Związki o dużej masie cząsteczkowej to polimery o dużej masie cząsteczkowej. Mogą to być związki organiczne i nieorganiczne. Rozróżnij substancje amorficzne i krystaliczne, które składają się z pierścieni monomerycznych. Te ostatnie to makrocząsteczki połączone wiązaniami chemicznymi i koordynacyjnymi. Mówiąc prościej, związek wielkocząsteczkowy to polimer, czyli substancje monomeryczne, które nie zmieniają swojej masy, gdy przyłączona jest do nich ta sama „ciężka” substancja. W przeciwnym razie porozmawiamy o oligomerze.
Co bada nauka o związkach wielkocząsteczkowych?
Chemia polimerów wielkocząsteczkowych to badanie łańcuchów molekularnych składających się z podjednostek monomerycznych. Obejmuje to ogromny obszar badań. Wiele polimerów ma istotne znaczenie przemysłowe i handlowe. W Ameryce wraz z odkryciem gazu ziemnego rozpoczęto duży projekt budowy zakładu do produkcji polietylenu. Etan z gazu ziemnego jest przekształcanyw etylen, monomer, z którego można zrobić polietylen.
Polimer jako związek wielkocząsteczkowy to:
- Każdy z klasy naturalnych lub syntetycznych substancji składających się z bardzo dużych cząsteczek zwanych makrocząsteczkami.
- Wiele prostszych jednostek chemicznych zwanych monomerami.
- Polimery tworzą wiele materiałów w żywych organizmach, w tym na przykład białka, celulozę i kwasy nukleinowe.
- Ponadto stanowią one podstawę minerałów, takich jak diament, kwarc i skaleń, a także materiałów wytworzonych przez człowieka, takich jak beton, szkło, papier, tworzywa sztuczne i gumy.
Słowo „polimer” oznacza nieskończoną liczbę jednostek monomeru. Gdy ilość monomerów jest bardzo wysoka, związek jest czasami określany jako wysokopolimerowy. Nie ogranicza się do monomerów o tym samym składzie chemicznym lub masie cząsteczkowej i strukturze. Niektóre naturalne związki organiczne o dużej masie cząsteczkowej składają się z jednego typu monomeru.
Jednak większość naturalnych i syntetycznych polimerów składa się z dwóch lub więcej różnych typów monomerów; takie polimery są znane jako kopolimery.
Substancje naturalne: jaka jest ich rola w naszym życiu?
Organiczne związki organiczne o dużej masie cząsteczkowej odgrywają kluczową rolę w życiu ludzi, dostarczając podstawowych materiałów strukturalnych i uczestnicząc w procesach życiowych.
- Na przykład stałe części wszystkich roślin składają się z polimerów. Należą do nich celuloza, lignina i różne żywice.
- Miazga jestpolisacharyd, polimer składający się z cząsteczek cukru.
- Lignin powstaje ze złożonej trójwymiarowej sieci polimerów.
- Żywice drzewne to polimery prostego węglowodoru, izoprenu.
- Kolejnym znanym polimerem izoprenowym jest guma.
Inne ważne naturalne polimery obejmują białka, które są polimerami aminokwasów i kwasów nukleinowych. Są to rodzaje nukleotydów. Są to złożone cząsteczki złożone z zasad zawierających azot, cukrów i kwasu fosforowego.
Kwasy nukleinowe przenoszą informację genetyczną w komórce. Skrobie, ważne źródło energii z roślin, to naturalne polimery składające się z glukozy.
Chemia związków wielkocząsteczkowych uwalnia polimery nieorganiczne. Występują również w naturze, w tym w diamentach i graficie. Oba wykonane są z węgla. Warto wiedzieć:
- W diamencie atomy węgla są połączone w trójwymiarową sieć, która nadaje materiałowi jego twardość.
- W graficie, używanym jako smar i w ołówkach, atomy węgla łączą się w płaszczyznach, które mogą się przesuwać po sobie.
Wiele ważnych polimerów zawiera atomy tlenu lub azotu, a także węgla w szkielecie. Takie materiały makrocząsteczkowe z atomami tlenu obejmują poliacetale.
