Съединение с високо молекулно тегло е... Определение, състав, характеристики, свойства

Високомолекулните съединения са полимери, които имат голямо молекулно тегло. Те могат да бъдат органични или неорганични съединения. Разграничават се аморфни и кристални вещества, които са съставени от мономерни пръстени. Последните са макромолекули, свързани с химични и координационни връзки. Казано по-просто, съединението с високо молекулно тегло е полимер, т.е. мономерно вещество, което не променя масата си, когато същото "тежък" вещества. В противен случай ще говорим за олигомер.

Какво изучава науката за съединенията с високо молекулно тегло?

Химията на полимерите с високо молекулно тегло изучава молекулните вериги, съставени от мономерни субединици. Тук се взема предвид обширната област на изследване. Много от полимерите са от голямо промишлено и търговско значение. В Америка, заедно с откриването на природен газ, стартира голям проект за изграждане на завод за полиетилен. Етан от природен газ се превръща в етилен - мономер, от който се произвежда полиетилен.

Полимерът като съединение с високо молекулно тегло е:

• Всяко от клас естествени или синтетични вещества, съставени от много големи молекули, наречени макромолекули.
• Набор от по-прости химични единици, наречени мономери.
• Полимерите съставляват много от материалите в живите организми, включително например протеини, целулоза и нуклеинови киселини.
• Те са и в основата на минерали като диамант, кварц и фелдшпат, както и на изкуствени материали като бетон, стъкло, хартия, пластмаси и каучук.

Думата "полимер" Означава неопределен брой мономерни единици. Когато броят на мономерите е много голям, дадено съединение понякога се нарича високополимерен полимер. Не се ограничава до мономери с еднакъв химичен състав или молекулно тегло и структура. Някои естествени органични съединения с високо молекулно тегло се състоят от един вид мономер.

Повечето природни и синтетични полимери обаче се образуват от два или повече различни вида мономери; тези полимери са известни като съполимери.

Природни вещества: каква роля играят в живота ни?

Органичните високомолекулни съединения играят решаваща роля в човешкия живот, като осигуряват основни строителни материали и участват в жизненоважни процеси.

• Например твърдите вещества на всички растения са съставени от полимери. Те включват целулоза, лигнин и различни смоли.
• Целулозата е полизахарид - полимер, съставен от захарни молекули.
• Лигнинът се образува от сложна триизмерна мрежа от полимери.
• Дървесните смоли са полимери на прост въглеводород - изопрен.
• Каучукът е друг познат изопренов полимер.

Други важни природни полимери са протеините, които са полимери на аминокиселини, и нуклеиновите киселини. Те са вид нуклеотид. Те са сложни молекули, съставени от азотни основи, захари и фосфорна киселина.

Нуклеиновите киселини пренасят генетичната информация в клетката. Нишестето, важен източник на енергия в храната, получено от растения, е естествен полимер, съставен от глюкоза.

Химията на съединенията с високо молекулно тегло отличава неорганичните полимери. Те се срещат и в природата, включително диамант и графит. И двете са съставени от въглерод. Струва си да знаете:

• В диаманта въглеродните атоми са свързани в триизмерна мрежа, която придава твърдост на материала.
• В графита, който се използва като смазка и в моливите, въглеродните атоми са свързани в равнини, които могат да се плъзгат един през друг.

Много важни полимери съдържат кислородни или азотни атоми, както и въглеродни атоми в основната верига. Тези макромолекулни материали с кислородни атоми включват полиацетали.

Най-простият полиацетал е полиформалдехидът. Има висока температура на топене, кристален е и е устойчив на абразия и разтворители. Ацеталовите смоли приличат повече на метал, отколкото на други пластмаси, и се използват в производството на машинни части, като зъбни колела и лагери.

Създадени от човека вещества

Синтетичните високомолекулни съединения се произвеждат чрез различни видове реакции:

1. Много прости въглеводороди, като етилен и пропилен, могат да се превърнат в полимери чрез добавяне на един след друг мономери към нарастваща верига.
2. Полиетиленът, съставен от повтарящи се етиленови мономери, е добавъчен полимер. Той може да има до 10 000 мономера, свързани в дълги спираловидни вериги. Полиетиленът е кристален, полупрозрачен и термопластичен, т.е. омеква при нагряване. Използва се за покрития, опаковки, формовани части, както и за бутилки и контейнери.
3. Полипропиленът също е кристален и термопластичен, но е по-твърд от полиетилена. Молекулите му могат да се състоят от 50 000-200 000 мономера.

Това съединение се използва в текстилната промишленост и за производство на формовани обекти.

