Zlúčeniny s vysokou molekulovou hmotnosťou sú polyméry, ktoré majú veľkú molekulovú hmotnosť. Môžu to byť organické a anorganické zlúčeniny. Rozlišujte medzi amorfnými a kryštalickými látkami, ktoré pozostávajú z monomérnych kruhov. Posledne menované sú makromolekuly spojené chemickými a koordinačnými väzbami. Zjednodušene povedané, vysokomolekulárna zlúčenina je polymér, teda monomérne látky, ktoré nemenia svoju hmotnosť, keď je k nim pripojená rovnaká „ťažká“látka. V opačnom prípade budeme hovoriť o oligoméri.
Čo študuje veda o makromolekulárnych zlúčeninách?
Chémia makromolekulárnych polymérov je štúdiom molekulových reťazcov pozostávajúcich z monomérnych podjednotiek. To pokrýva veľkú oblasť výskumu. Mnohé polyméry majú významný priemyselný a komerčný význam. V Amerike sa spolu s objavom zemného plynu rozbehol veľký projekt výstavby závodu na výrobu polyetylénu. Etán zo zemného plynu sa premieňana etylén, monomér, z ktorého možno vyrobiť polyetylén.
Polymér ako makromolekulárna zlúčenina je:
- Akákoľvek z triedy prírodných alebo syntetických látok zložených z veľmi veľkých molekúl nazývaných makromolekuly.
- Mnoho jednoduchších chemických jednotiek nazývaných monoméry.
- Polyméry tvoria mnohé materiály v živých organizmoch, vrátane napríklad bielkovín, celulózy a nukleových kyselín.
- Okrem toho tvoria základ minerálov ako diamant, kremeň a živec, ako aj umelých materiálov ako betón, sklo, papier, plasty a gumy.
Slovo „polymér“označuje neurčitý počet monomérnych jednotiek. Keď je množstvo monomérov veľmi vysoké, zlúčenina sa niekedy označuje ako vysoký polymér. Nie je obmedzený na monoméry s rovnakým chemickým zložením alebo molekulovou hmotnosťou a štruktúrou. Niektoré prírodné organické zlúčeniny s vysokou molekulovou hmotnosťou sa skladajú z jediného typu monoméru.
Väčšina prírodných a syntetických polymérov sa však tvorí z dvoch alebo viacerých rôznych typov monomérov; takéto polyméry sú známe ako kopolyméry.
Prírodné látky: aká je ich úloha v našom živote?
Organické organické zlúčeniny s vysokou molekulovou hmotnosťou hrajú v živote ľudí kľúčovú úlohu, poskytujú základné konštrukčné materiály a podieľajú sa na životne dôležitých procesoch.
- Napríklad pevné časti všetkých rastlín sú tvorené polymérmi. Patria sem celulóza, lignín a rôzne živice.
- Pulp jepolysacharid, polymér tvorený molekulami cukru.
- Lignín sa tvorí z komplexnej trojrozmernej siete polymérov.
- Stromové živice sú polyméry jednoduchého uhľovodíka, izoprénu.
- Ďalším známym izoprénovým polymérom je guma.
Ďalšie dôležité prírodné polyméry zahŕňajú proteíny, ktoré sú polymérmi aminokyselín a nukleových kyselín. Sú to typy nukleotidov. Sú to zložité molekuly zložené zo zásad obsahujúcich dusík, cukrov a kyseliny fosforečnej.
Nukleové kyseliny nesú genetickú informáciu v bunke. Škroby, dôležitý zdroj energie z rastlín, sú prírodné polyméry tvorené glukózou.
Chémia makromolekulárnych zlúčenín uvoľňuje anorganické polyméry. Nachádzajú sa aj v prírode, vrátane diamantu a grafitu. Obe sú vyrobené z karbónu. Stojí za to vedieť:
- V diamante sú atómy uhlíka spojené do trojrozmernej siete, ktorá dodáva materiálu jeho tvrdosť.
- V grafite, ktorý sa používa ako lubrikant a v ceruzkách, sa atómy uhlíka viažu v rovinách, ktoré sa môžu kĺzať po sebe.
Mnohé dôležité polyméry obsahujú v kostre atómy kyslíka alebo dusíka, ako aj atómy uhlíka. Takéto makromolekulárne materiály s atómami kyslíka zahŕňajú polyacetály.