Najprostszym poliacetalem jest poliformaldehyd. Ma wysoką temperaturę topnienia, jest krystaliczny, odporny na ścieranie idziałanie rozpuszczalników. Żywice acetalowe są bardziej metaliczne niż jakiekolwiek inne tworzywa sztuczne i są używane do produkcji części maszyn, takich jak koła zębate i łożyska.
Substancje uzyskane sztucznie
Syntetyczne związki wielkocząsteczkowe powstają w różnego rodzaju reakcjach:
- Wiele prostych węglowodorów, takich jak etylen i propylen, można przekształcić w polimery, dodając jeden monomer po drugim do rosnącego łańcucha.
- Polietylen, składający się z powtarzających się monomerów etylenu, jest dodatkiem polimerowym. Może mieć do 10 000 monomerów połączonych w długie spiralne łańcuchy. Polietylen jest krystaliczny, półprzezroczysty i termoplastyczny, co oznacza, że mięknie po podgrzaniu. Jest używany do powłok, opakowań, formowanych części oraz butelek i pojemników.
- Polipropylen jest również krystaliczny i termoplastyczny, ale twardszy niż polietylen. Jego cząsteczki mogą składać się z 50 000–200 000 monomerów.
Ten związek jest używany w przemyśle tekstylnym i do formowania.
Inne dodatki polimerowe obejmują:
- polibutadien;
- poliizopren;
- polichloropren.
Wszystkie są ważne w produkcji kauczuków syntetycznych. Niektóre polimery, takie jak polistyren, są szkliste i przezroczyste w temperaturze pokojowej, a także są termoplastyczne:
- Polistyren może być barwiony na dowolny kolor i jest używany do produkcji zabawek i innych tworzyw sztucznychprzedmioty.
- Gdy jeden atom wodoru w etylenie zostaje zastąpiony atomem chloru, powstaje chlorek winylu.
- Spolimeryzuje w polichlorek winylu (PVC), bezbarwny, twardy, sztywny materiał termoplastyczny, z którego można uzyskać wiele form, w tym pianki, folie i włókna.
- Octan winylu, wytwarzany w reakcji etylenu i kwasu octowego, polimeryzuje w amorficzne, miękkie żywice stosowane jako powłoki i kleje.
- Kopolimeryzuje z chlorkiem winylu, tworząc dużą rodzinę materiałów termoplastycznych.
Liniowy polimer charakteryzujący się powtarzającymi się grupami estrowymi wzdłuż głównego łańcucha nazywany jest poliestrem. Poliestry o otwartych łańcuchach są bezbarwnymi, krystalicznymi materiałami termoplastycznymi. Te syntetyczne związki wielkocząsteczkowe, które mają wysoką masę cząsteczkową (od 10 000 do 15 000 cząsteczek) są wykorzystywane do produkcji folii.
Rzadkie syntetyczne poliamidy
Poliamidy obejmują naturalnie występujące białka kazeiny znajdujące się w mleku i zeinę znajdującą się w kukurydzy, które są wykorzystywane do produkcji tworzyw sztucznych, włókien, klejów i powłok. Warto zauważyć:
- Syntetyczne poliamidy obejmują żywice mocznikowo-formaldehydowe, które są termoutwardzalne. Służą do wytwarzania formowanych przedmiotów oraz jako kleje i powłoki do tekstyliów i papieru.
- Również ważne są żywice poliamidowe znane jako nylon. Oni sątrwały, odporny na ciepło i ścieranie, nietoksyczny. Można je farbować. Jego najbardziej znane zastosowanie to włókna tekstylne, ale mają one wiele innych zastosowań.
Kolejna ważna rodzina syntetycznych związków chemicznych o dużej masie cząsteczkowej składa się z liniowych powtórzeń grupy uretanowej. Poliuretany są używane do produkcji włókien elastomerowych znanych jako spandex oraz do produkcji powłok bazowych.
Kolejną klasą polimerów są mieszane związki organiczno-nieorganiczne:
- Najważniejszymi przedstawicielami tej rodziny polimerów są silikony. Związki o wysokiej masie cząsteczkowej zawierają naprzemienne atomy krzemu i tlenu z grupami organicznymi przyłączonymi do każdego z atomów krzemu.
- Silikony o niskiej masie cząsteczkowej to oleje i smary.