Други добавъчни полимери включват:

• полибутадиен;
• полиизопрен;
• полихлоропрен.

Всички те са важни за производството на синтетични каучуци. Някои полимери, например полистиренът, са стъкловидни, прозрачни и термопластични при стайна температура:

1. Полистиренът може да се боядисва във всякакви нюанси и се използва за производството на играчки и други пластмасови предмети.
2. Ако един водороден атом в етилена се замени с хлорен атом, се образува винилхлорид.
3. Полимеризира се в поливинилхлорид (PVC) - безцветен, твърд, твърд, термопластичен материал, който може да се произвежда в много форми, включително пяна, филми и влакна.
4. Винилацетатът, получен при реакцията между етилен и оцетна киселина, полимеризира до аморфни, меки смоли, използвани като покрития и лепила.
5. Кополимеризира се с винилхлорид, за да образува голямо семейство термопластични материали.

Линеен полимер, характеризиращ се с повторение на естерни групи по основната верига, се нарича полиестер. Полиетерите с отворена верига са безцветни, кристални, термопластични материали. Синтетичните високомолекулни съединения с високо молекулно тегло (10 000 до 15 000 молекули) се използват за производството на филми.

Редки полиамиди от синтетичен произход

Полиамидите включват естествените протеини казеин, който се съдържа в млякото, и зеин, който се съдържа в царевицата, които се използват за производството на пластмаси, влакна, лепила и покрития. Струва си да се отбележи:

• Синтетичните полиамиди включват карбамид-формалдехидни смоли, които са термореактивни. Използват се за производство на формовани предмети, както и като лепила и покрития за текстил и хартия.
• Полиамидните смоли, известни като найлон, също са важни. Те са здрави, устойчиви на топлина и абразия и нетоксични. Могат да се боядисват. Най-известната им употреба е като текстилни влакна, но те имат има много други функции.

Друга важна група синтетични химични съединения с високо молекулно тегло се състои от линейни повторения на уретановата група. Полиуретаните се използват при производството на еластомерни влакна, известни като спандекс, и при производството на бази за покрития.

Друг клас полимери са смесените органично-неорганични съединения:

1. Най-важните представители на това семейство полимери са силиконите. Високомолекулните съединения съдържат редуващи се атоми на силиций и кислород с органични групи, прикрепени към всеки от силициевите атоми.
2. Силиконите с ниско молекулно тегло са масла и греси.
3. Видовете с по-високо молекулно тегло са универсални, гъвкави материали, които остават меки дори при много ниски температури. Освен това те са относително стабилни при високи температури.

Полимерът може да бъде триизмерен, двуизмерен и единичен. Повтарящите се единици често се състоят от въглерод и водород, а понякога и от кислород, азот, сяра, хлор, флуор, фосфор и силиций. За да се образува верига, много от звената се свързват химически или се полимеризират заедно, като по този начин се променя характеристиката на високомолекулните съединения.

Какви са специфичните характеристики на съединенията с високо молекулно тегло?

Повечето произвеждани полимери са термопластични. След като се образува, полимерът може да се нагрее и да се реформира отново. Това свойство улеснява работата с. Друга група термореактивни материали не могат да се претопяват: след като полимерите са се образували, загряването им води до разлагане, но не и до разтопяване.

Характеристики на полимерни съединения с високо молекулно тегло като пример за опаковки:

1. Могат да бъдат много устойчиви на химикали. Разгледайте всички течности за почистване в дома си, които са опаковани в пластмасови опаковки. Описва всички ефекти при контакт с очите и кожата. Това е опасна категория полимери, които разтварят всичко.
2. Докато разтворителите лесно деформират някои пластмаси, други видове пластмаси се поставят в нечупливи опаковки за агресивни разтворители. Те не са опасни, но могат да навредят само на хората.
3. Разтворите на високомолекулни съединения най-често се доставят в обикновени пластмасови торбички, за да се намали процентът на взаимодействието им с веществата в контейнера.

Обикновено полимерите са с много ниско тегло и значителна степен на издръжливост. Обърнете внимание на широкия спектър от приложения - от играчките до рамковата конструкция на космическите станции или от тънките найлонови влакна в чорапогащите до кевлара, използван в бронежилетките. Някои полимери плуват във вода, а други потъват. В сравнение с плътността на камъка, бетона, стоманата, медта или алуминия всички пластмаси са леки материали.