Najjednoduchším polyacetálom je polyformaldehyd. Má vysoký bod topenia, je kryštalický, oteruvzdorný apôsobenie rozpúšťadiel. Acetálové živice sú kovovejšie ako akékoľvek iné plasty a používajú sa pri výrobe častí strojov, ako sú ozubené kolesá a ložiská.
Látky získané umelo
Syntetické makromolekulárne zlúčeniny vznikajú rôznymi typmi reakcií:
- Mnohé jednoduché uhľovodíky ako etylén a propylén možno premeniť na polyméry pridávaním jedného monoméru za druhým do rastúceho reťazca.
- Polyetylén zložený z opakujúcich sa etylénových monomérov je aditívny polymér. Môže mať až 10 000 monomérov spojených v dlhých špirálovitých reťazcoch. Polyetylén je kryštalický, priesvitný a termoplastický, čo znamená, že pri zahriatí mäkne. Používa sa na nátery, obaly, lisované diely a fľaše a nádoby.
- Polypropylén je tiež kryštalický a termoplastický, ale je tvrdší ako polyetylén. Jeho molekuly môžu pozostávať z 50 000 – 200 000 monomérov.
Táto zmes sa používa v textilnom priemysle a na lisovanie.
Iné prídavné polyméry zahŕňajú:
- polybutadién;
- polyizoprén;
- polychloroprén.
Všetky sú dôležité pri výrobe syntetických kaučukov. Niektoré polyméry, ako napríklad polystyrén, sú pri izbovej teplote sklovité a priehľadné a sú tiež termoplastické:
- Polystyrén je možné farbiť na akúkoľvek farbu a používa sa pri výrobe hračiek a iných plastovpoložky.
- Keď je jeden atóm vodíka v etyléne nahradený atómom chlóru, vzniká vinylchlorid.
- Polymerizuje na polyvinylchlorid (PVC), bezfarebný, tvrdý, tuhý, termoplastický materiál, ktorý možno vyrobiť do mnohých foriem vrátane pien, fólií a vlákien.
- Vinylacetát, vyrobený reakciou medzi etylénom a kyselinou octovou, polymerizuje na amorfné mäkké živice používané ako nátery a lepidlá.
- Kopolymerizuje s vinylchloridom za vzniku veľkej rodiny termoplastických materiálov.
Lineárny polymér charakterizovaný opakovaním esterových skupín pozdĺž hlavného reťazca sa nazýva polyester. Polyestery s otvoreným reťazcom sú bezfarebné, kryštalické, termoplastické materiály. Pri výrobe filmov sa používajú tie syntetické makromolekulárne zlúčeniny, ktoré majú vysokú molekulovú hmotnosť (od 10 000 do 15 000 molekúl).
Vzácne syntetické polyamidy
Polyamidy zahŕňajú prirodzene sa vyskytujúce kazeínové proteíny nachádzajúce sa v mlieku a zeín nachádzajúci sa v kukurici, ktoré sa používajú na výrobu plastov, vlákien, lepidiel a náterov. Za zmienku stojí:
- Syntetické polyamidy zahŕňajú močovino-formaldehydové živice, ktoré sú termosetové. Používajú sa na výrobu tvarovaných predmetov a ako lepidlá a nátery na textil a papier.
- Dôležité sú aj polyamidové živice známe ako nylon. Oni sútrvanlivé, odolné voči teplu a oderu, netoxické. Môžu byť farbené. Jeho najznámejšie využitie je ako textilné vlákna, ale majú mnoho ďalších využití.
Ďalšia dôležitá skupina syntetických chemických zlúčenín s vysokou molekulovou hmotnosťou pozostáva z lineárnych opakovaní uretánovej skupiny. Polyuretány sa používajú pri výrobe elastomérnych vlákien známych ako spandex a pri výrobe základných náterov.
Ďalšou triedou polymérov sú zmiešané organicko-anorganické zlúčeniny:
- Najdôležitejšími predstaviteľmi tejto rodiny polymérov sú silikóny. Vysokomolekulárne zlúčeniny obsahujú striedajúce sa atómy kremíka a kyslíka s organickými skupinami pripojenými ku každému z atómov kremíka.