- Gatunki o wyższej masie cząsteczkowej to wszechstronne elastyczne materiały, które pozostają miękkie nawet w bardzo niskich temperaturach. Są również stosunkowo stabilne w wysokich temperaturach.
Polimer może być trójwymiarowy, dwuwymiarowy i pojedynczy. Powtarzające się jednostki często składają się z węgla i wodoru, a czasami tlenu, azotu, siarki, chloru, fluoru, fosforu i krzemu. Aby utworzyć łańcuch, wiele jednostek jest chemicznie połączonych lub polimeryzowanych, zmieniając w ten sposób właściwości związków o dużej masie cząsteczkowej.
Jakie cechy mają substancje wielkocząsteczkowe?
Większość produkowanych polimerów to tworzywa termoplastyczne. Popolimer jest utworzony, można go ponownie ogrzać i reformować. Ta właściwość ułatwia obsługę. Innej grupy materiałów termoutwardzalnych nie można ponownie stopić: po utworzeniu polimerów ponowne ogrzewanie ulegnie rozkładowi, ale nie stopi się.
Charakterystyka wielkocząsteczkowych związków polimerów na przykładzie opakowań:
- Może być bardzo odporny na chemikalia. Weź pod uwagę wszystkie płyny do czyszczenia w twoim domu, które są pakowane w plastik. Opisano wszystkie konsekwencje kontaktu z oczami, ale ze skórą. To niebezpieczna kategoria polimerów, które rozpuszczają wszystko.
- Podczas gdy niektóre tworzywa sztuczne są łatwo odkształcane przez rozpuszczalniki, inne tworzywa sztuczne są umieszczane w nietłukących opakowaniach dla agresywnych rozpuszczalników. Nie są niebezpieczne, ale mogą tylko zaszkodzić ludziom.
- Roztwory związków wielkocząsteczkowych są najczęściej dostarczane w prostych plastikowych torebkach, aby zmniejszyć procent ich interakcji z substancjami wewnątrz pojemnika.
Z reguły polimery są bardzo lekkie i mają znaczny stopień wytrzymałości. Rozważ szereg zastosowań, od zabawek po konstrukcję ramową stacji kosmicznych lub od cienkiego nylonowego włókna w rajstopach po kevlar używany w kamizelkach kuloodpornych. Niektóre polimery pływają w wodzie, inne toną. W porównaniu z gęstością kamienia, betonu, stali, miedzi czy aluminium, wszystkie tworzywa sztuczne są lekkimi materiałami.
Właściwości związków wielkocząsteczkowych są różne:
- Polimery mogą służyć jako izolatory termiczne i elektryczne: urządzenia, przewody, gniazdka elektryczne i przewody wykonane lub pokryte materiałami polimerowymi.
- Odporne na wysoką temperaturę urządzenia kuchenne z uchwytami do garnków i patelni z żywicy, uchwytami do dzbanków do kawy, pianką do lodówki i zamrażarki, izolowanymi kubkami, chłodnicami i naczyniami do stosowania w kuchence mikrofalowej.
- Bielizna termiczna noszona przez wielu narciarzy jest wykonana z polipropylenu, natomiast włókna w kurtkach zimowych są wykonane z akrylu i poliestru.
Związki o dużej masie cząsteczkowej to substancje o nieograniczonej gamie właściwości i kolorów. Posiadają wiele właściwości, które można dodatkowo ulepszyć za pomocą szerokiej gamy dodatków rozszerzających zastosowanie. Polimery mogą służyć jako baza do imitacji bawełny, jedwabiu i wełny, porcelany i marmuru, aluminium i cynku. W przemyśle spożywczym służą do nadawania grzybom właściwości jadalnych. Na przykład drogi ser pleśniowy. Można go bezpiecznie spożywać dzięki obróbce polimerów.
Obróbka i zastosowanie struktur polimerowych
Polimery można przetwarzać na różne sposoby:
- Wytłaczanie umożliwia produkcję cienkich włókien lub ciężkich, masywnych rur, folii, butelek na żywność.
- Formowanie wtryskowe umożliwia tworzenie skomplikowanych części, takich jak duże części karoserii.
- Tworzywa sztuczne można odlewać do beczek lub mieszać z rozpuszczalnikami, aby stać się bazami klejącymi lub farbami.
