Полимеры: общий обзор класса

Полимеры высокомолекулярные соединения, вещества с большоймолекулярной массой от нескольких тысяч до нескольких миллионов , в которыхатомы, соединенные химическими связями, образуют линейные или разветвленныецепи, Школа 41 Тема Полимеры Выполнила Гилева Мария класс 11 В 2000 2001учебный годПолимеры - высокомолекулярныесоединения, вещества с большой молекулярной массой от нескольких тысяч донескольких миллионов , молекулы которых макромолекулы состоят из большогочисла повторяющихся группировок мономерных звеньев . К полимерам относятсямногочисленные природные соединения белки, нуклеиновые кислоты, целлюлоза,крахмал, каучук и другие органические вещества.Историческаясправка.Термин полимерия был введен в науку И.Берцелиусомв 1833 г. для обозначения особого вида изомерии, при которой вещества полимеры ,имеющие одинаковый состав, обладают различной молекулярной массой, напримерэтилен и бутилен, кислород и озон. Такое содержание термина не соответствуетсовременным представлениям о полимерах.

Истинные полимеры к тому времени ещене были известны.Химия полимеров возникла в связи с созданиемА.М.Бутлеровым теории химического строения.

А.М.Бутлеров изучал связь междустроением и относительной устойчивостью молекул, проявляющейся в реакциях полимеризации.Дальнейшее свое развитие наука о полимерах получила главным образом благодаряинтенсивным поискам способов синтеза каучука.С начала 20-х годов 20 векаразвиваются также теоретические представления о строении полимеров.

Вначалепредполагалось, что такие биополимеры, как целлюлоза, крахмал, каучук, белки, атакже некоторые синтетические полимеры, сходные с ними по свойствам например,полиизопрен , состоят из малых молекул, обладающих необычной способностьюассоциировать в растворе в комплексы коллоидной природы благодаря нековалентнымсвязям теория малых блоков . Автором принципиально нового представления ополимерах как о веществах, состоящих из макромолекул, частиц необычайно большоймолекулярной массы, был Г.Штаудингер.

Классификация.По происхождению полимеры делятся на природные биополимеры , и синтетические. Природные образуются в результатежизнедеятельности растений и животных и содержатся в древесине, шерсти, коже.Это целлюлоза, крахмал, белки, нуклеиновые кислоты, природные смолы. Синтетические полимеры это полимеры, искусственно созданные человеком,например, полиэтилен и полипропилен.Атомы илиатомные группы могут располагаться в макромолекуле в виде открытой цепи линейныеполимеры, например натуральный каучук цепи с разветвлением разветвленныеполимеры, например амилопектин , и сложные пространственные структуры.

Полимеры, молекулы которыхсостоят из одинаковых мономерных звеньев, называются гомополимерами например, целлюлоза . Линейные и разветвленные цепи можно превратить втрехмерные действием химических агентов, света, и радиации, а также путем вулканизации.Макромолекулы одного и того же химического составамогут быть построены из звеньев различной пространственной конфигурации.

Еслимакромолекулы состоят из одинаковых стереоизомеров или из различныхстереоизомеров, периодически чередующихся, то такие полимеры называются стереорегулярными.Полимеры, макромолекулыкоторых содержат несколько типов мономерных звеньев, называются сополимерами. Сополимеры, в которых звенья каждого типа образуют достаточно длинныенепрерывные последовательности, сменяющие друг друга в пределах макромолекулы,называются блоксополимерами.К внутренним неконцевым звеньяммакромолекулы одного химического строения могут быть присоединены одна илинесколько цепей другого строения.

Такие сополимеры называются привитыми.Полимеры, в которых каждый или некоторые стереоизомерызвена образуют достаточно длинные непрерывные повторяющиеся последовательности,называются стереоблоксополимерами.В зависимости от состава главной цепи полимеры делятна гомоцепные, основные цепи которых построены из одинаковых атомов и гетероцепные, в основной цепи которых содержатся атомыразличных элементов.

