Makromolekularna spojina je Definicija, sestava, značilnosti, lastnosti

2024 Avtor: Angel Austin | [email protected]. Nazadnje spremenjeno: 2024-01-02 17:55

Spojine z visoko molekulsko maso so polimeri z veliko molekulsko maso. Lahko so organske in anorganske spojine. Razlikovati med amorfnimi in kristalnimi snovmi, ki so sestavljene iz monomernih obročev. Slednje so makromolekule, povezane s kemičnimi in koordinacijskimi vezmi. Preprosto povedano, visokomolekularna spojina je polimer, torej monomerne snovi, ki ne spremenijo svoje mase, ko je nanje vezana ista "težka" snov. V nasprotnem primeru bomo govorili o oligomeru.

Kaj preučuje znanost o makromolekularnih spojinah?

Kemija makromolekularnih polimerov je študija molekularnih verig, sestavljenih iz monomernih podenot. To zajema ogromno področje raziskav. Številni polimeri so pomembnega industrijskega in komercialnega pomena. V Ameriki se je poleg odkritja zemeljskega plina začel velik projekt izgradnje obrata za proizvodnjo polietilena. Etan iz zemeljskega plina se pretvoriv etilen, monomer, iz katerega je mogoče izdelati polietilen.

Polimer kot makromolekularna spojina je:

• Katera koli iz razreda naravnih ali sintetičnih snovi, sestavljenih iz zelo velikih molekul, imenovanih makromolekule.
• Veliko preprostejših kemičnih enot, imenovanih monomeri.
• Polimeri sestavljajo številne materiale v živih organizmih, vključno z, na primer, beljakovinami, celulozo in nukleinskimi kislinami.
• Poleg tega tvorijo osnovo mineralov, kot so diamant, kremen in feldspar, pa tudi umetnih materialov, kot so beton, steklo, papir, plastika in gume.

Beseda "polimer" označuje nedoločeno število monomernih enot. Kadar je količina monomerov zelo visoka, se spojina včasih imenuje visoki polimer. Ni omejeno na monomere z enako kemično sestavo ali molekulsko maso in strukturo. Nekatere naravne organske spojine z visoko molekulsko maso so sestavljene iz ene vrste monomera.

Vendar je večina naravnih in sintetičnih polimerov sestavljena iz dveh ali več različnih vrst monomerov; takšni polimeri so znani kot kopolimeri.

Naravne snovi: kakšna je njihova vloga v našem življenju?

Organske organske spojine z visoko molekulsko maso igrajo ključno vlogo v življenju ljudi, saj zagotavljajo osnovne strukturne materiale in sodelujejo v vitalnih procesih.

• Na primer, trdni deli vseh rastlin so sestavljeni iz polimerov. Sem spadajo celuloza, lignin in različne smole.
• Pulpa jepolisaharid, polimer, sestavljen iz molekul sladkorja.
• Lignin je sestavljen iz kompleksne tridimenzionalne mreže polimerov.
• Drevesne smole so polimeri enostavnega ogljikovodika, izoprena.
• Drug znani izoprenski polimer je guma.

Drugi pomembni naravni polimeri vključujejo beljakovine, ki so polimeri aminokislin, in nukleinske kisline. So vrste nukleotidov. To so kompleksne molekule, sestavljene iz baz, sladkorjev in fosforne kisline, ki vsebujejo dušik.

Nukleinske kisline nosijo genetske informacije v celici. Škrob, pomemben vir prehranske energije iz rastlin, so naravni polimeri, sestavljeni iz glukoze.

Kemija makromolekularnih spojin sprošča anorganske polimere. Najdemo jih tudi v naravi, vključno z diamanti in grafitom. Oba sta izdelana iz karbona. Vredno vedeti:

• V diamantu so ogljikovi atomi povezani v tridimenzionalno mrežo, ki daje materialu njegovo trdoto.
• V grafitu, ki se uporablja kot mazivo in v svinčnikih, se ogljikovi atomi vežejo v ravninah, ki lahko drsijo drug čez drugega.