- Silikóny s nízkou molekulovou hmotnosťou sú oleje a tuky.
- Druhy s vyššou molekulovou hmotnosťou sú všestranné elastické materiály, ktoré zostávajú mäkké aj pri veľmi nízkych teplotách. Sú tiež relatívne stabilné pri vysokých teplotách.
Polymér môže byť trojrozmerný, dvojrozmerný a jednoduchý. Opakujúce sa jednotky sú často tvorené uhlíkom a vodíkom a niekedy kyslíkom, dusíkom, sírou, chlórom, fluórom, fosforom a kremíkom. Na vytvorenie reťazca je veľa jednotiek chemicky spojených alebo polymerizovaných, čím sa menia vlastnosti zlúčenín s vysokou molekulovou hmotnosťou.
Aké vlastnosti majú makromolekulárne látky?
Väčšina vyrobených polymérov je termoplast. Popolymér sa vytvorí, môže sa zahriať a znovu reformovať. Táto vlastnosť uľahčuje manipuláciu. Ďalšiu skupinu termosetov nemožno pretaviť: akonáhle sa vytvoria polyméry, opätovné zahrievanie sa rozloží, ale neroztopí sa.
Charakteristiky makromolekulárnych zlúčenín polymérov na príklade obalov:
- Môže byť veľmi odolný voči chemikáliám. Zvážte všetky čistiace kvapaliny vo vašej domácnosti, ktoré sú zabalené v plastovom obale. Popísané všetky následky kontaktu s očami, ale s pokožkou. Toto je nebezpečná kategória polymérov, ktoré rozpúšťajú všetko.
- Zatiaľ čo niektoré plasty sa rozpúšťadlami ľahko deformujú, iné plasty sú umiestnené v nerozbitných obaloch pre agresívne rozpúšťadlá. Nie sú nebezpečné, ale môžu ublížiť iba ľuďom.
- Roztoky makromolekulárnych zlúčenín sa najčastejšie dodávajú v jednoduchých plastových vreckách, aby sa znížilo percento ich interakcie s látkami vo vnútri nádoby.
Všeobecným pravidlom je, že polyméry sú veľmi ľahké a majú značný stupeň pevnosti. Zvážte celý rad použití, od hračiek po štruktúru rámu vesmírnych staníc alebo od tenkého nylonového vlákna v pančucháčoch až po kevlar používaný v pancieroch. Niektoré polyméry plávajú vo vode, iné klesajú. V porovnaní s hustotou kameňa, betónu, ocele, medi alebo hliníka sú všetky plasty ľahkými materiálmi.
Vlastnosti makromolekulárnych zlúčenín sú rôzne:
- Polyméry môžu slúžiť ako tepelné a elektrické izolátory: spotrebiče, káble, elektrické zásuvky a rozvody, ktoré sú vyrobené alebo potiahnuté polymérnymi materiálmi.
- Žiaruvzdorné kuchynské spotrebiče so živicovými držadlami hrncov a panvíc, rúčkami kanvičiek, penou z chladničky a mrazničky, izolovanými šálkami, chladičmi a riadom vhodným do mikrovlnnej rúry.
- Termoprádlo, ktoré nosí veľa lyžiarov, je vyrobené z polypropylénu, zatiaľ čo vlákna v zimných bundách sú vyrobené z akrylu a polyesteru.
Zlúčeniny s vysokou molekulovou hmotnosťou sú látky s neobmedzeným rozsahom vlastností a farieb. Majú mnoho vlastností, ktoré je možné ďalej vylepšovať širokou škálou aditív na rozšírenie aplikácie. Polyméry môžu slúžiť ako základ pre imitáciu bavlny, hodvábu a vlny, porcelánu a mramoru, hliníka a zinku. V potravinárskom priemysle sa používajú na poskytnutie jedlých vlastností hubám. Napríklad drahý plesňový syr. Dá sa bezpečne jesť vďaka spracovaniu polyméru.
Spracovanie a aplikácia polymérnych štruktúr
Polyméry možno spracovať rôznymi spôsobmi:
- Extrúzia umožňuje výrobu tenkých vlákien alebo ťažkých masívnych rúr, fólií, potravinových fliaš.
