Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Основы органической химии. Органические полимерные материалы
.pdf
Федеральное агентство по образованию
Государственное образовательное учреждение
высшего профессионального образования
«Казанский государственный технологический университет»
ОСНОВЫ
ОРГАНИЧЕСКИЕ ПОЛИМЕРНЫЕ
ОРГАНИЧЕСКОЙ ХИМИИ.
МАТЕРИАЛЫ
Учебное п
особие
К А З А Н Ь 2 0 1 0
Хамитова, А. И. Основы органической химии. Органические
полимерные материалы /А.И.Хамитова, Л.В.Антонова, Т.Е.Бусыгина.
– Казан. гос. технол. ун-т; Казань, 2010. – 97 с.
ISBN 978-5-7882-1208-1
Рассмо
трены теоретические представления о строении и
реакционной способности органических соединений, природные и
синтетические полимеры.
Предназначены для студентов инженерного, механического,
нефтяного, легкой промышленности факультетов КГТУ, изучающих
дисциплину «Химия».
Подготовлены на кафедре неорганической химии КГТУ.
Печатаются по решению редакционно-издательского совета
Казанского государственного технологического университета.
Казанский государственный технологический университет, 2010.
Под редакцией проф.А.М. Кузнецова.
Рецензенты: проф. Е.А. Красильникова
с.н.с. С.А. Неклюдов
2
Введение
Полимеры (от греч. поли – много и мерос – доля, часть),
вещества, молекулы (макромолекулы) которых состоят из большого
числа повторяющихся звеньев. Классификация полимеров
представлена в табл. 1.
Таблица 1
Классификация полимеров
Принцип классификации Полимеры
1 2
Происхождение
Форма макромолекул
(расположение в молекулах
атомах и атомных групп)
Природные (биополимеры):
белки, нуклеиновые кислоты,
природный каучук
Синтетические: полиэтилен,
полиамиды, эпоксидные смолы
Линейные: каучук, целлюлоза
Разветвленные: амилопектин
Сетчатые: фенол-
формальдегидные смолы
Органические: полиэтилен Природа мономера
Неорганические: полифосфазены
Состав главной цепи
макромолекулы
Гомоцепные (чаще карбоцепные):
Гетероцепные (содержащие
атомы разных элементов, чаще
всего C, N, Si, P): полиэфиры
Элементорганические (входят
атомы неорганогенных
3
Окончание табл. 1
M ...
1 2
элементов)
Координационные (содержат
атомы металла, например Zn, Mg,
Cu)
Гомополимеры: Химический состав
Сополимеры:
Кристаллические: Фазовое состояние
Аморфные:
Полимеры называют также и высокомолекулярными
соединениями (ВМС). Молекулярная масса полимеров может
изменяться от нескольких тысяч до многих миллионов, так как
органические полимеры построены из элементарных звеньев –
многократно повторяющихся и связанных между собой остатков
молекул низкомолекулярных веществ – мономеров. Довольно часто
общую формулу полимеров можно представить в виде (–М–)n, г
де М
– элементарное звено полимера. Длину макромолекул выражают
средним числом звеньев мономера, которое называют степенью
полимеризации (n).
Полимеры могут иметь линейное, разветвленное и сетчатое
строение. Макромолекула линейного строения выглядит следующим
образом:
... M
M
M
4
M
M
В этом случае каждое из элементарных звеньев связано только с
M ...
M ...
M ...
двумя соседними и образует неразветвленную цепь. Основная цепь
макромолекулы может иметь «ответвления», и тогда построенные по
такому типу полимеры будут разветвленными:
R
... M
M
M
M
M
R
Линейные и разветвленные полимеры способны образовывать
прочные волокна и пленки, которые эластичны и могут плавиться и
растворяться в различных растворителях. Пример линейного
полимера – полиэтилен, разветвленного – каучук.
В сетчатых («сшитых») полимерах длинные линейные цепи
связаны друг с другом в единую сетку более короткими поперечными
цепями:
... M
... M
M
M
M
M
M
M
M
M
M
M
В сетчатых полимерах вещество представляет собой одну
гигантскую молекулу. Примером могут служить
фенолформальдегидные смолы. Такие вещества неэластичны и
нерастворимы.
5
Если молекула мономера несимметрична (СН2=СН-Х, где Х -
...
...
заместитель), в этом случае могут образовываться регулярные и
нерегулярные полимеры. В регулярном полимере происходит
присоединение либо «голова к хвосту»:
CH CHX CH CHX
2
2
либо «голова к голове»:
CH CHX CHX CH
2
2
Полимеры с регулярным строением имеют особо ценные
физико-химические и механические свойства.
Макромолекулы полимеров могут быть построены из остатков
разных мономеров. ВМС такого типа называются сополимерами.
При этом в зависимости от способа чередования различных звеньев
они также бывают регулярного:
... M
M M
M
M
M
и нерегулярного строения:
...
MM
M
M
M
M
6
Примером сополимера является бутадиен-стирольный каучук,
получающийся при сополимеризации бутадиена и стирола.