Številni pomembni polimeri vsebujejo atome kisika ali dušika ter atome ogljika v hrbtenici. Takšni makromolekularni materiali z atomi kisika vključujejo poliacetale.

Najenostavnejši poliacetal je poliformaldehid. Ima visoko tališče, je kristalinčen, odporen na obrabo indelovanje topil. Acetalne smole so bolj podobne kovinam kot katera koli druga plastika in se uporabljajo pri izdelavi strojnih delov, kot so zobniki in ležaji.

Umetno pridobljene snovi

Sintetične makromolekularne spojine nastajajo v različnih vrstah reakcij:

1. Veliko preprostih ogljikovodikov, kot sta etilen in propilen, je mogoče pretvoriti v polimere z dodajanjem enega za drugim monomera v rastočo verigo.
2. Polietilen, sestavljen iz ponavljajočih se monomerov etilena, je aditivni polimer. Ima lahko do 10.000 monomerov, povezanih v dolge spiralne verige. Polietilen je kristalinčen, prosojen in termoplastičen, kar pomeni, da se pri segrevanju zmehča. Uporablja se za premaze, embalaže, oblikovane dele ter steklenice in posode.
3. Polipropilen je prav tako kristalinčen in termoplastičen, vendar trši od polietilena. Njegove molekule so lahko sestavljene iz 50.000-200.000 monomerov.

Ta spojina se uporablja v tekstilni industriji in za oblikovanje.

Drugi aditivni polimeri vključujejo:

• polibutadien;
• poliizopren;
• polikloropren.

Vsi so pomembni pri proizvodnji sintetičnih kavčukov. Nekateri polimeri, kot je polistiren, so pri sobni temperaturi stekleni in prozorni ter so tudi termoplastični:

1. Polistiren je lahko obarvan v kateri koli barvi in se uporablja pri izdelavi igrač in druge plastikepredmeti.
2. Ko se en atom vodika v etilenu nadomesti z atomom klora, nastane vinilklorid.
3. Polimerizira se v polivinilklorid (PVC), brezbarven, trd, trd, termoplastični material, ki ga je mogoče izdelati v številnih oblikah, vključno s penami, filmi in vlakni.
4. Vinil acetat, ki nastane z reakcijo med etilenom in ocetno kislino, polimerizira v amorfne, mehke smole, ki se uporabljajo kot premazi in lepila.
5. Kopolimerizira z vinilkloridom, da tvori veliko družino termoplastičnih materialov.

Linearni polimer, za katerega je značilno ponavljanje estrskih skupin vzdolž glavne verige, se imenuje poliester. Poliestri z odprto verigo so brezbarvni, kristalni, termoplastični materiali. Pri proizvodnji filmov se uporabljajo tiste sintetične makromolekularne spojine, ki imajo visoko molekulsko maso (od 10.000 do 15.000 molekul).

redki sintetični poliamidi

Poliamidi vključujejo naravno prisotne kazeinske beljakovine, ki jih najdemo v mleku, in zein, ki jih najdemo v koruzi, ki se uporabljajo za izdelavo plastike, vlaken, lepil in premazov. Omembe vredno:

• Sintetični poliamidi vključujejo urea-formaldehidne smole, ki so termoreaktivne. Uporabljajo se za izdelavo oblikovanih predmetov ter kot lepila in premaze za tekstil in papir.
• Pomembne so tudi poliamidne smole, znane kot najlon. sovzdržljiv, odporen na toploto in odrgnino, nestrupen. Lahko so obarvani. Njegova najbolj znana uporaba je kot tekstilna vlakna, vendar imajo veliko drugih uporab.

Druga pomembna družina sintetičnih kemičnih spojin z visoko molekulsko maso je sestavljena iz linearnih ponovitev uretanske skupine. Poliuretani se uporabljajo pri izdelavi elastomernih vlaken, znanih kot spandex, in pri izdelavi osnovnih premazov.

