Ťažko si dnes dokážeme predstaviť život bez polymérov - komplexných syntetických látok, ktoré sa široko používajú v rôznych oblastiach ľudskej činnosti. Polyméry sú vysokomolekulárne zlúčeniny prírodného alebo syntetického pôvodu, ktoré sa skladajú z monomérov spojených chemickými väzbami. Monomér je opakujúca sa reťazová väzba, ktorá obsahuje materskú molekulu.
Organické makromolekulárne zlúčeniny
Vysokomolekulárne zlúčeniny vďaka svojim jedinečným vlastnostiam úspešne nahrádzajú prírodné materiály ako drevo, kov, kameň v rôznych sférach života a dobývajú nové oblasti použitia. Na systematizáciu tejto rozsiahlej skupiny látok sa prijíma klasifikácia polymérov podľa rôznych kritérií. Patria sem zloženie, spôsob výroby, priestorová konfigurácia atď.
Klasifikácia polymérov podľa chemického zloženia ich rozdeľuje do troch skupín:
- Organické makromolekulárne látky.
- Organoprvkové zlúčeniny.
- Anorganické makromolekulárne zlúčeniny.
Najväčšiu skupinu tvoria organické IUD - živice, kaučuky, rastlinné oleje, tj produkty živočíšneho a rastlinného pôvodu. Makromolekuly týchto látok v hlavnom reťazci spolu s atómami uhlíka majú atómy kyslíka, dusíka a ďalších prvkov.
Ich vlastnosti:
- majú schopnosť zvrátiť deformáciu, to znamená elasticitu pri nízkom zaťažení;
- v malej koncentrácii môžu vytvárať viskózne roztoky;
- meniť fyzikálne a mechanické vlastnosti pod vplyvom minimálneho množstva činidla;
- mechanickým pôsobením je možná smerová orientácia ich makromolekúl.
Organoprvkové zlúčeniny
Organoelementové IUD, ktorých makromolekuly obsahujú okrem atómov anorganických prvkov - kremíka, titánu, hliníka - a organických uhľovodíkových radikálov, sa vytvárajú umelo a v prírode nie. Klasifikácia polymérov ich rozdeľuje na tri skupiny.
- Prvou skupinou sú látky, v ktorých hlavný reťazec pozostáva z atómov určitých prvkov obklopených organickými radikálmi.
- Druhá skupina obsahuje látky s hlavným reťazcom obsahujúce striedajúce sa atómy uhlíka a prvky, ako je síra, dusík a iné.
- Tretia skupina zahŕňa látky s organickými chrbticami obklopené rôznymi organoelementálnymi skupinami.
Príkladom sú organokremičité zlúčeniny, najmä silikón, ktoré majú vysokú odolnosť proti opotrebeniu.
Anorganické makromolekulárne zlúčeniny v hlavnom reťazci obsahujú oxidy kremíka a kovov - horčík, hliník alebo vápnik. Nemajú žiadne postranné organické atómové skupiny. Väzby v hlavných reťazcoch sú kovalentné a kovalentné ióny, čo určuje ich vysokú pevnosť a tepelnú odolnosť. Patria sem azbest, keramika, silikátové sklo, kremeň.
Námorníctvo carbochain a heterochain Navy
Klasifikácia polymérov podľa chemického zloženia hlavného polymérneho reťazca zahŕňa rozdelenie týchto látok do dvoch veľkých skupín.
- Karbochain, v ktorom hlavný reťazec makromolekuly IUD pozostáva iba z atómov uhlíka.
- Heteroreťazec, v ktorom sú ďalšie atómy umiestnené v hlavnom reťazci spolu s atómami uhlíka, čo dodáva tejto látke ďalšie vlastnosti.
Každá z týchto veľkých skupín pozostáva z nasledujúcich podskupín, ktoré sa líšia štruktúrou reťazca, počtom substituentov, ich zložením a počtom vedľajších vetiev:
- zlúčeniny s nasýtenými väzbami v reťazcoch, napríklad polyetylén alebo polypropylén;
- polyméry s nenasýtenými väzbami v hlavnom reťazci, napríklad polybutadién;
- halogénsubstituované makromolekulárne zlúčeniny - teflon;
- polymérne alkoholy, ktorých príkladom je polyvinylalkohol;
- IUD na báze derivátov alkoholov, napríklad polyvinylacetát;
- zlúčeniny odvodené od aldehydov a ketónov, ako je polyakroleín;
- polyméry odvodené od karboxylových kyselín, ktorých zástupca je kyselina polyakrylová;
- látky odvodené od nitrilov (PAN);
- makromolekulové látky odvodené od aromatických uhľovodíkov, napríklad polystyrénu.