- Vstrekovanie umožňuje vytvárať zložité diely, ako sú veľké diely karosérie.
- Plasty môžu byť odlievané do sudov alebo zmiešané s rozpúšťadlami, aby sa stali lepiacimi základmi alebo farbami.
- Elastoméry a niektoré plasty sú roztiahnuteľné a flexibilné.
- Niektoré plasty sa počas spracovania rozťahujú, aby si udržali svoj tvar, ako napríklad fľaše na pitnú vodu.
- Iné polyméry môžu byť napenené, ako napríklad polystyrén, polyuretán a polyetylén.
Vlastnosti makromolekulárnych zlúčenín sa líšia v závislosti od mechanického pôsobenia a spôsobu získania látky. To umožňuje ich uplatnenie v rôznych priemyselných odvetviach. Hlavné makromolekulárne zlúčeniny majú širší rozsah účelov ako tie, ktoré sa líšia špeciálnymi vlastnosťami a metódami prípravy. Univerzálne a „rozmarné“„nájdu sa“v potravinárskom a stavebnom sektore:
- Zlúčeniny s vysokou molekulovou hmotnosťou sa skladajú z ropy, ale nie vždy.
- Veľa polymérov sa vyrába z opakujúcich sa jednotiek, ktoré boli predtým vytvorené zo zemného plynu, uhlia alebo ropy.
- Niektoré stavebné materiály sú vyrobené z obnoviteľných materiálov, ako je kyselina polymliečna (z kukurice alebo celulózy a bavlny).
Zaujímavé je aj to, že je takmer nemožné ich nahradiť:
- Polyméry možno použiť na výrobu predmetov, ktoré nemajú žiadne iné materiálové alternatívy.
- Vyrábajú sa z nich priehľadné vodotesné fólie.
- PVC sa používa na výrobu lekárskych hadičiek a krvných vakov, ktoré predlžujú trvanlivosť produktu a jeho derivátov.
- PVC bezpečne dodáva horľavý kyslík do nehorľavých flexibilných hadičiek.
- A antitrombogénny materiál ako heparín možno zaradiť do kategórie flexibilných PVC katétrov.
Mnohé zdravotnícke pomôcky sa zameriavajú na štrukturálne vlastnosti makromolekulárnych zlúčenín, aby sa zabezpečilo efektívne fungovanie.
Roztoky makromolekulárnych látok a ich vlastnosti
Pretože veľkosť dispergovanej fázy sa ťažko meria a koloidy sú vo forme roztokov, niekedy identifikujú a charakterizujú fyzikálno-chemické a transportné vlastnosti.
| Koloidná fáza | Tvrdé | Čisté riešenie | Rozmerové ukazovatele |
| Ak koloid pozostáva z pevnej fázy dispergovanej v kvapaline, pevné častice nebudú difundovať cez membránu. | Rozpustené ióny alebo molekuly budú difundovať cez membránu pri plnej difúzii. | V dôsledku vylúčenia veľkosti nemôžu koloidné častice prejsť cez póry UF membrány menšie ako je ich vlastná veľkosť. | |
| Koncentrácia v zložení roztokov makromolekulárnych zlúčenín | Presná koncentrácia skutočnej rozpustenej látky bude závisieť od experimentálnych podmienok použitých na jej oddelenie od koloidných častíc tiež rozptýlených v kvapaline. | Závisí od reakcie makromolekulárnych zlúčenín pri vykonávaní štúdií rozpustnosti pre ľahko hydrolyzovateľné látky, ako sú Al, Eu, Am, Cm. | Čím menšia je veľkosť pórov ultrafiltračnej membrány, tým nižšia je koncentráciarozptýlené koloidné častice zostávajúce v ultrafiltrovanej kvapaline. |
Hydrokoloid je definovaný ako koloidný systém, v ktorom častice makromolekulových molekúl sú hydrofilné polyméry dispergované vo vode.
