Высокомолекулярное соединение — это... Определение, состав, характеристики, свойства

Высокомолекулярное соединение — это полимеры, которые обладают большой молекулярной массой. Они могут быть органическими и неорганическими соединениями. Различают аморфные и кристаллические вещества, которые состоят из мономерных колец. Последние представляют собой макромолекулы, соединяющиеся химическими и координационными связями. Если говорить простым языком, высокомолекулярное соединение — это полимер, то есть мономерные вещества, которые не меняют своей массы при присоединении к ним такого же "тяжелого" вещества. В ином случае речь пойдет об олигомере.

Что изучает наука о высокомолекулярных соединениях?

Химия высокомолекулярных полимеров — это исследование молекулярных цепей, состоящих из мономерных субъединиц. Здесь учитывается огромная область исследования. Многие полимеры имеют существенное промышленное и коммерческое значение. В Америке вместе с открытием природного газа стартовал запуск крупного проекта по строительству завода по производству полиэтилена. Этан из природного газа превращается в этилен, мономер, из которого может быть изготовлен полиэтилен.

Полимер как высокомолекулярное соединение — это:

• Любой из класса природных или синтетических веществ, состоящих из очень больших молекул, называемых макромолекулами.
• Множество более простых химических единиц, называемых мономерами.
• Полимеры составляют многие материалы в живых организмах, включая, например, белки, целлюлозу и нуклеиновые кислоты.
• Кроме того, они формируют основу таких минералов, как алмаз, кварц и полевой шпат, а также искусственных материалов, среди которых бетон, стекло, бумага, пластик и каучуки.

Слово "полимер" обозначает неопределенное количество мономерных звеньев. Когда количество мономеров очень велико, соединение иногда называют высокополимерным. Оно не ограничено мономерами с одинаковым химическим составом или молекулярной массой и структурой. Некоторые природные высокомолекулярные органические соединения состоят из одного вида мономера.

Однако большинство природных и синтетических полимеров формируются из двух или более разных типов мономеров; такие полимеры известны как сополимеры.

Натуральные вещества: какова их роль в нашей жизни?

Органические высокомолекулярные органические соединения играют решающую роль в жизни людей, обеспечивая основные конструкционные материалы и участвуя в жизненно важных процессах.

• Например, твердые части всех растений состоят из полимеров. К ним относится целлюлоза, лигнин и различные смолы.
• Целлюлоза — это полисахарид, полимер, состоящий из молекул сахара.
• Лигнин формируется из сложной трехмерной сети полимеров.
• Древесные смолы представляют собой полимеры простого углеводорода, изопрена.
• Другим знакомым изопреновым полимером является каучук.

В иные важные природные полимеры входят белки, которые представляют собой полимеры аминокислот, и нуклеиновые кислоты. Они являются разновидностями нуклеотидов. Это сложные молекулы, состоящие из азотсодержащих оснований, сахаров и фосфорной кислоты.

Нуклеиновые кислоты несут генетическую информацию в клетке. Крахмалы, важные источники пищевой энергии, получаемой из растений, представляют собой природные полимеры, состоящие из глюкозы.

Химия высокомолекулярных соединений выделяет неорганические полимеры. Они также встречаются в природе, в том числе алмаз и графит. Оба состоят из углерода. Стоит знать:

• В алмазе атомы углерода связаны в трехмерную сеть, которая придает материалу твердость.
• В графите, используемом в качестве смазки и в карандашных «отведениях», атомы углерода связываются в плоскостях, которые могут скользить друг через друга.

Многие важные полимеры содержат атомы кислорода или азота, а также атомы углерода в основной цепи. К таким макромолекулярным материалам с атомами кислорода относятся полиацетали.

Самый простой полиацеталь — это полиформальдегид. Он имеет высокую температуру плавления, является кристаллическим, устойчивым к истиранию и действию растворителей. Ацетальные смолы больше похожи на металл, чем любые другие пластмассы, и используются при изготовлении деталей машин, таких как шестерни и подшипники.

Вещества, полученные искусственным путем

Синтетические высокомолекулярные соединения производятся в различных типах реакций:

1. Многие простые углеводороды, такие как этилен и пропилен, могут быть превращены в полимеры путем добавления одного мономера за другим в растущую цепь.
2. Полиэтилен, состоящий из повторяющихся этиленовых мономеров, является аддитивным полимером. Он может иметь до 10 000 мономеров, соединенных в длинные спиральные цепи. Полиэтилен является кристаллическим, полупрозрачным и термопластичным, то есть он размягчается при нагревании. Он используется для покрытий, упаковки, формованных деталей, а также для изготовления бутылок и контейнеров.
3. Полипропилен также кристаллический и термопластичный, но тверже полиэтилена. Его молекулы могут состоять из 50000-200000 мономеров.