Drug razred polimerov so mešane organsko-anorganske spojine:

1. Najpomembnejši predstavniki te družine polimerov so silikoni. Spojine z visoko molekulsko maso vsebujejo izmenične atome silicija in kisika z organskimi skupinami, vezanimi na vsakega od atomov silicija.
2. Silikoni z nizko molekulsko maso so olja in masti.
3. Vrste z večjo molekulsko maso so vsestranski elastični materiali, ki ostanejo mehki tudi pri zelo nizkih temperaturah. So tudi relativno stabilni pri visokih temperaturah.

Polimer je lahko tridimenzionalen, dvodimenzionalen in enojni. Ponavljajoče se enote pogosto sestavljajo ogljik in vodik, včasih pa kisik, dušik, žveplo, klor, fluor, fosfor in silicij. Za ustvarjanje verige je veliko enot kemično povezanih ali polimeriziranih skupaj, s čimer se spremenijo značilnosti spojin z visoko molekulsko maso.

Katere lastnosti imajo makromolekularne snovi?

Večina proizvedenih polimerov je termoplastičnih. Popolimer se oblikuje, ga je mogoče segreti in ponovno reformirati. Ta lastnost omogoča enostavno rokovanje. Druge skupine termosetov ni mogoče ponovno stopiti: ko so polimeri oblikovani, se bo ponovno segrevanje razgradilo, ne pa se stopilo.

Karakteristike makromolekularnih spojin polimerov na primeru paketov:

1. Lahko je zelo odporen na kemikalije. Upoštevajte vse čistilne tekočine v vašem domu, ki so pakirane v plastiko. Opisane so vse posledice stika z očmi, vendar s kožo. To je nevarna kategorija polimerov, ki vse raztopi.
2. Medtem ko se nekatere plastike zlahka deformirajo s topili, so druge plastike nameščene v nezlomljive embalaže za agresivna topila. Niso nevarni, lahko pa škodujejo le ljudem.
3. Raztopine makromolekularnih spojin so najpogosteje dobavljene v preprostih plastičnih vrečkah, da se zmanjša odstotek njihove interakcije s snovmi v posodi.

Na splošno so polimeri zelo lahki s pomembno stopnjo trdnosti. Razmislite o različnih načinih uporabe, od igrač do okvirne strukture vesoljskih postaj ali od tankih najlonskih vlaken v nogavicah do kevlarja, ki se uporablja v neprebojnih jopičih. Nekateri polimeri plavajo v vodi, drugi se potopijo. V primerjavi z gostoto kamna, betona, jekla, bakra ali aluminija so vse plastike lahki materiali.

Lastnosti makromolekularnih spojin so različne:

1. Polimeri lahko služijo kot toplotni in električni izolatorji: aparati, kabli, električne vtičnice in ožičenje, ki je izdelano ali prevlečeno s polimernimi materiali.
2. Kuhinjski aparati, odporni na vročino z ročaji za lonce in posode iz smole, ročaji za kavne posode, penasto peno za hladilnik in zamrzovalnik, izolirane skodelice, hladilnike in pripomočke za uporabo v mikrovalovni pečici.
3. Termo perilo, ki ga nosijo številni smučarji, je narejeno iz polipropilena, medtem ko so vlakna v zimskih jaknah iz akrila in poliestra.

Spojine z visoko molekulsko maso so snovi z neomejenim naborom lastnosti in barv. Imajo številne lastnosti, ki jih je mogoče dodatno izboljšati s široko paleto dodatkov za razširitev uporabe. Polimeri lahko služijo kot osnova za imitacijo bombaža, svile in volne, porcelana in marmorja, aluminija in cinka. V živilski industriji se uporabljajo za dajanje gliv užitnih lastnosti. Na primer dragi modri sir. Zahvaljujoč predelavi polimerov ga lahko varno uživate.