Delenie podľa povahy heteroatómu
Klasifikácia polymérov môže tiež závisieť od povahy heteroatómov, zahŕňa niekoľko skupín:
- s atómami kyslíka v hlavnom reťazci - jednoduché a komplexné polyestery a peroxidy;
- zlúčeniny s obsahom atómov dusíka v hlavnom reťazci - polyamíny a polyamidy;
- látky s atómami kyslíka a dusíka v hlavnom reťazci, napríklad polyuretány;
- IUD s atómami síry v hlavnom reťazci - polytioestery a polytetrasulfidy;
- zlúčeniny, v ktorých sú v hlavnom reťazci prítomné atómy fosforu.
Prírodné polyméry
V súčasnosti sa klasifikácia polymérov podľa pôvodu, chemickej povahy delí takto:
- Prirodzene sa nazývajú aj biopolyméry.
- Umelé látky s vysokou molekulovou hmotnosťou.
- Syntetické zlúčeniny.
Prírodné námorníctvo je základom života na Zemi. Najdôležitejšie z nich sú bielkoviny - „tehly“ živých organizmov, ktorých monoméry sú aminokyseliny. Bielkoviny sú zapojené do všetkých biochemických reakcií tela, bez ktorých imunitný systém nemôže fungovať, procesy zrážania krvi, tvorba kostí a svalového tkaniva, práca na premene energie a mnoho ďalšieho. Bez nukleových kyselín nie je možné uchovávať a prenášať dedičné informácie.
Polysacharidy sú uhľovodíky s vysokou molekulovou hmotnosťou, ktoré sa spolu s proteínmi podieľajú na metabolizme. Klasifikácia polymérov podľa pôvodu umožňuje výber prírodných makromolekulárnych látok do špeciálnej skupiny.
Umelé a syntetické polyméry
Umelé polyméry sa získavajú z prírodných rôznymi spôsobmi chemickej modifikácie, aby sa získali potrebné vlastnosti. Príkladom je celulóza, z ktorej sa získava mnoho plastov. Klasifikácia polymérov podľa pôvodu ich charakterizuje ako umelé látky. Syntetické IUD sa získavajú chemicky pomocou polymerizačných alebo polykondenzačných reakcií. Ich vlastnosti, a teda rozsah, závisia od dĺžky makromolekuly, to znamená od molekulovej hmotnosti. Čím je väčší, tým je získaný materiál silnejší. Klasifikácia polymérov podľa pôvodu je veľmi výhodná. Príklady to potvrdzujú.
Lineárne makromolekuly
Akákoľvek klasifikácia polymérov je skôr svojvoľná a každá má svoje nevýhody, pretože nemôže vykazovať všetky vlastnosti tejto skupiny látok. Pomáha im to však nejakým spôsobom systematizovať. Klasifikácia polymérov vo forme makromolekúl ich predstavuje vo forme nasledujúcich troch skupín:
- lineárne;
- rozvetvený;
- priestorové, ktoré sa tiež nazývajú oká.
Dlhé, zakrivené alebo špirálovité reťazce lineárnych IUD dávajú látkam niektoré jedinečné vlastnosti:
- vďaka vzhľadu medzimolekulárnych väzieb tvoria silné vlákna;
- sú schopné veľkých a dlhých, ale zároveň reverzibilných deformácií;
- dôležitou vlastnosťou je ich flexibilita;
- po rozpustení tieto látky tvoria roztoky s vysokou viskozitou.
Rozvetvené makromolekuly
Rozvetvené polyméry majú tiež lineárnu štruktúru, ale s mnohými bočnými vetvami kratšími ako tie hlavné.Zároveň sa menia aj ich vlastnosti:
- rozpustnosť rozvetvených látok je vyššia ako lineárna, resp. tvoria roztoky s nízkou viskozitou;
- pri zväčšovaní dĺžky bočných reťazcov sa medzimolekulové sily oslabujú, čo vedie k zvýšeniu mäkkosti a pružnosti materiálu;
- čím vyšší stupeň vetvenia, tým fyzikálnejšie vlastnosti takejto látky sa približujú vlastnostiam bežných zlúčenín s nízkou molekulovou hmotnosťou.
Trojrozmerné makromolekuly
Sieťové makromolekulárne zlúčeniny sú ploché (schodiskové a parketové) a trojrozmerné. Plochá guma obsahuje prírodný kaučuk a grafit. V priestorových polyméroch existujú zosieťovacie „mosty“ medzi reťazcami, ktoré tvoria jednu veľkú trojrozmernú makromolekulu, ktorá má mimoriadnu tvrdosť.
Príkladom je diamant alebo keratín. Sieťové makromolekulárne zlúčeniny sú základom kaučukov, niektorých druhov plastov, ako aj lepidiel a lakov.