Это соединение используется в текстильной промышленности и для изготовления формованных предметов.

Другие аддитивные полимеры включают:

• полибутадиен;
• полиизопрен;
• полихлоропрен.

Все они важны при производстве синтетических каучуков. Некоторые полимеры, такие как полистирол, при комнатной температуре являются стеклообразными и прозрачными, а также термопластичными:

1. Полистирол может быть окрашен в любой оттенок и используется при изготовлении игрушек и других пластиковых предметов.
2. Если один атом водорода в этилене заменяется атомом хлора, образуется винилхлорид.
3. Он полимеризуется в поливинилхлорид (ПВХ), бесцветный, твердый, жесткий, термопластичный материал, который может быть изготовлен во многих формах, включая пены, пленки и волокна.
4. Винилацетат, полученный посредством реакции между этиленом и уксусной кислотом, полимеризуется до аморфных, мягких смол, используемых в качестве покрытий и адгезивов.
5. Он сополимеризуется с винилхлоридом с образованием большого семейства термопластичных материалов.

Линейный полимер, характеризующийся повторением сложноэфирных групп вдоль основной цепи, называется полиэфиром. Полиэфиры с открытой цепью представляют собой бесцветные, кристаллические, термопластичные материалы. Те синтетические высокомолекулярные соединения, которые имеют высокую молекулярную массу (от 10000 до 15000 молекул), используются в производстве пленок.

Редкие полиамиды синтетического происхождения

Полиамиды включают в себя встречающиеся в природе белки казеина, содержащиеся в молоке, и зеина, содержащиеся в кукурузе, из которых изготавливаются пластмассы, волокна, клей и покрытия. Стоит заметить:

• В число синтетических полиамидов входят карбамидоформальдегидные смолы, которые являются термореактивными. Они используются для изготовления формованных предметов, а также в качестве клея и покрытия для текстиля и бумаги.
• Также важны полиамидные смолы, известные как нейлон. Они прочны, устойчивы к нагреванию и истиранию, нетоксичны. Их можно покрасить. Самое известное направление в использовании — в качестве текстильных волокон, но у них есть много других функций.

Другое важное семейство синтетических высокомолекулярных химических соединений состоит из линейных повторений уретановой группы. Полиуретаны используются в производстве эластомерных волокон, известных как спандекс, и в производстве основ для покрытий.

Другим классом полимеров являются смешанные органико-неорганические соединения:

1. Наиболее важными представителями этого семейства полимеров являются силиконы. В состав высокомолекулярных соединений входят чередующиеся атомы кремния и кислорода с органическими группами, присоединенные к каждому из атомов кремния.
2. Силиконы с низким молекулярным весом являются маслами и смазками.
3. Виды с более высокой молекулярной массой являются универсальными эластичными материалами, которые остаются мягкими даже при очень низких температурах. Они также относительно стабильны при высоких температурах.

Полимер может быть трехмерным, двухмерным и одиночным. Повторяющиеся единицы часто состоят из углерода и водорода, а иногда — из кислорода, азота, серы, хлора, фтора, фосфора и кремния. Чтобы создать цепь, многие звенья химически связаны или полимеризуются вместе, в связи с чем меняется характеристика высокомолекулярных соединений.

Какими особенностями обладают высокомолекулярные вещества?

Большинство производимых полимеров являются термопластичными. После того, как полимер сформирован, его можно нагревать и подвергать реформированию снова. Это свойство позволяет легко обрабатывать его. Другая группа термореактивных материалов не может быть переплавлена: как только полимеры сформированы, повторный нагрев приведет к разложению, но не к плавлению.

Характеристики высокомолекулярных соединений полимеров на примере упаковок:

1. Могут быть очень устойчивы к химическим веществам. Рассмотрите все чистящие жидкости в вашем доме, которые упакованы в пластик. Описаны все последствия при попадания в глаза, но кожу. Это опасная категория полимеров, которая растворяет все.
2. В то время, как растворители легко деформируют некоторые пластмассы, другие виды пластика помещают в не ломающиеся упаковки для агрессивных растворителей. Они не опасны, но могут нанести ущерб только человеку.
3. Растворы высокомолекулярных соединений чаще всего поставляются в простых пластиковых пакетах, чтобы снизить процент их взаимодействия с веществами внутри тары.

Как правило, полимеры очень легкие по весу со значительной степенью прочности. Рассмотрите диапазон применений, от игрушек до каркасной структуры космических станций, или от тонкого нейлонового волокна в колготках до кевлара, который используется в бронежилетах. Некоторые полимеры плавают в воде, другие — тонут. По сравнению с плотностью камня, бетона, стали, меди или алюминия все пластмассы являются легкими материалами.