Predelava in uporaba polimernih struktur

Polimere je mogoče obdelati na različne načine:

• Ekstruzija omogoča proizvodnjo tankih vlaken ali težkih masivnih cevi, filmov, steklenic za hrano.
• Vbrizgavanje omogoča ustvarjanje kompleksnih delov, kot so veliki deli karoserije avtomobila.
• Plastiko lahko vlijemo v sode ali pomešamo s topili, da postanejo lepilne podlage ali barve.
• Elastomeri in nekatere plastike so raztegljivi in prožni.
• Nekatere plastike se med predelavo razširijo, da ohranijo obliko, na primer steklenice za pitno vodo.
• Druge polimere je mogoče peniti, kot so polistiren, poliuretan in polietilen.

Lastnosti makromolekularnih spojin se razlikujejo glede na mehansko delovanje in način pridobivanja snovi. To omogoča njihovo uporabo v različnih panogah. Glavne makromolekularne spojine imajo širši spekter namena od tistih, ki se razlikujejo po posebnih lastnostih in načinih priprave. Univerzalni in "muhasti" se "znajdejo" v prehrambenem in gradbenem sektorju:

1. Spojine z visoko molekulsko maso so sestavljene iz olja, vendar ne vedno.
2. Veliko polimerov je narejenih iz ponavljajočih se enot, ki so bile prej oblikovane iz zemeljskega plina, premoga ali surove nafte.
3. Nekateri gradbeni materiali so narejeni iz obnovljivih materialov, kot je polimlečna kislina (iz koruze ali celuloze in bombažnega linta).

Zanimivo je tudi, da jih je skoraj nemogoče zamenjati:

• Polimeri se lahko uporabljajo za izdelavo predmetov, ki nimajo drugih materialov.
• Izdelani so v prozorne vodoodporne folije.
• PVC se uporablja za izdelavo medicinskih cevi in vrečk za kri, ki podaljšajo rok uporabnosti izdelka in njegovih derivatov.
• PVC varno dovaja vnetljiv kisik v nevnetljive gibke cevi.
• In protitrombogeni material, kot je heparin, je mogoče vključiti v kategorijo fleksibilnih PVC katetrov.

Številne medicinske naprave se osredotočajo na strukturne značilnosti makromolekularnih spojin, da zagotovijo učinkovito delovanje.

Raztopine makromolekularnih snovi in njihove lastnosti

Ker je velikost dispergirane faze težko izmeriti in so koloidi v obliki raztopin, včasih identificirajo in označujejo fizikalno-kemijske in transportne lastnosti.

koloidna faza	Hard	Čista rešitev	Indikatorji dimenzij
	Če je koloid sestavljen iz trdne faze, dispergirane v tekočini, trdni delci ne bodo difundirali skozi membrano.	Raztopljeni ioni ali molekule bodo difundirali skozi membrano pri polni difuziji.	Zaradi izključitve velikosti koloidni delci ne morejo preiti skozi pore UF membrane, manjše od njihove lastne velikosti.
Koncentracija v sestavi raztopin makromolekularnih spojin	Natančna koncentracija dejanske raztopine bo odvisna od eksperimentalnih pogojev, uporabljenih za ločitev od koloidnih delcev, prav tako razpršenih v tekočini.	Odvisno od reakcije makromolekularnih spojin pri izvajanju študij topnosti za lahko hidrolizirane snovi, kot so Al, Eu, Am, Cm.	Čim manjša je velikost por ultrafiltracijske membrane, nižja je koncentracijarazpršeni koloidni delci, ki ostanejo v ultrafiltrirani tekočini.

