Cu greu ne putem imagina viața de astăzi fără polimeri - substanțe sintetice complexe care sunt utilizate pe scară largă în diverse domenii ale activității umane. Polimerii sunt compuși cu molecule ridicate de origine naturală sau sintetică, constând din monomeri conectați prin legături chimice. Un monomer este o legătură de lanț repetant care conține molecula părinte.
Compuși organici macromoleculari
Datorită proprietăților sale unice, compușii cu molecule înalte înlocuiesc cu succes materiale naturale precum lemnul, metalul, piatra în diferite domenii ale vieții, cucerind noi domenii de aplicare. Pentru a sistematiza un astfel de grup extins de substanțe, se adoptă clasificarea polimerilor după diferite criterii. Acestea includ compoziția, metoda de producție, configurația spațială și așa mai departe.
Clasificarea polimerilor după compoziția chimică îi împarte în trei grupe:
- Substanțe macromoleculare organice.
- Compuși organoelementali.
- Compuși macromoleculari anorganici.
Cel mai mare grup este reprezentat de DIU organice - rășini, cauciucuri, uleiuri vegetale, adică produse de origine animală, precum și de origine vegetală. Macromoleculele acestor substanțe din lanțul principal împreună cu atomii de carbon au atomi de oxigen, azot și alte elemente.
Proprietățile lor:
- au capacitatea de a inversa deformarea, adică elasticitatea la sarcini reduse;
- la o concentrație mică pot forma soluții vâscoase;
- modifica caracteristicile fizice și mecanice sub influența unei cantități minime de reactiv;
- cu acțiune mecanică, este posibilă orientarea direcțională a macromoleculelor lor.
Compuși organoelementali
DIU organoelementale, ale căror macromolecule conțin, pe lângă atomi de elemente anorganice - siliciu, titan, aluminiu - și radicali de hidrocarburi organice, sunt create artificial, iar în natură nu. Clasificarea polimerilor îi împarte, la rândul lor, în trei grupe.
- Primul grup este substanțe în care lanțul principal este compus din atomi de anumite elemente înconjurate de radicali organici.
- Al doilea grup include substanțe cu un lanț principal care conține atomi de carbon alternanți și elemente precum sulf, azot și altele.
- Al treilea grup include substanțe cu coloane vertebrale organice înconjurate de diverse grupări organoelementale.
Un exemplu sunt compușii organosiliconi, în special siliconul, care are o rezistență ridicată la uzură.
Compușii macromoleculari anorganici din lanțul principal conțin oxizi de siliciu și metale - magneziu, aluminiu sau calciu. Nu au grupe atomice organice laterale. Legăturile din lanțurile principale sunt covalente și ion-covalente, ceea ce determină rezistența lor mare și rezistența la căldură. Acestea includ azbest, ceramică, sticlă de silicat, cuarț.
Carbochain și heterochain Navy
Clasificarea polimerilor după compoziția chimică a lanțului principal de polimeri implică împărțirea acestor substanțe în două grupe mari.
- Carbochain, în care principalul lanț al macromoleculei DIU este format doar din atomi de carbon.
- Hetero-lanț, în care alți atomi se află în lanțul principal împreună cu atomii de carbon, conferind acestei substanțe proprietăți suplimentare.
Fiecare dintre aceste grupuri mari constă din următoarele subgrupuri care diferă în structura lanțului, numărul de substituenți, compoziția lor și numărul de ramuri laterale:
- compuși cu legături saturate în lanțuri, de exemplu, polietilenă sau polipropilenă;
- polimeri cu legături nesaturate în lanțul principal, de exemplu polibutadienă;
- compuși macromoleculari substituiți cu halogen - teflon;
- alcooli polimerici, dintre care un exemplu este alcoolul polivinilic;
- DIU bazate pe derivați de alcooli, un exemplu este acetatul de polivinil;
- compuși derivați de aldehide și cetone, cum ar fi poliacrolina;
- polimeri derivați din acizii carboxilici, dintre care acidul poliacrilic este reprezentativ;
- substanțe derivate din nitrili (PAN);
- substanțe macromoleculare derivate din hidrocarburi aromatice, de exemplu polistiren.