- Elastomery i niektóre tworzywa sztuczne są rozciągliwe i elastyczne.
- Niektóre tworzywa sztuczne, takie jak butelki na wodę, rozszerzają się podczas przetwarzania, aby zachować swój kształt.
- Spieniane mogą być inne polimery, takie jak polistyren, poliuretan i polietylen.
Właściwości związków wielkocząsteczkowych różnią się w zależności od działania mechanicznego i metody otrzymywania substancji. Umożliwia to zastosowanie ich w różnych branżach. Główne związki wielkocząsteczkowe mają szerszy zakres zastosowań niż te, które różnią się specjalnymi właściwościami i sposobami otrzymywania. Uniwersalne i „kapryśne” „odnajdują się” w sektorze spożywczym i budowlanym:
- Związki o dużej masie cząsteczkowej składają się z oleju, ale nie zawsze.
- Wiele polimerów jest wytwarzanych z powtarzających się jednostek wcześniej utworzonych z gazu ziemnego, węgla lub ropy naftowej.
- Niektóre materiały budowlane są wykonane z materiałów odnawialnych, takich jak kwas polimlekowy (z kukurydzy lub włókien celulozowych i bawełnianych).
Ciekawe jest również to, że są prawie niemożliwe do zastąpienia:
- Polimery mogą być używane do wytwarzania przedmiotów, które nie mają innych materiałów alternatywnych.
- Z nich powstają przezroczyste wodoodporne folie.
- PVC jest używany do produkcji rurek medycznych i worków na krew, które przedłużają okres trwałości produktu i jego pochodnych.
- PVC bezpiecznie dostarcza łatwopalny tlen do niepalnych elastycznych przewodów.
- A materiały przeciwzakrzepowe, takie jak heparyna, można zaliczyć do kategorii elastycznych cewników z PVC.
Wiele urządzeń medycznych skupia się na cechach strukturalnych związków wielkocząsteczkowych, aby zapewnić efektywne funkcjonowanie.
Roztwory substancji wielkocząsteczkowych i ich właściwości
Ponieważ wielkość fazy rozproszonej jest trudna do zmierzenia, a koloidy mają postać roztworów, czasami identyfikują i charakteryzują właściwości fizykochemiczne i transportowe.
| Faza koloidalna | Trudny | Czyste rozwiązanie | Wskaźniki wymiarowe |
| Jeśli koloid składa się z fazy stałej rozproszonej w cieczy, cząstki stałe nie będą dyfundować przez membranę. | Rozpuszczone jony lub cząsteczki będą dyfundować przez membranę przy pełnej dyfuzji. | Ze względu na wykluczenie rozmiaru, cząstki koloidalne nie mogą przejść przez pory membrany UF mniejsze niż ich własny rozmiar. | |
| Stężenie w składzie roztworów związków wielkocząsteczkowych | Dokładne stężenie rzeczywistej substancji rozpuszczonej będzie zależeć od warunków eksperymentalnych zastosowanych do oddzielenia jej od cząstek koloidalnych również rozproszonych w cieczy. | Zależy od reakcji związków wielkocząsteczkowych podczas prowadzenia badań rozpuszczalności substancji łatwo hydrolizujących, takich jak Al, Eu, Am, Cm. | Im mniejszy rozmiar porów membrany ultrafiltracyjnej, tym niższe stężenierozproszone cząstki koloidalne pozostające w ultrafiltrowanej cieczy. |
Hydrokoloid jest zdefiniowany jako układ koloidalny, w którym cząsteczki makrocząsteczek są hydrofilowymi polimerami rozproszonymi w wodzie.
