Полимеры – высокомолекулярные соединения

«Если бы это было в моей власти, я вычеркнул бы слово «атом» из науки, так как убеждён, что он вне наших опытов» …

Жан Батист Дюма

Пойдёт сотни лет и Резерфорд, Бор, Мозли экспериментально докажут обратное. Реально существуют не только атомы, то и строгие правила их взаимодействия.

Например, играя в домино, элементы соединяются таким образом, что образуется неограниченное число конструкций.

Миллионы лет природа обрабатывала механизм соединения атомов в молекулы, а также молекул в агрегаты, пока не возникло то, что мы называем многообразием органического мира.

Полимеры – это химические соединения, которые построены из сотен, тысяч и даже миллионов повторяющихся структурных единиц – элементарных звеньев.

Например, шарик из пластмассы представляет собой одну макромолекулу. В процессе изготовления этого шарика множество молекул соединяется в одну полимерную цепь.

Даже в областях звёздной пыли обнаружены полимеры формальдэгида и полиацэтилена.

Естественно, что первые высокомолекулярные соединения, которые вошли в жизнь человека были природными. Как натуральный каучук, целлюлоза, крахмал, белок и другие. Но полимеры не всегда существуют в том виде, в котором они необходимы человеку. Поэтому существуют реакции синтеза, с помощью которых можно получить различные синтетические материалы: пластмассы, искусственные волокна, искусственные каучуки.

Термин "полимерия" ввёл Берцэлиус в 1833, так он обозначал особый вид изомерии, при которой вещества одинакового состава имеют различную молярную массу, например, этилен и бутилен, кислород и озон.

Й. Я. Берцелиус

(1779–1848)

Первые упоминания о синтетических высокомолекулярных соединениях относятся к 1838 и 1839 году.

До конца 20-х годов 20 века наука о высокомолекулярных соединениях развивалась главным образом в русле интенсивного поиска способов синтеза. 

В 30-х годах было доказано существование свободнорадикального и ионного механизмов полимеризаций.

Большую роль в развитии представлений о поликондэнсации сыграли работы Карозерса, который ввел в химию высокомолекулярных соединений понятия функциональности мономера, линейной и трехмерной поликондэнсации. Он же в 1931 году синтезировал совместно с Ньюландом хлоропрэновый каучук (неопрэн) и в 1937 году разработал метод получения полиамида для формования волокна типа найлон.

Автором принципиально новых представлений о высокомолекулярных соединениях как о веществах, построенных из макромолекул, был Штаудингер.

Г. Штаудингер

(1881–1965)

Победа его идей привела к тому, что высокомолекулярные соединения стали рассматривать как качественно новый объект исследования химии и физики.

Химик Лео Бакеланд получил поли-окси-бензил-метилен-гликоль-ангидрид, но запомнить такое название было очень сложно, и это соединение стали называть бакелит. Из этого материала изготавливали корпуса телефонов, детские игрушки, электрические изоляторы.

Основными реакциями получения полимеров являются реакции полимеризации и поликондэнсации.

В реакцию полимеризации вступает множество молекул мономеров. Этот процесс имеет цепной характер и развивается в следующей последовательности: зарождение цепи и образование радикалов, рост цепи и обрыв цепи.

Так, в реакции полимеризации этилена из газообразного этилена образуется твёрдое вещество – полиэтилен, который имеет линейное строение, в молекуле которого содержится десятки тысяч атомов углерода. По реакции полимеризации получают также поливинилхлорид, полиметилакрилат.

Название полимера образуется с прибавлением приставки «поли».

Полиэтилен — представляет собой полимер, образующийся при полимеризации этилена.

В полимере различают составное звено, мономерное или структурное звено. Составное звено – это атом или группа атомов, входящая в состав полимера. Структурное (мономерное) звено полимера – это группа атомов, многократно повторяющаяся в макромолекуле полимера.

Мономеры – это низкомолекулярные вещества, из которых образуются молекулы полимеров. 

Степень полимеризации эн (n) – число, которое показывает, сколько молекул мономеров соединяются в макромолекулу полимера.

Значение эн может быть от нескольких сотен до сотен тысяч, эн – величина не постоянная, макромолекулы одного полимера могут иметь различную длину, поэтому молекулярная масса полимера – средняя величина.

Реакцией поликондэнсации получают фенолформальдэгидные смолы. Исходными веществами при этом являются фенол и формальдэгид. Благодаря разрыву слабой двойной связи в альдэгидной группе и замене атомов водорода в феноле образуется макромолекула. При этом ещё выделяется низкомолекулярный продукт – вода.

Реакцией поликонденсации получают фенолформальдегидные смолы.

По реакции поликондэнсации получают капрон, нейлон и другие высокомолекулярные соединения.

В основу классификации полимеров могут быть положены различные признаки классификации.