Divizarea după natura heteroatomului
Clasificarea polimerilor poate depinde și de natura heteroatomilor, incluzând mai multe grupe:
- cu atomi de oxigen în lanțul principal - poliesteri și peroxizi simpli și complexi;
- compuși cu conținutul în lanțul principal de atomi de azot - poliamine și poliamide;
- substanțe cu atomi de oxigen și azot din lanțul principal, de exemplu, poliuretanii;
- DIU cu atomi de sulf din lanțul principal - polioesteri și polietrasulfide;
- compuși în care atomii de fosfor sunt prezenți în lanțul principal.
Polimeri naturali
În prezent, clasificarea polimerilor după origine, după natura chimică, care îi împarte astfel:
- Desigur, ei sunt numiți și biopolimeri.
- Substanțe artificiale cu greutate moleculară mare.
- Compuși sintetici.
Marina naturală este baza vieții pe Pământ. Cele mai importante dintre acestea sunt proteinele - „cărămizile” organismelor vii, ale căror monomeri sunt aminoacizi. Proteinele sunt implicate în toate reacțiile biochimice ale organismului, fără ele sistemul imunitar nu poate funcționa, procesele de coagulare a sângelui, formarea țesutului osos și muscular, munca de conversie a energiei și multe altele. Fără acizi nucleici, stocarea și transmiterea informațiilor ereditare este imposibilă.
Polizaharidele sunt hidrocarburi cu masă moleculară mare, care, împreună cu proteinele, sunt implicate în metabolism. Clasificarea polimerilor după origine vă permite să selectați substanțe macromoleculare naturale într-un grup special.
Polimeri artificiali și sintetici
Polimerii artificiali sunt obținuți din natural prin diferite metode de modificare a substanțelor chimice pentru a le oferi proprietățile necesare. Un exemplu este celuloza, din care se obțin multe materiale plastice. Clasificarea polimerilor după origine îi caracterizează drept substanțe artificiale. DIU sintetice sunt obținute chimic folosind reacții de polimerizare sau policondensare. Proprietățile lor și, prin urmare, domeniul de aplicare, depind de lungimea macromoleculei, adică de greutatea moleculară. Cu cât este mai mare, cu atât este mai puternic materialul obținut. Clasificarea polimerilor după origine este foarte convenabilă. Exemplele confirmă acest lucru.
Macromolecule liniare
Orice clasificare a polimerilor este destul de arbitrară și fiecare are propriile dezavantaje, deoarece nu poate afișa toate caracteristicile acestui grup de substanțe. Cu toate acestea, ajută la sistematizarea lor într-un fel. Clasificarea polimerilor sub formă de macromolecule îi prezintă sub următoarele trei grupe:
- liniar;
- ramificat;
- spațiale, care se mai numesc ochiuri de plasă.
Lanțuri lungi, curbate sau în formă de spirală din DIU liniare oferă substanțelor câteva proprietăți unice:
- datorită apariției legăturilor intermoleculare formează fibre puternice;
- sunt capabili de deformări mari și lungi, dar, în același timp, reversibile;
- o proprietate importantă este flexibilitatea lor;
- la dizolvare, aceste substanțe formează soluții cu vâscozitate ridicată.
Macromolecule ramificate
Polimerii ramificați au, de asemenea, o structură liniară, dar cu multe ramuri laterale mai scurte decât cea principală.În același timp, proprietățile lor se schimbă și:
- solubilitatea substanțelor ramificate este mai mare decât liniară, respectiv formează soluții cu vâscozitate mai mică;
- cu o creștere a lungimii lanțurilor laterale, forțele intermoleculare devin mai slabe, ceea ce duce la o creștere a moliciunii și elasticității materialului;
- cu cât gradul de ramificare este mai mare, cu atât proprietățile fizice ale unei astfel de substanțe se apropie de proprietățile compușilor obișnuiți cu greutate moleculară mică.
Macromolecule tridimensionale
Compușii macromoleculari din plasă sunt plane (tip scară și parchet) și tridimensionale. Cauciucul plat include cauciuc natural și grafit. În polimerii spațiali există „punți” de legătură încrucișată între lanțuri, formând o macromoleculă tridimensională mare, care are o duritate extraordinară.
Un exemplu este diamantul sau keratina. Compușii macromoleculari din plasă sunt baza cauciucurilor, a unor tipuri de materiale plastice, precum și adezivi și lacuri.