| Závislosť na vode | Závislosť od tepla | Závislosť od spôsobu výroby |
| Hydrokoloidy sú koloidné častice rozptýlené vo vode. V tomto prípade pomer dvoch zložiek ovplyvňuje formu polyméru – gél, popol, tekuté skupenstvo. | Hydrokoloidy môžu byť ireverzibilné (v jednom stave) alebo reverzibilné. Napríklad agar, reverzibilný hydrokoloid extraktu z morských rias, môže existovať v gélovom a tuhom stave, alebo sa môže striedať medzi stavmi pridávaním alebo odstraňovaním tepla. | Získanie makromolekulárnych zlúčenín, ako sú hydrokoloidy, závisí od prírodných zdrojov. Napríklad agar-agar a karagénan sa extrahujú z morských rias, želatína sa získava hydrolýzou hovädzích a rybích bielkovín a pektín sa extrahuje z citrusových šupiek a jablkových výliskov. |
| Želatínové dezerty vyrobené z prášku majú vo svojom zložení iný hydrokoloid. Je obdarený menej tekutinami. | Hydrokoloidy sa v potravinách používajú hlavne na ovplyvnenie textúry alebo viskozity (napr. omáčka). Konzistencia však už závisí od spôsobu tepelnej úpravy. | Lekárske obväzy na báze hydrokoloidov sa používajú na ošetrenie kože a rán. ATvýroba je založená na úplne inej technológii a používajú sa rovnaké polyméry. |
Ďalšie hlavné hydrokoloidy sú xantánová guma, arabská guma, guarová guma, karobová guma, deriváty celulózy ako karboxymetylcelulóza, alginát a škrob.
Interakcia makromolekulárnych látok s inými časticami
Pri interakcii koloidných častíc hrajú dôležitú úlohu nasledujúce sily:
- Odpudzovanie bez ohľadu na objem: ide o nedostatok prekrývania medzi pevnými časticami.
- Elektrostatická interakcia: Koloidné častice často nesú elektrický náboj, a preto sa navzájom priťahujú alebo odpudzujú. Náboj kontinuálnej aj rozptýlenej fázy, ako aj pohyblivosť fáz, sú faktory ovplyvňujúce túto interakciu.
- Van der Waalsove sily: Je to spôsobené interakciou medzi dvoma dipólmi, ktoré sú buď trvalé alebo indukované. Aj keď častice nemajú trvalý dipól, kolísanie hustoty elektrónov má za následok dočasný dipól v častici.
- Sily entropie. Podľa druhého zákona termodynamiky systém prechádza do stavu, v ktorom je entropia maximalizovaná. To môže viesť k vytvoreniu účinných síl aj medzi tvrdými guľami.
- Stérické sily medzi povrchmi potiahnutými polymérom alebo v roztokoch obsahujúcich neadsorbujúci analóg môžu modulovať medzičasticové sily, čím vytvárajú dodatočnú stérickú odpudzujúcu silu, ktorámá prevažne entropický charakter alebo sila vyčerpania medzi nimi.
Posledný efekt sa hľadá pomocou špeciálne vytvorených superplastifikátorov určených na zvýšenie spracovateľnosti betónu a zníženie jeho obsahu vody.
Polymérové kryštály: kde sa nachádzajú, ako vyzerajú?
Medzi vysokomolekulárne zlúčeniny patria párne kryštály, ktoré sú zaradené do kategórie koloidných látok. Ide o vysoko usporiadané pole častíc, ktoré sa tvoria vo veľmi veľkej vzdialenosti (zvyčajne rádovo od niekoľkých milimetrov do jedného centimetra) a vyzerajú podobne ako ich atómové alebo molekulárne náprotivky.
| Názov transformovaného koloidu | Príklad objednávky | Produkcia |
| Precious Opal | Jeden z najlepších prírodných príkladov tohto javu sa nachádza v čistej spektrálnej farbe kameňa | Toto je výsledok tesne uzavretých výklenkov guľôčok amorfného koloidného oxidu kremičitého (SiO2) |
Tieto sférické častice sú uložené vo vysoko kremičitých rezervoároch. Po rokoch sedimentácie a stláčania pôsobením hydrostatických a gravitačných síl vytvárajú vysoko usporiadané masívy. Periodické polia submikrometrických sférických častíc poskytujú podobné polia intersticiálnych dutín, ktoré fungujú ako prirodzená difrakčná mriežka pre vlny viditeľného svetla, najmä ak je medziľahlý priestor rádovo rovnakej veľkosti ako vlna dopadajúceho svetla.