Свойствата на съединенията с високо молекулно тегло са различни:

1. Полимерите могат да служат като топлинни и електрически изолатори: уреди, кабели, електрически контакти и проводници, които са изработени или покрити с полимери.
2. Топлинна устойчивост на кухненските уреди с полимерни дръжки за тенджери и тигани, дръжки за кафеварки, пяна за хладилници и фризери, изолирани чаши, охладители и съдове за микровълнова фурна.
3. Термобельото, носено от много скиори, е изработено от полипропилен, докато влакната в зимните якета са от акрил и полиестер.

Съединенията с високо молекулно тегло са вещества с безкраен набор от характеристики и цветове. Те притежават много свойства, които могат да бъдат допълнително подобрени чрез широка гама от добавки за разширени приложения. Полимерите могат да бъдат основа за имитация на памук, коприна и вълна, порцелан и мрамор, алуминий и цинк. В хранително-вкусовата промишленост те се използват за придаване на ядивни свойства на гъбичките. Например, скъпо плесенясало сирене. Може да се консумира безопасно благодарение на полимерната обработка.

Обработка и приложение на полимерни структури

Полимерите могат да се обработват по различни начини:

• Екструдирането дава възможност за производство на тънки влакна или тежки твърди тръби, филми, бутилки за храна.
• Формоването чрез впръскване позволява създаването на сложни части, като например големи части от каросерията на автомобила.
• Пластмасите могат да се формоват в бъчви или да се смесват с разтворители, за да се превърнат в лепила или бои.
• Еластомерите и някои пластмаси са разтегливи, гъвкави.
• Някои пластмаси се разширяват по време на обработката, за да запазят формата си, напр. бутилки за питейна вода.
• Могат да се разширяват и други полимери, например полистирол, полиуретан и полиетилен.

Свойствата на високомолекулните съединения се променят в зависимост от механичното въздействие и начина на получаване на веществото. Това им позволява да се използват в различни отрасли. Основните високомолекулни съединения имат по-широк спектър на приложение от тези със специални свойства и методи на производство. Универсални и "причудливи" "да се окажат" в хранително-вкусовата промишленост и строителството:

1. Съединенията с високо молекулно тегло се състоят от масло, но не винаги.
2. Много полимери се получават от повтарящи се единици, образувани преди това от природен газ, въглища или суров нефт.
3. Някои строителни материали са създадени от възобновяеми материали, като например полимлечна киселина (от царевица или целулоза и памучен мъх).

Интересното е, че на практика няма техен заместител:

• Полимерите могат да се използват за направата на неща, които нямат алтернатива от други материали.
• Те се превръщат в прозрачни водоустойчиви фолиа.
• PVC се използва за производство на медицински тръби и торбички за кръв, които удължават срока на годност на продукта и неговите производни.
• PVC безопасно доставя запалим кислород в незапалими гъвкави тръби.
• В гъвкавите PVC катетри може да се вгради антитромбогенен материал, например хепарин.

Много медицински изделия се фокусират върху структурните характеристики на съединенията с високо молекулно тегло, за да функционират ефективно.

Разтвори на вещества с високо молекулно тегло и техните свойства

Тъй като размерът на дисперсната фаза е труден за измерване и колоидите имат вид на разтвори, понякога те се идентифицират и характеризират чрез физико-химични и транспортни свойства.

Хидроколоидът се определя като колоидна система, в която частици от високомолекулни съединения са хидрофилни полимери, диспергирани във вода.

Други основни хидроколоиди са гума ксантан, арабска гума, гума гуар, гума рожков, производни на целулозата като карбоксиметилцелулоза, алгинат и нишесте.

Взаимодействие на вещества с високо молекулно тегло с други частици

Следните сили играят важна роля при взаимодействието на колоидните частици

• Отблъскване, независещо от обема: това се отнася до липсата на припокриване между твърдите частици.
• Електростатично взаимодействие: колоидните частици често носят електрически заряд и поради това се привличат или отблъскват взаимно. Зарядът на непрекъснатата и дисперсната фаза, както и подвижността на фазите, са фактори, които влияят на това взаимодействие.
• Сили на Ван дер Ваалс: възникват в резултат на взаимодействието между два постоянни или индуцирани дипола. Дори ако частиците нямат постоянен дипол, колебанията на електронната плътност водят до временен дипол в частицата.
• Ентропични сили. Съгласно втория закон на термодинамиката системата преминава в състояние, при което ентропията е максимална. Това може да доведе до създаване на ефективни сили дори между твърди сфери.
• Стеричните сили между повърхности с полимерно покритие или в разтвори, съдържащи неадсорбиращ аналог, могат да модулират силите между частиците, създавайки допълнителна стерична отблъскваща сила, която е предимно ентропийна по природа, или изчерпваща сила между тях.