Termoplasty a termosety
Klasifikácia polymérov podľa pôvodu a vzhľadom na zahrievanie má charakterizovať správanie týchto látok s teplotou. V závislosti od procesov, ktoré sa vyskytujú počas zahrievania, sa získajú rôzne výsledky. Ak oslabí intermolekulárna interakcia a zvýši sa kinetická energia molekúl, potom látka zmäkne a stane sa viskóznym stavom. Keď teplota klesne, vráti sa do svojho normálneho stavu - jej chemická podstata zostáva nezmenená. Takéto látky sa nazývajú termoplastické polyméry, napríklad polyetylén.
Iná skupina zlúčenín sa nazýva termoset. Mechanizmus procesov, ktoré sa v nich vyskytujú počas zahrievania, je úplne odlišný. V prítomnosti dvojitých väzieb alebo funkčných skupín interagujú navzájom a menia chemickú povahu látky. Po ochladení nemôže obnoviť svoj pôvodný tvar. Príkladom sú rôzne živice.
Metóda polymerizácie
Ďalšia klasifikácia polymérov - podľa spôsobu výroby. Existujú také spôsoby, ako získať IUD:
- Polymerizácia, ktorá sa môže uskutočňovať pomocou mechanizmu iónovej reakcie a voľných radikálov.
- Polykondenzácie.
Polymerizácia je proces tvorby makromolekúl postupným spájaním monomérnych jednotiek. Zvyčajne ide o látky s nízkou molekulovou hmotnosťou s viacerými väzbami a cyklickými skupinami. Počas reakcie sa medzi týmito monomérmi rozpadne dvojitá väzba alebo väzba v cyklickej skupine. Ak sú do reakcie zapojené monoméry rovnakého druhu, nazýva sa to homopolymerizácia. Pri použití rôznych typov monomérov dochádza k kopolymerizačnej reakcii.
Polymerizačná reakcia je reťazová reakcia, ktorá sa môže vyskytnúť spontánne, na jej urýchlenie sa však používajú účinné látky. S mechanizmom voľných radikálov proces pokračuje v niekoľkých fázach:
- Začatie. V tomto štádiu sa v systéme tvoria svetlo, teplo, chemický alebo nejaký iný vplyv, aktívne skupiny - radikály.
- Rast dĺžky reťazca. Tento stupeň je charakterizovaný pridaním nasledujúcich monomérov k zvyškom za vzniku nových zvyškov.
- Otvorený reťazec sa získa interakciou aktívnych skupín s tvorbou inaktívnych makromolekúl.
Nie je možné kontrolovať okamih ukončenia reťazca, a preto sa výsledné makromolekuly líšia v rôznych molekulových hmotnostiach.
Princíp iónového mechanizmu polymerizačnej reakcie je rovnaký ako princíp voľného radikálu. Ale tu pôsobia katióny a anióny ako aktívne centrá, preto sa rozlišuje katiónová a aniónová polymerizácia. V priemysle sa najdôležitejšie polyméry získavajú radikálovou polymerizáciou: polyetylén, polystyrén a mnoho ďalších. Iónová polymerizácia sa používa pri výrobe syntetických kaučukov.
polykondenzácie
Procesom výroby zlúčeniny s vysokou molekulovou hmotnosťou a separáciou niektorých látok s nízkou molekulovou hmotnosťou ako vedľajšieho produktu je polykondenzácia, ktorá sa líši od polymerizácie tým, že elementárne zloženie výslednej makromolekuly nezodpovedá zloženiu pôvodných látok zahrnutých v reakcii. Zúčastniť sa na nich môžu iba zlúčeniny s funkčnými skupinami, ktoré pri interakcii rozdelia molekulu jednoduchej látky a vytvoria novú väzbu. Polykondenzáciou bifunkčných zlúčenín sa vyrábajú lineárne polyméry. Keď sú do reakcie zapojené polyfunkčné zlúčeniny, vytvárajú sa IUD s rozvetvenou alebo dokonca priestorovou štruktúrou. Látky s nízkou molekulovou hmotnosťou, ktoré sa tvoria počas reakcie, tiež interagujú s medziproduktmi, čo spôsobuje ukončenie reťazca. Preto je lepšie ich odstrániť z reakčnej zóny.
Určité polyméry nie je možné získať známymi metódami polymerizácie alebo polykondenzácie, pretože nie sú potrebné východiskové monoméry, ktoré by sa na nich mohli zúčastňovať. V tomto prípade sa syntéza polyméru uskutočňuje za účasti zlúčenín s vysokou molekulovou hmotnosťou obsahujúcich funkčné skupiny, ktoré sú schopné navzájom reagovať.
Klasifikácia polymérov je každým dňom zložitejšia, pretože sa objavuje stále viac a viac nových typov týchto úžasných látok s vopred určenými vlastnosťami a človek bez nich už nemyslí na svoj život. Vyvstáva však ďalší problém, nemenej dôležitý - možnosť ich ľahkej a lacnej likvidácie. Riešenie tohto problému je veľmi dôležité pre existenciu planéty.