Из гомоцепных полимеров наиболее распространены карбоцепныеполимеры, главные цепи которых состоят только из атомов углерода, напримерполиэтилен. Примеры гетероцепных полимеров полиэфиры, полиамиды, белки, некоторые кремнийорганические полимеры.Внутриэтих групп полимеры подразделяются на классы в соответствии с принятыми вхимической науке принципами.Так, если в основную или боковые цепи входят металлы,сера, фосфор, кремний и др полимеры относятся к элементоорганическим соединениям.Отдельную группу полимеров образуют неорганическиеполимеры, например пластическая сера, полифосфонитрилхлорид.

Полимерные материалы также делятся на три группы пластическиемассы, каучуки и химические волокна. Физическиеи химические свойства. Характерные реакции.Линейные полимеры обладают специфическими физико- механическимии химическими свойствами. Важнейшие из этих свойств способность образовыватьвысокопрочные волокна и пленки, упругость, высокая вязкость растворов.Эти свойстваобусловлены высокой молекулярной массой, цепным строением, а также гибкостьюмакромолекул.

При переходе от линейных цепей к разветвленным и сетчатымструктурам эти свойства ослабевают. Линейные ВМС могут иметь как кристаллическую, так иаморфную стеклообразную структуру. Необходимое условие кристаллизации - регулярность достаточно длинных участковмакромолекулы.В кристаллических полимерах возможно возникновение разнообразныхнадмолекулярных структур Надмолекулярные структуры в аморфных полимерах менеевыражены, чем в кристаллических.Разветвленные и трехмерные полимеры, как правило,являются аморфными. Они могут находиться в трех физических состояниях стеклообразном,высокоэластичном и вязко-текучем.

Полимеры с низкой температурой перехода изстеклообразного в эластичное состояние называются эластомерами, свысокой - пластиками. При нагревании аморфные полимеры переходят в эластическоесостояние подобно каучуку, резине, и другим эластомерам.При действии высокихтемператур, окислителей, кислот и щелочей, полимеры разлагаются, образуя газообразные,жидкие, и твердые соединения.

Полимеры могут вступать в следующие основные типыреакций образование химических связей между макромолекулами так называемоесшивание , например при вулканизации каучуков, дублении кожи распад макромолекулна отдельные фрагменты, реакции боковых функциональных групп полимеров снизкомолекулярными веществами, не затрагивающие основную цепь так называемыеполимераналогичные превращения внутримолекулярные реакции, протекающие междуфункциональными группами одной макромолекулы.

Скорость реакции макромолекул снизкомолекулярными веществами часто зависит от природы и расположения соседнихзвеньев относительно реагирующего звена. Это же относится и к внутримолекулярнымреакциям.Некоторые свойства полимеров, например растворимость,способность к вязкому течению, стабильность, очень чувствительны к действиюнебольших количеств примесей или добавок, реагирующих с макромолекулами.Так,чтобы превратить линейный полимер из растворимого в полностью нерастворимый,достаточно образовать на одну макромолекулу 1-2поперечные связи.

В зависимости от строения макромолекул свойстваполимеров могут меняться в очень широких пределах. Получение.Природные полимеры образуются в процессе биосинтезав клетках живых организмов. Они могут быть выделены из растительного иживотного сырья.Большое число полимеров получают синтетическим путем на основепростейших соединений природного происхождения путем реакций полимеризации,поликонденсации, и химических превращений. Карбоцепные полимеры обычно синтезируютполимеризацией мономеров, содержащих кратные углеродные связи или мономеров,содержащих неустойчивые карбоциклические группировки например, из циклопропанаи его производных , Гетероцепные полимеры получают полимеризацией и поликонденсациеймономеров, содержащих кратные связи углерода с другим элементом например, С О, С N,N С О или непрочные гетероциклические группировки.Схема реакций полимеризации и поликонденсацииприведена на рис.1 Рис.1 Реакции образования полимеров а полимеризация, б - поликонденсация.