Današnji život teško je zamisliti bez polimera - složenih sintetskih tvari koje se široko koriste u raznim područjima ljudske aktivnosti. Polimeri su visoko molekularni spojevi prirodnog ili sintetskog podrijetla, koji se sastoje od monomera povezanih kemijskim vezama. Monomer je lančana veza koja se ponavlja, koja sadrži matičnu molekulu.
Organski makromolekularni spojevi
Zbog svojih jedinstvenih svojstava, visoko molekularni spojevi uspješno zamjenjuju takve prirodne materijale kao što su drvo, metal, kamen u raznim sferama života, osvajajući nova područja primjene. Za sistematizaciju tako opsežne skupine tvari usvojena je klasifikacija polimera prema različitim kriterijima. Oni uključuju sastav, način proizvodnje, prostornu konfiguraciju i tako dalje.
Razvrstavanje polimera prema kemijskom sastavu dijeli ih u tri skupine:
- Organske makromolekularne tvari.
- Organoelement spojevi.
- Neorganski makromolekularni spojevi.
Najveću skupinu čine organski IUD - smole, gume, biljna ulja, odnosno proizvodi životinjskog i biljnog podrijetla. Makromolekule ovih tvari u glavnom lancu, zajedno s atomima ugljika, imaju atome kisika, dušika i druge elemente.
Njihova svojstva:
- imaju sposobnost obrnute deformacije, tj. elastičnost pri malim opterećenjima;
- u maloj koncentraciji mogu tvoriti viskozne otopine;
- mijenjaju fizičke i mehaničke karakteristike pod utjecajem minimalne količine reagensa;
- s mehaničkim djelovanjem moguća je usmjerena orijentacija njihovih makromolekula.
Organoelement spojevi
Organoelementarni IUD, čiji makromolekule sadrže, osim atoma anorganskih elemenata - silicija, titana, aluminija - i organskih ugljikovodičnih radikala, stvoreni su umjetno, a u prirodi nisu. Razvrstavanje polimera dijeli ih, pak, u tri skupine.
- Prva skupina su tvari u kojima je glavni lanac sastavljen od atoma određenih elemenata okruženih organskim radikalima.
- Druga skupina uključuje tvari s glavnim lancem koji sadrže naizmjenične atome ugljika i elemente poput sumpora, dušika i drugih.
- U treću skupinu ubrajaju se tvari s organskim podlogama okružene različitim organoelementarnim skupinama.
Primjer su organosilikonski spojevi, posebice silikon koji ima visoku otpornost na trošenje.
Neorganski makromolekularni spojevi u glavnom lancu sadrže okside silicija i metala - magnezij, aluminij ili kalcij. Nemaju bočne organske atomske skupine. Vezi u glavnim lancima kovalentni su i ionsko-kovalentni, što određuje njihovu visoku čvrstoću i otpornost na toplinu. To uključuje azbest, keramiku, silikatno staklo, kvarc.
Carbochain i heterochain Mornarica
Razvrstavanje polimera prema kemijskom sastavu glavnog polimernog lanca uključuje podjelu ovih tvari u dvije velike skupine.
- Carbochain, u kojem se glavni lanac IUD makromolekule sastoji samo od ugljikovih atoma.
- Hetero-lanac u kojem se ostali atomi nalaze u glavnom lancu zajedno s atomima ugljika, što ovoj tvari daje dodatna svojstva.
Svaka od ovih velikih skupina sastoji se od sljedećih podskupina koje se razlikuju u strukturi lanca, broju supstituenata, njihovom sastavu i broju bočnih grana:
- spojevi sa zasićenim vezama u lancima, na primjer, polietilen ili polipropilen;
- polimeri s nezasićenim vezama u glavnom lancu, na primjer polibutadien;
- makromolekularni spojevi supstituirani s halogom - teflon;
- polimerni alkoholi, čiji je primjer polivinil alkohol;
- IUD zasnovani na derivatima alkohola, primjer je polivinil acetat;
- spojevi dobiveni iz aldehida i ketona, poput poliakroleina;
- polimeri koji su izvedeni iz karboksilnih kiselina, a čiji je predstavnik poliakrilna kiselina;
- tvari dobivene iz nitrila (PAN);
- makromolekularne tvari dobivene iz aromatskih ugljikovodika, na primjer polistiren.