Hidrokoloid je opredeljen kot koloidni sistem, v katerem so delci makromolekularnih molekul hidrofilni polimeri, dispergirani v vodi.

odvisnost od vode	odvisnost od vročine	Odvisnost od proizvodne metode
Hidrokoloidi so koloidni delci, razpršeni v vodi. V tem primeru razmerje obeh komponent vpliva na obliko polimera - gel, pepel, tekoče stanje.	Hidrokoloidi so lahko nepovratni (v enem stanju) ali reverzibilni. Na primer, agar, reverzibilni hidrokoloid izvlečka morskih alg, lahko obstaja v gelu in trdnem stanju ali pa se spreminja med stanji z dodajanjem ali odstranjevanjem toplote.	Pridobivanje makromolekularnih spojin, kot so hidrokoloidi, je odvisno od naravnih virov. Na primer, agar-agar in karagenan se ekstrahirata iz morskih alg, želatino pridobivamo s hidrolizo govejih in ribjih beljakovin, pektin pa iz olupkov citrusov in jabolčnih tropin.
Želatinske sladice, narejene iz prahu, imajo v svoji sestavi drugačen hidrokoloid. Obdarjen je z manj tekočine.	Hidrokoloidi se v hrani uporabljajo predvsem za vplivanje na teksturo ali viskoznost (npr. omaka). Vendar je konsistenca že odvisna od načina toplotne obdelave.	Medicinske obloge na osnovi hidrokoloidov se uporabljajo za zdravljenje kože in ran. ATproizvodnja temelji na popolnoma drugačni tehnologiji in uporabljeni so isti polimeri.

Drugi glavni hidrokoloidi so ksantan gumi, gumi arabik, guar gumi, gumi rožičevih zrn, derivati celuloze, kot so karboksimetil celuloza, alginat in škrob.

Interakcija makromolekularnih snovi z drugimi delci

Naslednje sile igrajo pomembno vlogo pri interakciji koloidnih delcev:

• Odboj ne glede na prostornino: to se nanaša na pomanjkanje prekrivanja med trdnimi delci.
• Elektrostatična interakcija: Koloidni delci pogosto nosijo električni naboj in se zato drug drugega privlačijo ali odbijajo. Naboj tako neprekinjene kot razpršene faze, kot tudi mobilnost faz, sta dejavnika, ki vplivata na to interakcijo.
• Van der Waalsove sile: To je posledica interakcije med dvema dipoloma, ki sta bodisi trajna bodisi inducirana. Tudi če delci nimajo stalnega dipola, nihanja elektronske gostote povzročijo začasni dipol v delcu.
• Entropijske sile. Po drugem zakonu termodinamike sistem preide v stanje, v katerem je entropija maksimirana. To lahko vodi do ustvarjanja učinkovitih sil tudi med trdimi kroglami.
• Sterične sile med površinami, prevlečenimi s polimerom, ali v raztopinah, ki vsebujejo neadsorbentni analog, lahko modulirajo sile med delci in ustvarijo dodatno sterično odbojno silo, kije pretežno entropične narave ali vmesna sila izčrpavanja.

Zadnji učinek iščemo s posebno formuliranimi superplastifikatorji, zasnovanimi za povečanje obdelovalnosti betona in zmanjšanje vsebnosti vode.

Polimerni kristali: kje jih najdemo, kako izgledajo?

Visokomolekularne spojine vključujejo celo kristale, ki sodijo v kategorijo koloidnih snovi. To je zelo urejen niz delcev, ki se tvorijo na zelo veliki razdalji (običajno od nekaj milimetrov do enega centimetra) in so podobni svojim atomskim ali molekularnim sorodnikom.

Ime transformiranega koloida	Primer naročila	Proizvodnja
Precious Opal	Eden najboljših naravnih primerov tega pojava je v čisti spektralni barvi kamna	To je rezultat tesno zapakiranih niš krogel iz amorfnega koloidnega silicijevega dioksida (SiO2)

Ti sferični delci so odloženi v rezervoarjih z visoko vsebnostjo silicijevega dioksida. Po letih sedimentacije in stiskanja pod delovanjem hidrostatskih in gravitacijskih sil tvorijo visoko urejene masive. Periodični nizi submikrometrskih sferičnih delcev zagotavljajo podobne nize vmesnih praznin, ki delujejo kot naravna difrakcijska rešetka za vidne svetlobne valove, še posebej, če je medprostorni razmik enakega reda velikosti kot vpadni svetlobni val.