По своему происхождению ВМС делятся на природные –
биополимеры и синтетические. Природные полимеры
синтезируются клетками растительных и животных организмов, а
синтетические получаются из продуктов переработки природного
газа, нефти, каменного угля.
По фазовому состоянию полимеры могут быть
кристаллическими или аморфными. Необходимое условие
кристаллизации – регулярность достаточно длинных участков
молекулярной цепи.
Свойства отдельных ВМС определяются химическим составом,
строением, конформацией и взаимным расположением макромолекул
(надмолекулярной структурой).
Механическая прочность, эластичность, электроизоляционные и
другие ценные технические свойства обуславливают широкое
применение ВМС в различных областях народного хозяйства.
Полимеры – основа пластических масс, химических волокон, резины,
лакокрасочных материалов, клеев, герметиков, ионообменных смол.
Биополимеры составляют основу всех живых организмов и
участвуют во всех процессах жизнедеятельности.
7
1. Теория строения органических соединений
1.1. Предыстория создания теории химического строения
Трудно представить нашу жизнь без органических соединений.
Ежегодно число органических соединений увеличивается на 300-400
тысяч. Большинство этих веществ никогда не существовало в
природе. Они синтезированы в химических лабораториях.
Несмотря на то, что органическая химия еще относительно
молода (как самостоятельная дисциплина она сформировалась в XIX
веке), ее по праву можно считать древнейшей из наук, ведь
знакомство человека с органическими веществами произошло
задолго до новой эры.
Начальный этап развития химической науки обычно называют
периодом практической химии
, так как в те далекие времена люди
добывали и обрабатывали только те материалы, которые были им
необходимы для жизни: пекли хлеб, делали пиво, вино, уксус, сыр.
В Египте, Финикии, Индии издавна широко применялись
природные красители – индиго, марена, пурпур. В древности был
освоен процесс дубления кож некоторыми веществами растительного
происхождения. Приготовление мыла путем обработки жиров
растительной золой и известью было описано в «Естественной
истории» Плиния Старшего.
Во II веке н.э. в истории химии начинается новый –
алхимический период
. Алхимики не проводили различий между
органическими и неорганическими соединениями. В IX веке арабский
ученый Ар-Рази в «Книге тайн» впервые дал классификацию всех
8
известных в то время веществ, разделив их на три большие группы:
землистые (минеральные), растительные и животные.
В XVI столетии в химии утвердилось еще одно направление,
которое связано с именем Парацельса. Ученый предложил
объединить алхимию и медицину. Так возникла новая наука
ятрохимия (от греч. «ятрос» – «врач»), т.е. «врачебная» или
«медицинская» химия. Лишь некоторые из ятрохимиков пытались
выделить целебные вещества из органических минералов.
Фламандский ятрохимик Г. Ван Минзихт из винного камня выделил
гидротартрат калия (рвотный камень), немецкий ятрохимик Андреас
Либавий сухой перегонкой янтаря получил янтарную кислоту,
итальянец Луиджи Бруньятелли окислением пробки получил
пробковую кислоту, немецкий исследователь Андреас Маргграф
обнаружил в свекловичном соке сахар и разработал способ его
извлечения. С этого времени внимание исследователей было
обращено на исследование состава соков растений. Карл Шееле
обрабатывал соки известью, а затем действием серной кислотой
извлекал кислоты из образовавшихся веществ. Он получил лимонную
и яблочную кислоты, изменил метод получения галловой кислоты.
С накоплением в VII веке сведений об органических
соединениях стали возможны поиски общих закономерностей их
внутреннего строения. На особенности их элементного состава
впервые указал А.Л. Лавуазье, установивший, что эти вещества
содержат углерод, водород, кислород, а некоторые – еще азот, серу и
фосфор.
9
В 1784 г. вышла работа шведского химика Улафа Бергмана
O
«Размышления о естественной системе ископаемых». С этого
времени в науке на долгие годы распространилось убеждение, что
вещества растительного и животного происхождения образуются
благодаря некой «жизненной силе» (лат. - «vis vitalis»), которая
будучи нематериальной по своей природе всегда ускользает при
химических исследованиях. По этой причине шведский химик Якоб
Берцелиус определил органическую химию как химию растительных
или животных веществ, образующихся под влиянием «жизненной
силы». Именно Берцелиус ввел понятия «органические вещества» и
«органическая химия».
Развитие химии привело к краху учения о «жизненной силе». В
1824 г. немецкий ученый Фридрих Веллер осуществил первый синтез
органических веществ – получил щавелевую кислоту путем
взаимодействия двух неорганических веществ – дициана и воды:
COOH
N C C
N
+ 4 H O
2
COOH
+ NH
3
.
В 1828 г. Веллер, нагревая водный раствор неорганического
вещества цианата аммония, получил мочевину – продукт
жизнедеятельности животных организмов:
NH
2
NH OCN
4
цианат
аммония
10
NH
мочевина
C
2
.
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]