Podjela po prirodi heteroatoma
Razvrstavanje polimera također može ovisiti o prirodi heteroatoma, uključuje nekoliko skupina:
- s atomima kisika u glavnom lancu - jednostavni i složeni poliesteri i peroksidi;
- spojevi s sadržajem u glavnom lancu dušikovih atoma - poliamini i poliamidi;
- tvari s atomima kisika i dušika u glavnom lancu, na primjer, poliuretani;
- IUD sa sumpornim atomima u glavnom lancu - poliotioesteri i politetrasulfidi;
- spojevi u kojima su atomi fosfora prisutni u glavnom lancu.
Prirodni polimeri
Trenutno je razvrstavanje polimera prema podrijetlu prema kemijskoj prirodi koja ih dijeli na sljedeći način:
- Prirodni, oni se nazivaju i biopolimeri.
- Umjetne tvari visoke molekulske težine.
- Sintetski spojevi.
Prirodna mornarica osnova je života na Zemlji. Najvažniji od njih su proteini - „cigle“ živih organizama, čiji su monomeri aminokiseline. Proteini su uključeni u sve biokemijske reakcije tijela, bez njih imunološki sustav ne može raditi, procesi koagulacije krvi, formiranje koštanog i mišićnog tkiva, rad na pretvorbi energije i još mnogo toga. Bez nukleinskih kiselina nije moguće pohranjivanje i prijenos nasljednih informacija.
Polisaharidi su visoko molekulski ugljikovodici koji zajedno s proteinima sudjeluju u metabolizmu. Razvrstavanje polimera prema podrijetlu omogućuje vam odabir prirodnih makromolekularnih tvari u posebnu skupinu.
Umjetni i sintetički polimeri
Umjetni polimeri dobiveni su iz prirodnih različitih metoda kemijske modifikacije kako bi im se dala potrebna svojstva. Primjer je celuloza iz koje se dobiva mnogo plastike. Razvrstavanje polimera po podrijetlu karakterizira ih kao umjetne tvari. Sintetički IUD-ovi dobivaju se kemijski pomoću reakcija polimerizacije ili polikondenzacije. Njihova svojstva, a samim tim i opseg, ovise o duljini makromolekule, odnosno o molekularnoj težini. Što je veća, to je jači dobiveni materijal. Razvrstavanje polimera po podrijetlu vrlo je prikladno. Primjeri to potvrđuju.
Linearne makromolekule
Bilo koja klasifikacija polimera prilično je proizvoljna i svaki ima svoje nedostatke, jer ne može prikazati sve karakteristike ove skupine tvari. Ipak, pomaže ih na neki način sistematizirati. Razvrstavanje polimera u obliku makromolekula prikazuje ih u sljedeće tri skupine:
- linearan;
- razgranata;
- prostorni, koji se nazivaju i mrežasti.
Dugi, zakrivljeni ili spiralno oblikovani lanci linearnih IUD-a daju tvarima jedinstvena svojstva:
- zbog pojave intermolekularnih veza formiraju jaka vlakna;
- sposobni su za velike i duge, ali istovremeno i reverzibilne deformacije;
- važno svojstvo je njihova fleksibilnost;
- nakon otapanja, ove tvari tvore otopine visoke viskoznosti.
Razgranati makromolekule
Razgranati polimeri također imaju linearnu strukturu, ali s mnogim bočnim granama kraćim od glavnih.Istovremeno se mijenjaju i njihova svojstva:
- topljivost razgranatih tvari veća je od linearne, odnosno oni formiraju otopine niže viskoznosti;
- s povećanjem duljine bočnih lanaca, intermolekularne sile postaju slabije, što dovodi do povećanja mekoće i elastičnosti materijala;
- što je veći stupanj razgranatosti, to se fizička svojstva takve tvari približavaju svojstvima običnih spojeva male molekulske mase.
Trodimenzionalne makromolekule
Mrežni makromolekularni spojevi su ravni (stubište i parket) i trodimenzionalni. Ravna guma uključuje prirodnu gumu i grafit. U prostornim polimerima postoje umrežavajući "mostovi" između lanaca, tvoreći jednu veliku trodimenzionalnu makromolekulu koja ima izuzetnu tvrdoću.
Primjer je dijamant ili keratin. Mrežni makromolekularni spojevi osnova su gume, neke vrste plastike, kao i ljepila i lakovi.
