на другие. Цеолиты могут иметь каналы различных размеров, что позволяет использовать их в качестве молекулярных сит, например, разделять углеводороды с линейной цепью от углеводородов с разветвленной структурой.

12.5. Биополимеры

Биологические полимеры – это органические природные полимеры, которые обеспечивают процессы жизнедеятельности всех животных и растительных организмов. Основные типы биополимеров:

Нуклеиновые кислоты (ДНК,РНК) –это биополимеры, ММ которого состоят из многократно повторяющихся звеньев – нуклеотидов.

Белки ( полипептиды) – биополимеры, построенные из остатков α - аминокислот, соединенных пептидными (амидными связями –СО-NH-).

Полисахариды (С6Н10О5)n (целлюлоза, крахмал, гликоген) – это природные ВМ углеводороды, ММ которого состоят из остатков моносахаридов (глюкозы).

Целлюлоза используется для получения искусственных волокон.

186

Полиизопрены (натуральный каучук – гуттаперча). Натуральный каучук – природный ВМ непредельный углеводород, где n=1000-3000.

12.6. Строение и свойства полимеров

Макромолекулы полимеров могут быть линейными, разветвленными и сетчатыми.

Линейные полимеры образуются при полимеризации мономеров или линейной поликонденсации.

Разветвленные полимеры могут образоваться как при полимеризации, так и при поликонденсации.

Сетчатые полимеры образуются в результате сшивки цепей при вулканизации, образовании термореактивных смол и т.д.

Форма макромолекул влияет на структуру и свойства полимеров.

Линейные и разветвленные макромолекулы из-за способности атомов и групп вращаться вокруг ординарных связей постоянно изменяют свою пространственную форму, что обеспечивает гибкость макромолекул, которые могут изгибаться, скручиваться, распрямляться. Поэтому для линейных и разветвленных полимеров характерно высокоэластичное состояние, т.е. способность к обратимой деформации под действием относительно небольших внешних сил. Они также обладают термопластическими свойствами, т.е. способны размягчатся при нагревании и затвердевать при охлаждении без химических превращений.

При разветвлении полимеров эластические и термопластические свойства становятся менее выраженными.

При образовании сетчатой структуры термопластичность теряется. Такие полимеры не могут обратимо размягчаться и затвердевать. При нагревании они подвергаются либо полной деструкции (разрушение под действием кислорода, света, теплоты и радиации), либо вторично полимеризуются с образованием новых еще более прочных и жестких структур. Такие полимеры называются термореактивными. Изделия из

187

таких полимеров не размягчаются при нагревании. Неорганические полимеры при нагревании распадаются на участки меньшей длины, происходит деполимеризация.

Линейные макромолекулы могут иметь регулярную и нерегулярную структуру. В полимерах регулярной структуры отдельные звенья цепи повторяются в пространстве в определенном порядке. Они получили название стереорегулярных. Полимеры, у которых отдельные звенья расположены в пространстве бессистемно, имеют нерегулярную структуру.

Стереорегулярной структурой обладают натуральный каучук, а также некоторые синтетические полимеры, например, полиизобутилен, полиэтилен, полипропилен. Стереорегулярность структуры изменяет тепловые и механические свойства полимеров.

Структура полимеров определяет их состояния. Полимеры могут находиться в кристаллическом, жидкокристаллическом и аморфном состояниях. Большинство полимеров обычно находится в аморфном состоянии. Однако некоторые полимеры в определенных условиях могут иметь кристаллическую структуру. Способностью кристаллизоваться обладают лишь стереорегулярные полимерные.

188

ТЕМА 13. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ АНАЛИТИЧЕСКОЙ ХИМИИ

13.1 ОБЩИЕ ПОНЯТИЯ

Аналитической химией называют науку о методах определения состава и структуры химических систем.

Химическая система может представлять собой индивидуальное соединение, смесь веществ, какой-либо материал. Состав вещества и материалов имеет качественную и количественную характеристики.

Качественный состав указывает на наличие в веществе определенных элементов, функциональных групп и других частей молекул, а также индивидуальных химических соединений в смеси.

Количественный состав описывает количество отдельных частей в веществе или отдельных веществ в каком-либо материале.

Структурой называют порядок расположения атомов и их химической связи в молекуле вещества; химическая система учитывает наличие химической связи между молекулами или ионами веществ.

Например, вода состоит из водорода и кислорода (качественный состав) в количествах 11,1 и 88,9% соответственно (количественный состав), молекулы воды имеют строение (структура) и связаны между собой в кластерные группы водородной связью (системная характеристика)

Определение качественного и количественного химического состава веществ, их структуры и системных взаимосвязей проводят методами химического анализа. Для проведения химического анализа необходимо, чтобы вещество или его составные части обладали химическими или физическими свойствами, называемыми аналитическими свойствами, позволяющими обнаружить, измерить количество и установить структуру и системные взаимоотношения веществ.

189

Аналитическими свойствами веществ могут быть цвет, запах или способность образовывать цветные соединения, осадки, газы при взаимодействии с определенными химическими реагентами.

Например, аммиак обнаруживают по его специфическому запаху, карбонаты – по выделению СО2 при взаимодействии с серной кислотой.

Химические реакции, при которых возникает аналитический эффект, называют аналитическими химическими реакциями. Реактивы,

применяемые для проведения аналитических реакций, называют

аналитическими реагентами.

Т.о., химический анализ в зависимости от решаемых аналитических задач разделяют на качественный, количественный, структурный и системный.

В зависимости от вида идентифицируемых частиц различают

элементный, молекулярный, изотопный и фазовый анализы.

Вещества анализируют с помощью различных методов. Применяют

химические, инструментальные и биологические методы анализа.

Химические методы основаны на использовании химических реакций, эффект анализа наблюдается визуально.

В инструментальных методах применяют аналитические приборы и аппараты, регистрирующие физические свойства веществ или изменения свойств.

Биологические методы применяют в анализе биологически-активных веществ. Например, антибиотики анализируют по их способности останавливать рост микроорганизмов.

13.2. МЕТОДЫ КАЧЕСТВЕННОГОАНАЛИЗА

190