Например, по происхождению, полимеры могут быть природными, как целлюлоза, белки, природные смолы; искусственными, как вискоза, нитроцеллюлоза; а также синтетическими, как полиэтилен, полистирол, фенолформальдэгидные смолы и другие.

По величине молекулы полимеры делятся на олигомеры, у которых молекулярная масса до 5.000, плейномеры, молярная масса которых достигает 50.000 и высокополимеры, молярная масса которых достигает нескольких миллионов.

По химическому составу различают органические полимеры, к ним относятся полиолефины и полимеры виниловых мономеров; неорганические, среди которых выделяют гомоцепные (например, пластическая сера), и гетэроцепные, например, полифосфонитрилхлорид, к элементоорганическим полимерам относятся полидиметилоргансилоксаны.

По природе атомов основной цепи полимеры бывают гомоцепные (или карбоцепные), которые построены из одинаковых атомов, например – полистирол, а также гетэроцепные, которые содержат атомы разных элементов, чаще углерода, азота, кремния, фосфора. Это полиэфиры, полиамиды, полиоргансилоксаны, как полиэтилентерефталат.

Полимеры, макромолекулы которых состоят из повторяющихся звеньев одного типа, называются гомополимерами. Например, гомополимером является полиэтилен.

Если макромолекулы полимеров состоят из двух мономеров, тогда высокомолекулярные соединения называются сополимерами.

Меняя состав мономеров можно получить полимер с нужными качествами. Например, если добавить изопрэн и изобутилен и провести совместную полимеризацию, то получается химически стойкий полимер, который стойкий также и к механическому старению.

Сополимеры в зависимости от характера распределения различных звеньев в макромолекуле делят на регулярные и нерегулярные.

В регулярных макромолекулах наблюдается определённая периодичность распределения звеньев.

Простейшие примеры – чередующиеся сополимеры стирола с малеиновым ангидридом или некоторых олефинов с акриловыми мономерами.

Для нерегулярных сополимеров характерно случайное, или статистическое (то есть подчиняющееся определенной статистике, но не регулярное), распределение звеньев.

По отношению к нагреванию различают тэрмопласты, тэрмоэластопласты и реактопласты.

Тэрмопласты плавятся при нагревании, а при охлаждении переходят в тоже состояние. Реактопласты при нагревании плавятся, при этом возникают межмолекулярные связи и при охлаждении они не переходят в основное состояние. Тэрмоэластопласты, к которым относится полибутадиен, ― это материалы, из которых в основном изготавливают подошву для обуви. При нагревании они переходят в расплавленное состояние, а при охлаждении они становятся резиновыми.

По стереохимическим признакам различают полимеры «голова к хвосту» и «голова к голове». Голова – это атом мономера, где есть заместитель, а хвост – это всё остальное.

Таким образом, полимер состоит из мономеров, которые сцеплены как вагоны поезда.

Поли означает много, моно – один, меро – части. Одни полимеры состоят из одного мономера, а другие – из неодинаковых мономеров, как молекула ДНК.

Например, белки – это полимеры аминокислот, ДНК и РНК – полимеры нуклеотидов.

Геометрическая (пространственная) структура полимера может быть линейной, как у целлюлозы, разветвлённой, как у амилопектина, а также сетчатой (сшитой), как у фенолформальдэгидных смол, резины.

Особые свойства высокомолекулярных соединений являются следствием большой величины их макромолекул.

Во-первых, высокомолекулярные соединения не имеют определённой температуры плавления, плавятся в широком интервале температур, некоторые разлагаются ниже температуры плавления.

Во-вторых, высокомолекулярные соединения не подвергаются перегонке, так как разлагаются при нагревании.

В-третьих, высокомолекулярные соединения не растворяются в воде или растворяются с трудом. Высокомолекулярные соединения обладают высокой прочностью. Кроме того, высокомолекулярные соединения инэртны в химических средах, устойчивы к воздействию окружающей среды.

Полимеры и пластмассы являются ценными заменителями многих природных материалов (металлов, дерева, кожи, клеев и так далее). Синтетические волокна успешно заменяют натуральные — шёлковые, шерстяные, хлопчатобумажные. При этом важно подчеркнуть, что по ряду свойств материалы на основе синтетических полимеров часто превосходят природные. Можно получать пластические массы, волокна и другие соединения с комплексом заданных технических свойств. Это позволяет решать многие задачи современной техники, которые не могли быть решены при использовании только природных материалов.

Но у полимеров есть и минусы. Например, полистирол, мономером которого является стирол, способен вызывать рак. Кроме того, предметы из полистирола, полиэтилена и другие, попадая в окружающую среду, загрязняют её.

Таким образом, полимеры – это высокомолекулярные соединения, которые состоят из множества мономерных звеньев. Полимеры можно получить реакциями полимеризации и поликондэнсации. Полимеры играют значительную роль в науке и жизни человека.