Tako je bilo ugotovljeno, da zaradi odbojneCoulombove interakcije, električno nabite makromolekule v vodnem mediju lahko kažejo kristalno podobne korelacije dolgega dosega z razdaljami med delci, ki so pogosto veliko večje od premera posameznih delcev.

V vseh teh primerih imajo kristali naravne makromolekularne spojine enako briljantno mavrico (ali igro barv), ki jo lahko pripišemo difrakciji in konstruktivni interferenci vidnih svetlobnih valov. Zadovoljujejo Braggov zakon.

Veliko število eksperimentov s preučevanjem tako imenovanih "koloidnih kristalov" je nastalo kot rezultat relativno preprostih metod, razvitih v zadnjih 20 letih za pridobivanje sintetičnih monodisperznih koloidov (tako polimernih kot mineralnih). Preko različnih mehanizmov se uresničuje in ohranja oblikovanje dolgega reda.

Določanje molekulske mase

Molekulska teža je kritična lastnost kemikalije, zlasti za polimere. Glede na material vzorca so izbrane različne metode:

1. Molekulsko maso kot tudi molekularno strukturo molekul je mogoče določiti z masno spektrometrijo. Z uporabo metode neposredne infuzije lahko vzorce injiciramo neposredno v detektor, da potrdimo vrednost znanega materiala ali zagotovimo strukturno karakterizacijo neznanega.
2. Informacijo o molekulski masi polimerov je mogoče določiti z uporabo metode, kot je velikostna izključitvena kromatografija za viskoznost in velikost.
3. ZaDoločanje molekulske mase polimerov zahteva razumevanje topnosti danega polimera.

Skupna masa spojine je enaka vsoti posameznih atomskih mas vsakega atoma v molekuli. Postopek se izvaja po formuli:

1. Določite molekulsko formulo molekule.
2. S periodično tabelo poiščite atomsko maso vsakega elementa v molekuli.
3. Pomnožite atomsko maso vsakega elementa s številom atomov tega elementa v molekuli.
4. Dobljeno število je predstavljeno z indeksom poleg simbola elementa v molekularni formuli.
5. Povežite vse vrednosti skupaj za vsak posamezen atom v molekuli.

Primer preprostega izračuna nizke molekulske mase: Če želite najti molekulsko maso NH_{3, je prvi korak najti atomsko maso dušika (N) in vodika (H). Torej, H=1, 00794N=14, 0067.}

Nato pomnožite atomsko maso vsakega atoma s številom atomov v spojini. Obstaja en atom dušika (za en atom ni podan indeks). Obstajajo trije vodikovi atomi, kot je navedeno v indeksu. Torej:

• Molekulska masa snovi=(1 x 14,0067) + (3 x 1,00794)
• Molekulske mase=14,0067 + 3,02382
• rezultat=17, 0305

Primer izračunavanja kompleksne molekulske mase Ca₃(PO₄)_{2 je bolj zapletena možnost izračuna:}

Iz periodnega sistema atomske mase vsakega elementa:

• Ca=40, 078.
• P=30, 973761.
• O=15,9994.

Težaven del je ugotoviti, koliko vsakega atoma je v spojini. Obstajajo trije atomi kalcija, dva atoma fosforja in osem atomov kisika. Če je združitveni del v oklepajih, pomnožite podpis takoj za znakom elementa s podpisom, ki zapira oklepaje. Torej:

• Molekulska masa snovi=(40,078 x 3) + (30,97361 x 2) + (15,9994 x 8).
• Molekulska teža po izračunu=120, 234 + 61, 94722 + 127, 9952.
• Rezultat=310, 18.

Zapletene oblike elementov se izračunajo po analogiji. Nekatere od njih so sestavljene iz na stotine vrednosti, zato se avtomatizirani stroji zdaj uporabljajo z bazo podatkov vseh vrednosti g/mol.