Polymere sind aus unserem heutigen Leben nicht mehr wegzudenken - komplexe synthetische Substanzen, die in verschiedenen Bereichen der menschlichen Tätigkeit weit verbreitet sind. Polymere sind hochmolekulare Verbindungen natürlichen oder synthetischen Ursprungs, die aus Monomeren bestehen, die durch chemische Bindungen verbunden sind. Ein Monomer ist ein sich wiederholendes Kettenglied, das das Ausgangsmolekül enthält.
Organische makromolekulare Verbindungen
Hochmolekulare Verbindungen ersetzen aufgrund ihrer einzigartigen Eigenschaften erfolgreich natürliche Materialien wie Holz, Metall, Stein in verschiedenen Lebensbereichen und erobern neue Anwendungsfelder. Um eine derart umfangreiche Stoffgruppe zu systematisieren, wird die Klassifizierung von Polymeren nach verschiedenen Kriterien vorgenommen. Dazu gehören Zusammensetzung, Produktionsmethode, räumliche Konfiguration usw.
Die Klassifizierung von Polymeren nach chemischer Zusammensetzung unterteilt sie in drei Gruppen:
- Organische makromolekulare Substanzen.
- Organoelementverbindungen.
- Anorganische makromolekulare Verbindungen.
Die größte Gruppe bilden organische Spiralen - Harze, Kautschuke, Pflanzenöle, also Produkte tierischen und pflanzlichen Ursprungs. Die Makromoleküle dieser Substanzen in der Hauptkette enthalten zusammen mit den Kohlenstoffatomen Atome von Sauerstoff, Stickstoff und anderen Elementen.
Ihre Eigenschaften:
- die Fähigkeit haben, die Verformung, das heißt die Elastizität bei geringen Belastungen, umzukehren;
- bei einer geringen Konzentration können sich viskose Lösungen bilden;
- Ändern Sie die physikalischen und mechanischen Eigenschaften unter dem Einfluss einer minimalen Menge an Reagenz.
- Durch mechanische Einwirkung ist eine gerichtete Orientierung ihrer Makromoleküle möglich.
Organoelementverbindungen
Organoelementare Spiralen, deren Makromoleküle neben Atomen anorganischer Elemente - Silizium-, Titan-, Aluminium- und organische Kohlenwasserstoffradikale - künstlich erzeugt werden und in der Natur nicht. Die Klassifizierung von Polymeren unterteilt diese wiederum in drei Gruppen.
- Die erste Gruppe sind Substanzen, bei denen die Hauptkette aus Atomen bestimmter Elemente besteht, die von organischen Radikalen umgeben sind.
- Die zweite Gruppe umfasst Substanzen mit einer Hauptkette, die alternierende Kohlenstoffatome und Elemente wie Schwefel, Stickstoff und andere enthalten.
- Die dritte Gruppe umfasst Substanzen mit organischem Rückgrat, die von verschiedenen organoelementaren Gruppen umgeben sind.
Ein Beispiel sind siliciumorganische Verbindungen, insbesondere Silikon, die eine hohe Verschleißfestigkeit aufweisen.
Anorganische makromolekulare Verbindungen in der Hauptkette enthalten Oxide von Silicium und Metallen - Magnesium, Aluminium oder Calcium. Sie haben keine lateralen organischen Atomgruppen. Die Bindungen in den Hauptketten sind kovalent und ionenkovalent, was ihre hohe Festigkeit und Wärmebeständigkeit bestimmt. Dazu gehören Asbest, Keramik, Silikatglas, Quarz.
Carbochain und Heterochain Navy
Bei der Klassifizierung von Polymeren nach der chemischen Zusammensetzung der Hauptpolymerkette werden diese Substanzen in zwei große Gruppen eingeteilt.
- Carbochain, bei dem die Hauptkette des IUP-Makromoleküls nur aus Kohlenstoffatomen besteht.
- Heterokette, in der sich andere Atome zusammen mit Kohlenstoffatomen in der Hauptkette befinden, was dieser Substanz zusätzliche Eigenschaften verleiht.