Свойства высокомолекулярных соединений различны:

1. Полимеры могут служить тепловыми и электрическими изоляторами: приборы, шнуры, электрические розетки и проводка, которая сделана или покрыта полимерными материалами.
2. Термическая стойкость приборов на кухне с ручками для кастрюль и сковородок из полимеров, ручками для кофейников, пенопластом холодильников и морозильников, изолированными чашками, кулерами и посудой для микроволновой печи.
3. Термобелье, которое носят многие лыжники, изготовлено из полипропилена, а фибра в зимних куртках — из акрила и полиэстера.

Высокомолекулярное соединение — это вещества с безграничным диапазоном характеристик и цветов. Они обладают многими свойствами, которые могут быть дополнительно улучшены широким спектром добавок для расширения применения. Полимеры могут служить основой для имитации хлопка, шелка и шерсти, фарфора и мрамора, алюминия и цинка. В пищевой промышленности их используют для придания грибкам съедобных свойств. Например, дорогой сыр с плесенью. Его можно есть без опаски благодаря полимерной обработке.

Обработка и применение полимерных конструкций

Полимеры могут быть обработаны различными способами:

• Экструзия позволяет производить тонкие волокна или тяжелые массивные трубки, пленки, пищевые бутылки.
• Литье под давлением дает возможность сотворить сложные детали, например, большие части кузова автомобиля.
• Пластмассы могут быть отлиты в бочки или смешаны с растворителями, чтобы стать клеевыми основами или красками.
• Эластомеры и некоторые пластики растягиваются, обладают гибкостью.
• Некоторые пластмассы расширяют в процессе обработки, чтобы удерживать форму, например, бутылки для питьевой воды.
• Другие полимеры могут быть вспенены, например, полистирол, полиуретан и полиэтилен.

Свойства высокомолекулярных соединений меняются в зависимости от механического воздействия и способа получения вещества. Это дает возможность применять их в различных сферах промышленности. Основные высокомолекулярные соединения имеют больший спектр назначения, чем те, которые отличаются особенными свойствами и методикой получения. Универсальные и "прихотливые" "находят себя" в пищевой и строительной сферах:

1. Высокомолекулярные соединения состоят из нефти, но не всегда.
2. Многие полимеры получают из повторяющихся звеньев, сформированных ранее из природного газа, угля или сырой нефти.
3. Некоторые строительные вещества создаются из возобновляемых материалов, таких как полимолочная кислота (из кукурузы или целлюлозы и хлопкового линта).

Интересно и то, что их практически нельзя ничем заменить:

• Полимеры могут быть использованы для изготовления предметов, которые не имеют альтернативы из других материалов.
• Их превращают в прозрачные водонепроницаемые пленки.
• ПВХ используется для изготовления медицинских трубок и пакетов для крови, которые продлевают срок хранения продукта и его производных.
• ПВХ безопасно доставляет горючий кислород в негорючие гибкие трубки.
• А антитромбогенный материал, такой как гепарин, может быть включен в категорию гибких катетеров из ПВХ.

Многие медицинские устройства для обеспечения эффективного функционирования сосредоточены на особенности строений высокомолекулярных соединений.

Растворы высокомолекулярных веществ и их свойства

Поскольку размер дисперсной фазы трудно измерить и коллоиды имеют вид растворов, они иногда идентифицируют и характеризуют физико-химические и транспортные свойства.

Гидроколлоид определяется, как коллоидная система, в которой частицы молекулы высокомолекулярных соединений представляют собой гидрофильные полимеры, диспергированные в воде.

Другими основными гидроколлоидами являются ксантановая камедь, гуммиарабик, гуаровая камедь, камедь рожкового дерева, производные целлюлозы, такие как карбоксиметилцеллюлоза, альгинат и крахмал.

Взаимодействие высокомолекулярных веществ с другими частицами

Следующие силы играют важную роль во взаимодействии коллоидных частиц:

• Отталкивание без учета объема: это относится к отсутствию перекрытия между твердыми частицами.
• Электростатическое взаимодействие: коллоидные частицы часто несут электрический заряд и поэтому притягивают или отталкивают друг друга. Заряд как непрерывной, так и дисперсной фазы, а также подвижность фаз являются факторами, влияющими на это взаимодействие.
• Ван-дер-ваальсовы силы: это происходит из-за взаимодействия между двумя диполями, которые являются постоянными или индуцированными. Даже если частицы не имеют постоянного диполя, флуктуации электронной плотности приводят к временному диполю в частице.
• Энтропийные силы. Согласно второму закону термодинамики, система переходит в состояние, в котором энтропия максимизируется. Это может привести к созданию эффективных сил даже между твердыми сферами.
• Стерические силы между покрытыми полимером поверхностями или в растворах, содержащих неадсорбирующий аналог, могут модулировать межчастичные силы, создавая дополнительную стерическую отталкивающую силу, которая имеет преимущественно энтропийный характер, или силу истощения между ними.