Последният ефект се постига със специално разработени суперпластификатори, предназначени да повишат обработваемостта на бетона и да намалят водното му съдържание.

Полимерни кристали: къде се срещат, как изглеждат?

Съединенията с високо молекулно тегло включват дори кристали, които попадат в категорията на колоидните вещества. Това е силно подреден масив от частици, които се образуват на много голямо разстояние (обикновено от порядъка на няколко милиметра до един сантиметър) и изглеждат подобно на своите атомни или молекулярни аналози.

Тези сферични частици се отлагат в резервоари с високо съдържание на силициев диоксид. Те образуват силно подредени масиви след години на утаяване и свиване под действието на хидростатични и гравитационни сили. Периодичните масиви от сферични частици в субмикрометровия диапазон осигуряват подобни масиви от вградени кухини, които действат като естествен дифракционна решетка за видими светлинни вълни, особено когато разстоянието на вграждане е от същия порядък на величината като падащата светлинна вълна.

По този начин беше установено, че поради отблъскващите Кулонови взаимодействия електрически заредените макромолекули във водна среда могат да проявят кристалоподобни корелации с дълъг обхват, като разстоянията между частиците често значително надвишават диаметрите на отделните частици.

Във всички тези случаи кристалите на естественото високомолекулно съединение имат една и съща блестяща иридесценция (или игра на цветовете), която може да се обясни с дифракцията и структурната интерференция на видимите светлинни вълни. Те отговарят на закона на Браг.

Голям брой експерименти върху така наречените "колоидни кристали" са резултат от сравнително прости методи, разработени през последните 20 години, за получаване на синтетични монодисперсни колоиди (като полимери, както и минерални). Формирането на ред на дълги разстояния се осъществява и поддържа чрез различни механизми.

Определяне на молекулното тегло

Молекулното тегло е критично свойство на химичните вещества, особено на полимерите. В зависимост от материала на пробата се предлагат различни методи:

1. Молекулното тегло, както и молекулната структура на молекулите могат да се определят чрез масспектрометрия. С помощта на техниката за директно вливане пробите могат да се впръскват директно в детектора, за да се потвърди стойността на известен материал или да се направи структурна характеристика на неизвестен материал.
2. Информацията за молекулното тегло на полимерите може да се определи чрез методи като вискозитет и хроматография с изключване на размера.
3. За да се определи молекулното тегло на полимерите, е необходимо да се разбере разтворимостта на даден полимер.

Общата маса на едно съединение е равна на сумата от индивидуалните атомни маси на всеки атом в молекулата. Процедурата се извършва по формулата:

1. Определяне на молекулната формула на дадена молекула.
2. Използвайте периодичната таблица, за да откриете атомното тегло на всеки елемент в молекулата.
3. Умножете атомната маса на всеки елемент по броя на атомите на този елемент в молекулата.
4. Полученото число се представя с долния индекс до символа на елемента в молекулната формула.
5. Комбиниране на всички стойности заедно за всеки отделен атом в молекулата.

Пример за просто изчисление на малка молекулна маса: За да се намери молекулната маса на NH₃, първата стъпка е да се намерят атомните тегла на азота (N) и водорода (H). И така, H = 1,00794N = 14,0067.

След това умножете атомната маса на всеки атом по броя на атомите в съединението. Има един атом азот (за един атом не е даден по-нисък индекс). Има три водородни атома, както е посочено с долния индекс. И така:

• Молекулно тегло на дадено вещество = (1 x 14,0067) + (3 x 1,00794)
• Молекулни тегла = 14,0067 + 3,02382
• Резултат = 17,0305

Пример за изчисляване на комплексното молекулно тегло на Ca₃(PO₄)₂ - е по-сложна версия на изчислението:

От периодичната таблица посочете атомните маси на всеки елемент:

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

Сложната част определя колко от всеки атом присъства в съединението. Има три калциеви атома, два фосфорни атома и осем кислородни атома. Ако част от съединението е в скоби, умножете долния индекс, следващ непосредствено символа на елемента, по долния индекс, който затваря скобите. И така:

• Молекулно тегло на съединението = (40,078 x 3) + (30,97361 x 2) + (15,9994 x 8).
• Молекулно тегло след изчисление = 120,234 + 61,94722 + 127,9952.
• Резултат = 310.18.

По подобен начин се изчисляват сложни форми на елементите. Някои от тях се състоят от стотици стойности, затова сега се използват автоматични машини с база данни за всички стойности на g/mol.