Jede dieser großen Gruppen besteht aus den folgenden Untergruppen, die sich in der Struktur der Kette, der Anzahl der Substituenten, ihrer Zusammensetzung und der Anzahl der Seitenverzweigungen unterscheiden:
- Verbindungen mit gesättigten Bindungen in Ketten, beispielsweise Polyethylen oder Polypropylen;
- Polymere mit ungesättigten Bindungen in der Hauptkette, beispielsweise Polybutadien;
- halogensubstituierte makromolekulare Verbindungen - Teflon;
- polymere Alkohole, von denen ein Beispiel Polyvinylalkohol ist;
- Spiralen auf der Basis von Derivaten von Alkoholen, ein Beispiel ist Polyvinylacetat;
- von Aldehyden und Ketonen abgeleitete Verbindungen, wie Polyacrolein;
- Polymere, die von Carbonsäuren abgeleitet sind, von denen Polyacrylsäure ein Vertreter ist;
- von Nitrilen abgeleitete Substanzen (PAN);
- von aromatischen Kohlenwasserstoffen abgeleitete makromolekulare Substanzen, beispielsweise Polystyrol.
Division durch die Natur des Heteroatoms
Die Klassifizierung von Polymeren kann auch von der Art der Heteroatome abhängen und umfasst mehrere Gruppen:
- mit Sauerstoffatomen in der Hauptkette - einfache und komplexe Polyester und Peroxide;
- Verbindungen mit dem Gehalt an Stickstoffatomen in der Hauptkette - Polyamine und Polyamide;
- Substanzen mit Sauerstoff- und Stickstoffatomen in der Hauptkette, beispielsweise Polyurethane;
- Spiralen mit Schwefelatomen in der Hauptkette - Polythioester und Polytetrasulfide;
- Verbindungen, in denen Phosphoratome in der Hauptkette vorliegen.
Natürliche Polymere
Derzeit ist die Klassifizierung von Polymeren nach Ursprung, nach chemischer Natur, die sie wie folgt unterteilt:
- Natürlich werden sie auch Biopolymere genannt.
- Künstliche Substanzen mit hohem Molekulargewicht.
- Synthetische Verbindungen.
Natural Navy ist die Basis des Lebens auf der Erde. Die wichtigsten davon sind Proteine - die "Bausteine" lebender Organismen, deren Monomere Aminosäuren sind. Proteine sind an allen biochemischen Reaktionen des Körpers beteiligt, ohne sie kann das Immunsystem nicht funktionieren, Blutgerinnungsprozesse, Bildung von Knochen- und Muskelgewebe, Energieumwandlungsarbeit und vieles mehr. Ohne Nukleinsäuren ist die Speicherung und Weitergabe von Erbinformationen nicht möglich.
Polysaccharide sind hochmolekulare Kohlenwasserstoffe, die zusammen mit Proteinen am Stoffwechsel beteiligt sind. Durch die Klassifizierung von Polymeren nach Herkunft können Sie natürliche makromolekulare Substanzen in einer speziellen Gruppe auswählen.
Künstliche und synthetische Polymere
Künstliche Polymere werden auf natürliche Weise durch verschiedene chemische Modifizierungsmethoden hergestellt, um ihnen die erforderlichen Eigenschaften zu verleihen. Ein Beispiel ist Cellulose, aus der viele Kunststoffe gewonnen werden. Die Klassifizierung von Polymeren nach Herkunft charakterisiert sie als künstliche Substanzen. Synthetische IUDs werden chemisch unter Verwendung von Polymerisations- oder Polykondensationsreaktionen erhalten. Ihre Eigenschaften und damit der Anwendungsbereich hängen von der Länge des Makromoleküls, also vom Molekulargewicht ab. Je größer es ist, desto fester ist das erhaltene Material. Die Klassifizierung von Polymeren nach Herkunft ist sehr zweckmäßig. Beispiele bestätigen dies.