Termoplastika i termosetovi
Razvrstavanje polimera po podrijetlu i s obzirom na zagrijavanje ima za cilj karakterizirati ponašanje tih tvari s temperaturom. Ovisno o procesima koji se događaju tijekom zagrijavanja, dobivaju se različiti rezultati. Ako međumolekularna interakcija oslabi i povećava se kinetička energija molekula, tvar omekšava, prelazeći u viskozno stanje. Kada se temperatura smanji, vraća se u normalno stanje - njegova kemijska priroda ostaje nepromijenjena. Takve tvari nazivaju se termoplastični polimeri, na primjer polietilen.
Druga skupina spojeva naziva se termootporno. Mehanizam procesa koji se odvijaju u njima tijekom zagrijavanja potpuno je različit. U prisutnosti dvostrukih veza ili funkcionalnih skupina, one međusobno djeluju, mijenjajući kemijsku prirodu tvari. Ne može vratiti svoj izvorni oblik nakon hlađenja. Primjer su razne smole.
Metoda polimerizacije
Druga klasifikacija polimera je prema načinu pripreme. Postoje takvi načini dobivanja IUD-a:
- Polimerizacija, koja se može odvijati pomoću mehanizma ionske reakcije i slobodnog radikala.
- Polikondenzacije.
Polimerizacija je proces stvaranja makromolekula sekvencijalnim povezivanjem monomernih jedinica. Obično su to tvari niske molekulske mase s više veza i cikličkih skupina. Tijekom reakcije, dvostruka veza ili veza u cikličkoj skupini se prekida i novi se formiraju između ovih monomera. Ako su u reakciju uključeni monomeri iste vrste, to se naziva homopolimerizacija. Pri korištenju različitih vrsta monomera dolazi do reakcije kopolimerizacije.
Reakcija polimerizacije je lančana reakcija koja se može dogoditi spontano, međutim, aktivne tvari se koriste za njezino ubrzanje. S mehanizmom slobodnih radikala postupak se odvija u nekoliko faza:
- Inicijacija. U toj se fazi svjetlošću, toplinom, kemijskim ili nekim drugim vrstama utjecaja formiraju aktivne skupine - radikali.
- Rast dužine lanca. Ovu fazu karakterizira dodavanje sljedećih monomera radikalima radi stvaranja novih radikala.
- Otvoreni lanac dobiva se interakcijom aktivnih skupina s stvaranjem neaktivnih makromolekula.
Nemoguće je kontrolirati trenutak prekida lanca, i stoga se rezultirajuće makromolekule razlikuju u različitim molekularnim težinama.
Princip ionskog mehanizma reakcije polimerizacije isti je kao i slobodnog radikala. Ali ovdje, kationi i anioni djeluju kao aktivni centri, pa se razlikuju kationska i anionska polimerizacija. U industriji se najvažniji polimeri dobivaju radikalnom polimerizacijom: polietilen, polistiren i mnogi drugi. Ionska polimerizacija koristi se u proizvodnji sintetičkih guma.
polikondenzacije
Postupak stvaranja spoja visoke molekulske mase s odvajanjem nekih tvari male molekulske mase kao nusproizvoda je polikondenzacija, koja se razlikuje od polimerizacije po tome što elementarni sastav rezultirajuće makromolekule ne odgovara sastavu početnih tvari uključenih u reakciju. U njima mogu sudjelovati samo spojevi s funkcionalnim skupinama, koji, mectingusobno, razdvajaju molekulu jednostavne tvari i tvore novu vezu. Polikondenzacija bifunkcionalnih spojeva stvara linearne polimere. Kad su u reakciji uključeni polifunkcionalni spojevi, formiraju se IUD s razgranatom ili čak prostornom strukturom. Tvari male molekulske mase koje nastaju tijekom reakcije također djeluju s intermedijarnim proizvodima, izazivajući prekid lanca. Stoga ih je bolje ukloniti iz reakcijske zone.
Određeni polimeri se ne mogu dobiti poznatim postupcima polimerizacije ili polikondenzacije, jer nisu potrebni početni monomeri koji bi u njima mogli sudjelovati. U ovom se slučaju sinteza polimera provodi uz sudjelovanje visoko molekularnih spojeva koji sadrže funkcionalne skupine koje mogu reagirati jedna s drugom.
Razvrstavanje polimera postaje svakim danom sve složenije jer se pojavljuju sve više novih vrsta ovih nevjerojatnih tvari s unaprijed određenim svojstvima, a osoba više ne zamišlja svoj život bez njih. No, pojavljuje se još jedan, ne manje važan problem - mogućnost njihovog jednostavnog i jeftinog zbrinjavanja. Rješenje ovog problema vrlo je važno za postojanje planete.