| Uzależnienie od wody | Uzależnienie od ciepła | Zależność od metody produkcji |
| Hydrokoloidy to cząstki koloidalne rozproszone w wodzie. W tym przypadku stosunek dwóch składników wpływa na formę polimeru - żel, popiół, stan ciekły. | Hydrokoloidy mogą być nieodwracalne (w jednym stanie) lub odwracalne. Na przykład, agar, odwracalny hydrokoloid ekstraktu z wodorostów morskich, może występować w postaci żelowej i stałej lub może występować naprzemiennie z dodawaniem lub usuwaniem ciepła. | Pozyskiwanie związków wielkocząsteczkowych, takich jak hydrokoloidy, zależy od źródeł naturalnych. Na przykład agar-agar i karagen są ekstrahowane z wodorostów morskich, żelatynę uzyskuje się poprzez hydrolizę białek bydlęcych i rybich, a pektynę ekstrahuje się ze skórek cytrusów i wytłoków jabłkowych. |
| Desery żelatynowe, wykonane z proszku, mają inny hydrokoloid w swoim składzie. Jest obdarzony mniejszą płynnością. | Hydrokoloidy są stosowane w żywności głównie w celu zmiany tekstury lub lepkości (np. sos). Jednak konsystencja zależy już od metody obróbki cieplnej. | Opatrunki medyczne na bazie hydrokoloidów są stosowane do leczenia skóry i ran. Wprodukcja oparta jest na zupełnie innej technologii, przy użyciu tych samych polimerów. |
Inne główne hydrokoloidy to guma ksantanowa, guma arabska, guma guar, mączka chleba świętojańskiego, pochodne celulozy, takie jak karboksymetyloceluloza, alginian i skrobia.
Oddziaływanie substancji wielkocząsteczkowych z innymi cząsteczkami
Następujące siły odgrywają ważną rolę w interakcji cząstek koloidalnych:
- Odpychanie bez względu na objętość: odnosi się to do braku nakładania się cząstek stałych.
- Oddziaływanie elektrostatyczne: Cząstki koloidalne często przenoszą ładunek elektryczny i dlatego przyciągają się lub odpychają. Ładunek zarówno fazy ciągłej, jak i rozproszonej, a także ruchliwość faz są czynnikami wpływającymi na tę interakcję.
- Siły Van der Waalsa: Wynika to z interakcji między dwoma dipolami, które są albo stałe, albo indukowane. Nawet jeśli cząstki nie mają stałego dipola, fluktuacje gęstości elektronowej skutkują tymczasowym dipolem w cząstce.
- Siła entropii. Zgodnie z drugą zasadą termodynamiki układ przechodzi w stan, w którym entropia jest zmaksymalizowana. Może to prowadzić do powstania efektywnych sił nawet pomiędzy twardymi sferami.
- Siły steryczne między powierzchniami pokrytymi polimerem lub w roztworach zawierających analogi nieadsorbujące mogą modulować siły międzycząsteczkowe, tworząc dodatkową steryczną siłę odpychającą, którama głównie charakter entropiczny lub siłę wyczerpywania się pomiędzy nimi.
Ten ostatni efekt jest poszukiwany dzięki specjalnie opracowanym superplastyfikatorom zaprojektowanym w celu zwiększenia urabialności betonu i zmniejszenia jego zawartości wody.
Kryształy polimerowe: gdzie się znajdują, jak wyglądają?
Związki wysokocząsteczkowe obejmują nawet kryształy, które zaliczane są do kategorii substancji koloidalnych. Jest to wysoce uporządkowany układ cząstek, które tworzą się w bardzo dużej odległości (zwykle rzędu kilku milimetrów do jednego centymetra) i wyglądają podobnie do swoich atomowych lub molekularnych odpowiedników.
| Nazwa transformowanego koloidu | Przykład zamówienia | Produkcja |
| Cenny opal | Jeden z najlepszych naturalnych przykładów tego zjawiska można znaleźć w czystym widmowym kolorze kamienia | Jest to wynik gęsto upakowanych nisz kulek z amorficznego koloidalnego dwutlenku krzemu (SiO2) |
Te kuliste cząstki są osadzane w silnie krzemowych zbiornikach. Tworzą wysoko uporządkowane masywy po latach sedymentacji i kompresji pod działaniem sił hydrostatycznych i grawitacyjnych. Układy okresowe submikrometrowych cząstek sferycznych zapewniają podobne układy międzywęzłowych pustych przestrzeni, które działają jak naturalna siatka dyfrakcyjna dla widzialnych fal świetlnych, zwłaszcza gdy odstępy międzywęzłowe są tego samego rzędu wielkości, co padająca fala świetlna.