Lineare Makromoleküle
Jede Klassifizierung von Polymeren ist eher willkürlich und hat ihre eigenen Nachteile, da sie nicht alle Eigenschaften dieser Stoffgruppe aufweisen kann. Trotzdem hilft es, sie auf irgendeine Weise zu systematisieren. Die Klassifizierung von Polymeren in Form von Makromolekülen erfolgt in Form der folgenden drei Gruppen:
- linear
- verzweigt;
- räumlich, die auch Masche genannt werden.
Lange, gebogene oder spiralförmige Ketten linearer Spiralen verleihen Substanzen einige einzigartige Eigenschaften:
- aufgrund des Auftretens intermolekularer Bindungen bilden sich starke Fasern;
- sie sind zu großen und langen, aber gleichzeitig reversiblen Verformungen fähig;
- eine wichtige Eigenschaft ist ihre Flexibilität;
- Beim Auflösen bilden diese Substanzen Lösungen mit hoher Viskosität.
Verzweigte Makromoleküle
Verzweigte Polymere haben ebenfalls eine lineare Struktur, aber viele Seitenverzweigungen sind kürzer als die Hauptverzweigung.Gleichzeitig ändern sich auch ihre Eigenschaften:
- die Löslichkeit von verzweigten Substanzen ist höher als linear bzw. sie bilden Lösungen mit niedrigerer Viskosität;
- mit zunehmender Länge der Seitenketten werden die intermolekularen Kräfte schwächer, was zu einer Erhöhung der Weichheit und Elastizität des Materials führt;
- Je höher der Verzweigungsgrad, desto mehr physikalische Eigenschaften einer solchen Substanz nähern sich den Eigenschaften gewöhnlicher niedermolekularer Verbindungen an.
Dreidimensionale Makromoleküle
Makromolekulare Maschenverbindungen sind flach (Treppen- und Parketttyp) und dreidimensional. Flachgummi enthält Naturgummi und Graphit. In räumlichen Polymeren gibt es vernetzende „Brücken“ zwischen Ketten, die ein großes dreidimensionales Makromolekül bilden, das eine außergewöhnliche Härte aufweist.
Ein Beispiel ist Diamant oder Keratin. Makromolekulare Maschenverbindungen sind die Basis für Kautschuke, einige Arten von Kunststoffen sowie Klebstoffe und Lacke.
Thermoplaste und Duroplaste
Die Einteilung der Polymere nach Herkunft und Erwärmung soll das Verhalten dieser Stoffe in Bezug auf die Temperatur charakterisieren. Abhängig von den Prozessen, die während des Erhitzens auftreten, werden unterschiedliche Ergebnisse erhalten. Wenn die intermolekulare Wechselwirkung schwächer wird und die kinetische Energie der Moleküle zunimmt, erweicht die Substanz und wird zu einem viskosen Zustand. Wenn die Temperatur sinkt, kehrt es zu seinem normalen Zustand zurück - seine chemische Natur bleibt unverändert. Solche Substanzen werden als thermoplastische Polymere bezeichnet, beispielsweise Polyethylen.
Eine andere Gruppe von Verbindungen wird als Duroplast bezeichnet. Der Mechanismus der Prozesse, die während des Erhitzens in ihnen ablaufen, ist völlig unterschiedlich. In Gegenwart von Doppelbindungen oder funktionellen Gruppen interagieren sie miteinander und verändern die chemische Natur der Substanz. Beim Abkühlen kann es seine ursprüngliche Form nicht wiederherstellen. Ein Beispiel sind verschiedene Harze.
Polymerisationsmethode
Eine andere Klassifizierung von Polymeren erfolgt nach der Herstellungsmethode. Es gibt solche Möglichkeiten, eine IUP zu bekommen:
- Polymerisation, die über den ionischen Reaktionsmechanismus und über freie Radikale erfolgen kann.