Zistilo sa teda, že kvôli odpudivémuCoulombovské interakcie, elektricky nabité makromolekuly vo vodnom prostredí môžu vykazovať korelácie podobné kryštálom na veľké vzdialenosti so vzdialenosťami medzi časticami, ktoré sú často oveľa väčšie ako priemer jednotlivých častíc.
Vo všetkých týchto prípadoch majú kryštály prírodnej makromolekulárnej zlúčeniny rovnakú brilantnú iridescenciu (alebo hru farieb), ktorú možno pripísať difrakcii a konštruktívnej interferencii vĺn viditeľného svetla. Spĺňajú Braggov zákon.
Veľký počet experimentov na štúdium takzvaných "koloidných kryštálov" vznikol ako výsledok relatívne jednoduchých metód vyvinutých za posledných 20 rokov na získanie syntetických monodisperzných koloidov (polymérnych aj minerálnych). Prostredníctvom rôznych mechanizmov sa realizuje a zachováva vytvorenie rádu na veľké vzdialenosti.
Určenie molekulovej hmotnosti
Molekulová hmotnosť je kritickou vlastnosťou chemikálie, najmä v prípade polymérov. V závislosti od materiálu vzorky sa vyberú rôzne metódy:
- Molekulovú hmotnosť, ako aj molekulárnu štruktúru molekúl možno určiť pomocou hmotnostnej spektrometrie. Pomocou metódy priamej infúzie možno vzorky vstreknúť priamo do detektora, aby sa potvrdila hodnota známeho materiálu alebo poskytla štrukturálna charakterizácia neznámeho.
- Informáciu o molekulovej hmotnosti polymérov možno určiť pomocou metódy, ako je vylučovacia chromatografia pre viskozitu a veľkosť.
- PreUrčenie molekulovej hmotnosti polymérov vyžaduje pochopenie rozpustnosti daného polyméru.
Celková hmotnosť zlúčeniny sa rovná súčtu jednotlivých atómových hmotností každého atómu v molekule. Postup sa vykonáva podľa vzorca:
- Určite molekulárny vzorec molekuly.
- Pomocou periodickej tabuľky nájdite atómovú hmotnosť každého prvku v molekule.
- Vynásobte atómovú hmotnosť každého prvku počtom atómov tohto prvku v molekule.
- Výsledné číslo predstavuje dolný index vedľa symbolu prvku v molekulovom vzorci.
- Spojte všetky hodnoty dohromady pre každý jeden atóm v molekule.
Príklad jednoduchého výpočtu s nízkou molekulovou hmotnosťou: Ak chcete nájsť molekulovú hmotnosť NH3, prvým krokom je nájsť atómové hmotnosti dusíka (N) a vodíka (H). Takže H=1,00794N=14,0067.
Potom vynásobte atómovú hmotnosť každého atómu počtom atómov v zlúčenine. Existuje jeden atóm dusíka (pre jeden atóm nie je uvedený dolný index). Existujú tri atómy vodíka, ako je uvedené v dolnom indexe. Takže:
- Molekulová hmotnosť látky=(1 x 14,0067) + (3 x 1,00794)
- Molekulové hmotnosti=14,0067 + 3,02382
- Výsledok=17, 0305
Príklad výpočtu komplexnej molekulovej hmotnosti Ca3(PO4)2 je zložitejšia možnosť výpočtu:
Z periodickej tabuľky, atómové hmotnosti každého prvku:
- Ca=40, 078.
- P=30, 973761.
- O=15,9994.
Zložitá časť je zistiť, koľko atómov je v zlúčenine. Existujú tri atómy vápnika, dva atómy fosforu a osem atómov kyslíka. Ak je časť spojenia v zátvorkách, vynásobte dolný index, ktorý nasleduje za znakom prvku, dolným indexom, ktorý zátvorky uzatvára. Takže:
- Molekulová hmotnosť látky=(40,078 x 3) + (30,97361 x 2) + (15,9994 x 8).
- Molekulová hmotnosť po výpočte=120, 234 + 61, 94722 + 127, 9952.
- Výsledok=310, 18.
Komplexné tvary prvkov sa vypočítavajú analogicky. Niektoré z nich pozostávajú zo stoviek hodnôt, takže sa teraz používajú automatizované stroje s databázou všetkých hodnôt g/mol.