Tak więc stwierdzono, że z powodu odpychaniaOddziaływania kulombowskie, naładowane elektrycznie makrocząsteczki w środowisku wodnym mogą wykazywać dalekosiężne korelacje podobne do kryształów z odległościami między cząstkami często znacznie większymi niż średnica poszczególnych cząstek.
We wszystkich tych przypadkach kryształy naturalnego związku wielkocząsteczkowego mają tę samą błyszczącą opalizację (lub grę kolorów), co można przypisać dyfrakcji i konstruktywnej interferencji widzialnych fal świetlnych. Spełniają prawo Bragga.
Wiele eksperymentów dotyczących badania tak zwanych „kryształów koloidalnych” powstało w wyniku stosunkowo prostych metod opracowanych w ciągu ostatnich 20 lat w celu uzyskania syntetycznych koloidów monodyspersyjnych (zarówno polimerowych, jak i mineralnych). Poprzez różne mechanizmy realizowane i utrwalane jest tworzenie porządku dalekiego zasięgu.
Oznaczanie masy cząsteczkowej
Ciężar cząsteczkowy jest krytyczną właściwością substancji chemicznej, zwłaszcza w przypadku polimerów. W zależności od materiału próbki wybierane są różne metody:
- Masę cząsteczkową, a także strukturę cząsteczkową cząsteczek można określić za pomocą spektrometrii masowej. Stosując metodę bezpośredniej infuzji, próbki mogą być wstrzykiwane bezpośrednio do detektora, aby potwierdzić wartość znanego materiału lub zapewnić charakterystykę strukturalną nieznanego.
- Informacje o masie cząsteczkowej polimerów można określić przy użyciu metody, takiej jak chromatografia wykluczania wielkości dla lepkości i wielkości.
- ZaOkreślenie masy cząsteczkowej polimerów wymaga zrozumienia rozpuszczalności danego polimeru.
Całkowita masa związku jest równa sumie poszczególnych mas atomowych każdego atomu w cząsteczce. Procedura odbywa się według wzoru:
- Określ wzór cząsteczkowy cząsteczki.
- Użyj układu okresowego, aby znaleźć masę atomową każdego pierwiastka w cząsteczce.
- Pomnóż masę atomową każdego pierwiastka przez liczbę atomów tego pierwiastka w cząsteczce.
- Wynikowa liczba jest reprezentowana przez indeks dolny obok symbolu elementu we wzorze molekularnym.
- Połącz wszystkie wartości dla każdego atomu w cząsteczce.
Przykład prostego obliczenia małej masy cząsteczkowej: Aby znaleźć masę cząsteczkową NH3, pierwszym krokiem jest wyznaczenie mas atomowych azotu (N) i wodoru (H). Tak więc, H=1, 00794N=14, 0067.
Następnie pomnóż masę atomową każdego atomu przez liczbę atomów w związku. Jest jeden atom azotu (dla jednego atomu nie podano indeksu dolnego). Jak wskazuje indeks dolny, istnieją trzy atomy wodoru. Więc:
- Masa cząsteczkowa substancji=(1 x 14.0067) + (3 x 1.00794)
- Wagi cząsteczkowe=14.0067 + 3.02382
- Wynik=17, 0305
Przykład obliczenia złożonej masy cząsteczkowej Ca3(PO4)2 jest bardziej złożoną opcją obliczeń:
Z układu okresowego pierwiastków, masy atomowe każdego pierwiastka:
- Ca=40, 078.
- P=30, 973761.
- O=15.9994.
Trudne jest ustalenie, ile atomów znajduje się w związku. Istnieją trzy atomy wapnia, dwa atomy fosforu i osiem atomów tlenu. Jeśli część łącząca znajduje się w nawiasach, pomnóż indeks dolny znajdujący się bezpośrednio po znaku elementu przez indeks zamykający nawiasy. Więc:
- Masa cząsteczkowa substancji=(40,078 x 3) + (30,97361 x 2) + (15,9994 x 8).
- Masa cząsteczkowa po obliczeniu=120, 234 + 61, 94722 + 127, 9952.
- Wynik=310, 18.
Złożone kształty elementów są obliczane przez analogię. Niektóre z nich składają się z setek wartości, dlatego obecnie używane są automaty z bazą danych wszystkich wartości g/mol.