Termoplastice și termosete
Clasificarea polimerilor după origine și în ceea ce privește încălzirea este destinată să caracterizeze comportamentul acestor substanțe cu temperatura. În funcție de procesele care se produc în timpul încălzirii, se obțin rezultate diferite. Dacă interacțiunea intermoleculară slăbește și energia cinetică a moleculelor crește, atunci substanța se înmoaie, devenind o stare vâscoasă. Când temperatura scade, revine la starea normală - natura sa chimică rămâne neschimbată. Astfel de substanțe sunt numite polimeri termoplastici, de exemplu polietilenă.
Un alt grup de compuși se numește termosetare. Mecanismul proceselor care au loc în ele în timpul încălzirii este complet diferit. În prezența legăturilor duble sau a grupurilor funcționale, acestea interacționează între ele, schimbând natura chimică a substanței. Nu-și poate restabili forma inițială la răcire. Un exemplu sunt diferite rășini.
Metoda de polimerizare
O altă clasificare a polimerilor este prin metoda de preparare. Există astfel de modalități de a obține un DIU:
- Polimerizarea, care poate avea loc folosind mecanismul de reacție ionică și radicalul liber.
- Policondensare.
Polimerizarea este procesul de formare a macromoleculelor prin conectarea secvențială a unităților monomerice. De obicei, acestea sunt substanțe cu greutate moleculară mică, cu mai multe legături și grupe ciclice. În timpul reacției, o legătură dublă sau o legătură în grupul ciclic se rupe și se formează altele noi între aceste monomeri. Dacă în reacție sunt implicați monomeri ai aceleiași specii, se numește homopolimerizare. Când se utilizează diferite tipuri de monomeri, are loc o reacție de copolimerizare.
Reacția de polimerizare este o reacție în lanț care poate apărea spontan, cu toate acestea, substanțele active sunt utilizate pentru a accelera. Cu mecanismul radicalilor liberi, procesul se desfășoară în mai multe etape:
- Inițiere. În acest stadiu, prin lumină, căldură, substanțe chimice sau un alt tip de influență, grupuri active - radicali - se formează în sistem.
- Creșterea lungimii lanțului. Această etapă se caracterizează prin adăugarea următorilor monomeri la radicali pentru a forma noi radicali.
- Un lanț deschis este obținut prin interacțiunea grupurilor active cu formarea de macromolecule inactive.
Este imposibil de controlat momentul terminării lanțului și, prin urmare, macromoleculele rezultate diferă în funcție de greutăți moleculare diferite.
Principiul mecanismului ionic al reacției de polimerizare este același cu cel al radicalului liber. Dar aici, cationii și anionii acționează ca centre active, de aceea se disting polimerizarea cationică și anionică. În industrie, cei mai importanți polimeri sunt obținuți prin polimerizarea radicală: polietilenă, polistiren și mulți alții. Polimerizarea ionică este utilizată în producția de cauciucuri sintetice.
policondensare
Procesul de formare a unui compus cu greutate moleculară mare, cu separarea unor substanțe cu greutate moleculară mică ca produs secundar este policondensarea, care diferă de polimerizare, prin aceea că compoziția elementară a macromoleculei rezultate nu corespunde compoziției substanțelor inițiale implicate în reacție. Doar compușii cu grupuri funcționale pot participa la aceștia, care, interacționând, împart molecula unei substanțe simple și formează o nouă legătură. Policondensarea compușilor bifuncționali produce polimeri liniari. Atunci când în reacție sunt implicați compuși polifuncționali, se formează DIU cu o structură ramificată sau chiar spațială. Substanțele cu greutate moleculară mică formate în timpul reacției interacționează, de asemenea, cu produsele intermediare, determinând terminarea lanțului. Prin urmare, este mai bine să le eliminați din zona de reacție.
Anumiți polimeri nu pot fi obținuți prin metode cunoscute de polimerizare sau policondensare, deoarece nu sunt necesare monomeri de pornire capabili să participe la ei. În acest caz, sinteza polimerului se realizează cu participarea compușilor cu greutate moleculară mare care conțin grupe funcționale care pot reacționa unul cu celălalt.
Clasificarea polimerilor devine din ce în ce mai complicată în fiecare zi, deoarece apar tot mai multe tipuri noi de aceste substanțe uimitoare, cu proprietăți predeterminate, iar o persoană nu-și mai imaginează viața fără ele. Cu toate acestea, apare o altă problemă, nu mai puțin importantă - posibilitatea eliminării lor ușoare și ieftine. Soluția acestei probleme este foarte importantă pentru existența planetei.