Последний эффект ищется с помощью специально разработанных суперпластификаторов, созданных для повышения обрабатываемости бетона и снижения его содержания в воде.

Кристаллы полимеров: где встречаются, как выглядят?

К высокомолекулярным соединениям относятся даже кристаллы, которые входят в категорию коллоидных веществ. Это высокоупорядоченный массив частиц, который образуется на очень большом расстоянии (обычно порядка нескольких миллиметров до одного сантиметра) и выглядит аналогично их атомным или молекулярным аналогам.

Эти сферические частицы осаждаются в высоко кремнистых резервуарах. Они образуют высокоупорядоченные массивы спустя годы седиментации и сжатия под действием гидростатических и гравитационных сил. Периодические массивы сферических частиц субмикрометрового диапазона обеспечивают аналогичные массивы пустот внедрения, которые действуют как естественная дифракционная решетка для видимых световых волн, особенно когда расстояние между внедрениями имеет тот же порядок величины, что и падающая световая волна.

Таким образом, было выяснено, что из-за отталкивающих кулоновских взаимодействий электрически заряженные макромолекулы в водной среде могут проявлять дальние кристаллоподобные корреляции с расстояниями между частицами, часто значительно превышающими диаметр отдельных частиц.

Во всех этих случаях кристаллы природного высокомолекулярного соединения имеют одну и ту же блестящую радужность (или игру цветов), которую можно отнести к дифракции и конструктивной интерференции видимых световых волн. Они удовлетворяют закону Брэгга.

Большое количество экспериментов по изучению так называемых «коллоидных кристаллов» возникло в результате относительно простых методов, разработанных за последние 20 лет для получения синтетических монодисперсных коллоидов (как полимерных, так и минеральных). Через различные механизмы реализуется и сохраняется формирование дальнего порядка.

Определение молекулярной массы

Молекулярная масса является критическим свойством химического вещества, особенно для полимеров. В зависимости от материала образца подбираются различные методы:

1. Молекулярную массу, а также молекулярную структуру молекул можно определить с помощью масс-спектрометрии. Используя метод прямой инфузии, образцы можно вводить непосредственно в детектор, чтобы подтвердить значение известного материала или обеспечить структурную характеристику неизвестного.
2. Информация о молекулярной массе полимеров может быть определена с использованием такого метода, как эксклюзионная хроматография по вязкости и размеру.
3. Для определения молекулярной массы полимеров необходимо понимать растворимость данного полимера.

Общая масса соединения равна сумме отдельных атомных масс каждого атома в молекуле. Процедура проводится по формуле:

1. Определите молекулярную формулу молекулы.
2. Используйте периодическую таблицу, чтобы выявить атомную массу каждого элемента в молекуле.
3. Умножьте атомную массу каждого элемента на количество атомов этого элемента в молекуле.
4. Полученное число представлено нижним индексом рядом с символом элемента в молекулярной формуле.
5. Соедините все значения вместе для каждого отдельного атома в молекуле.

Пример простого расчета малой молекулярной массы: чтобы найти молекулярную массу NH₃, первым шагом является поиск атомных масс азота (N) и водорода (H). Так, H = 1,00794N = 14,0067.

Затем умножьте атомную массу каждого атома на количество атомов в соединении. Существует один атом азота (для одного атома не дается нижний индекс). Есть три атома водорода, как указано в нижнем индексе. Итак:

• Молекулярная масса вещества = (1 х 14,0067) + (3 х 1,00794)
• Молекулярные массы = 14,0067 + 3,02382
• Результат = 17,0305

Пример расчета комплексной молекулярной массы Ca₃(PO₄)₂ — это более сложный вариант расчета:

Из периодической таблицы атомные массы каждого элемента:

• Ca = 40,078.
• P = 30,973761.
• O = 15.9994.

Сложная часть выясняет, какое количество каждого атома присутствует в соединении. Есть три атома кальция, два атома фосфора и восемь атомов кислорода. Если часть соединения находится в скобках, умножьте нижний индекс, следующий сразу за символом элемента, на нижний индекс, который закрывает скобки. Итак:

• Молекулярная масса вещества = (40,078 х 3) + (30,97361 х 2) + (15,9994 х 8).
• Молекулярная масса после подсчета = 120,234 + 61,94722 + 127,9952.
• Результат = 310,18.

По аналогии высчитываются сложные формы элементов. Некоторые из них состоят из сотни значений, поэтому сейчас используются автоматизированные машины с базой данных всех значений г/моль.