- Polykondensation
Die Polymerisation ist der Prozess der Bildung von Makromolekülen durch sequentielle Verbindung von Monomereinheiten. Es handelt sich üblicherweise um niedermolekulare Substanzen mit Mehrfachbindungen und cyclischen Gruppen. Während der Reaktion bricht eine Doppelbindung oder Bindung in der cyclischen Gruppe und es bilden sich neue zwischen diesen Monomeren. Wenn Monomere derselben Spezies an der Reaktion beteiligt sind, spricht man von Homopolymerisation. Bei Verwendung verschiedener Monomertypen tritt eine Copolymerisationsreaktion auf.
Die Polymerisationsreaktion ist eine Kettenreaktion, die spontan ablaufen kann, die jedoch mit Wirkstoffen beschleunigt wird. Mit dem Radikalmechanismus verläuft der Prozess in mehreren Schritten:
- Einweihung. In diesem Stadium werden durch Licht, Wärme, chemische oder andere Einflüsse aktive Gruppen - Radikale - im System gebildet.
- Kettenlängenwachstum. Diese Stufe ist gekennzeichnet durch die Zugabe der folgenden Monomere zu Radikalen, um neue Radikale zu bilden.
- Eine offene Kette wird durch die Wechselwirkung von aktiven Gruppen mit der Bildung inaktiver Makromoleküle erhalten.
Es ist unmöglich, den Zeitpunkt des Kettenabbruchs zu kontrollieren, und daher unterscheiden sich die resultierenden Makromoleküle in unterschiedlichen Molekulargewichten.
Das Prinzip des Ionenmechanismus der Polymerisationsreaktion ist das gleiche wie das des freien Radikals. Kationen und Anionen wirken hier jedoch als aktive Zentren, weshalb zwischen kationischer und anionischer Polymerisation unterschieden wird. In der Industrie werden die wichtigsten Polymere durch radikalische Polymerisation erhalten: Polyethylen, Polystyrol und viele andere. Die Ionenpolymerisation wird bei der Herstellung von Synthesekautschuken eingesetzt.
Polykondensation
Das Verfahren zur Bildung einer hochmolekularen Verbindung unter Abtrennung einiger niedermolekularer Substanzen als Nebenprodukt ist die Polykondensation, die sich von der Polymerisation dadurch unterscheidet, dass die Elementzusammensetzung des resultierenden Makromoleküls nicht der Zusammensetzung der an der Reaktion beteiligten Ausgangssubstanzen entspricht. An ihnen können nur Verbindungen mit funktionellen Gruppen teilnehmen, die durch Wechselwirkung das Molekül einer einfachen Substanz spalten und eine neue Bindung eingehen. Durch Polykondensation von bifunktionellen Verbindungen entstehen lineare Polymere. Wenn polyfunktionelle Verbindungen an der Reaktion beteiligt sind, werden IUPs mit einer verzweigten oder sogar räumlichen Struktur gebildet. Die während der Reaktion gebildeten niedermolekularen Substanzen wechselwirken auch mit den Zwischenprodukten und verursachen einen Kettenabbruch. Daher ist es besser, sie aus der Reaktionszone zu entfernen.
Bestimmte Polymere können nicht durch bekannte Polymerisations- oder Polykondensationsverfahren erhalten werden, da keine erforderlichen Ausgangsmonomere vorhanden sind, die in der Lage sind, daran teilzunehmen. In diesem Fall wird die Polymersynthese unter Beteiligung von Verbindungen mit hohem Molekulargewicht durchgeführt, die funktionelle Gruppen enthalten, die miteinander reagieren können.
Die Klassifizierung von Polymeren wird von Tag zu Tag komplizierter, da immer mehr neue Arten dieser erstaunlichen Substanzen mit vorgegebenen Eigenschaften auftauchen und sich ein Mensch sein Leben ohne sie nicht mehr vorstellen kann. Ein weiteres, nicht minder wichtiges Problem ist jedoch die Möglichkeit der einfachen und kostengünstigen Entsorgung. Die Lösung dieses Problems ist sehr wichtig für die Existenz des Planeten.
