Полимер
Полимер — высокомолекулярное соединение, вещество с большой молекулярной массой (от нескольких тысяч до нескольких миллионов. [1] ), состоит из большого числа повторяющихся одинаковых или различных по строению атомных группировок — составных звеньев, соединенных между собой химическими или координационными связями в длинные линейные (например, целлюлоза) или разветвленные (например, амилопектин) цепи, а также пространственные трёхмерные структуры.
Часто в его строении можно выделить мономер — повторяющийся структурный фрагмент, включающий несколько атомов. Полимеры состоят из большого числа повторяющихся группировок (звеньев) одинакового строения, называют например поливинилхлорид (—СН2—СНСl—)n, каучук натуральный и др. Высокомолекулярные соединения, молекулы которых содержат несколько типов повторяющихся группировок, называют сополимерами.
Полимер образуется из мономеров в результате реакций полимеризации или поликонденсации. К полимерам относятся многочисленные природные соединения: белки, нуклеиновые кислоты, полисахариды, каучук и другие органические вещества. В большинстве случаев понятие относят к органическим соединениям, однако существует и множество неорганических полимеров. Большое число полимеров получают синтетическим путём на основе простейших соединений элементов природного происхождения путём реакций полимеризации, поликонденсации и химических превращений. Названия полимеров образуются из названия мономера с приставкой поли-: полиэтилен, полипропилен, поливинилацетат.
Благодаря ценным свойствам полимеры применяются в машиностроении, текстильной промышленности, сельском хозяйстве и медицине, автомобиле- и судостроении, в быту (текстильные и кожевенные изделия, посуда, клей и лаки, украшения и другие предметы). На основании высокомолекулярных соединений изготовляют резины, волокна, пластмассы, пленки и лакокрасочные покрытия. Все ткани живых организмов представляют высокомолекулярные соединения.
Содержание
Наука о полимерах
Наука о полимерах стала развиваться как самостоятельная область знания к началу Второй мировой войны и сформировалась как единое целое в 50-х гг. XX столетия, когда была осознана роль полимеров в развитии технического прогресса и жизнедеятельности биологических объектов. Она тесно связана с физикой, физической, коллоидной и органической химией и может рассматриваться как одна из базовых основ современной молекулярной биологии, объектами изучения которой являются биополимеры.
Синтетические полимеры. Искусственные полимерные материалы
Человек давно использует природные полимерные материалы в своей жизни. Это кожа, меха, шерсть, шелк, хлопок и т.п., используемые для изготовления одежды, различные связующие (цемент, известь, глина), образующие при соответствующей обработке трехмерные полимерные тела, широко используемые как строительные материалы. Однако промышленное производство цепных полимеров началось в начале XX в., хотя предпосылки для этого создавались ранее.
Практически сразу же промышленное производство полимеров развивалось в двух направлениях – путем переработки природных органических полимеров в искусственные полимерные материалы и путем получения синтетических полимеров из органических низкомолекулярных соединений.
В первом случае крупнотоннажное производство базируется на целлюлозе. Первый полимерный материал из физически модифицированной целлюлозы – целлулоид – был получен еще в начале XX в. Крупномасштабное производство простых и сложных эфиров целлюлозы было организовано до и после Второй мировой войны и существует до настоящего времени. На их основе производят пленки, волокна, лакокрасочные материалы и загустители. Необходимо отметить, что развитие кино и фотографии оказалось возможным лишь благодаря появлению прозрачной пленки из нитроцеллюлозы.
Производство синтетических полимеров началось в 1906 г., когда Л. Бакеланд запатентовал так называемую бакелитовую смолу – продукт конденсации фенола и формальдегида, превращающийся при нагревании в трехмерный полимер. В течение десятилетий он применялся для изготовления корпусов электротехнических приборов, аккумуляторов, телевизоров, розеток и т.п., а в настоящее время чаще используется как связующее и адгезивное вещество.
Благодаря усилиям Генри Форда, перед Первой мировой войной началось бурное развитие автомобильной промышленности сначала на основе натурального, затем также и синтетического каучука. Производство последнего было освоено накануне Второй мировой войны в Советском Союзе, Англии, Германии и США. В эти же годы было освоено промышленное производство полистирола и поливинилхлорида, являющихся прекрасными электроизолирующими материалами, а также полиметилметакрилата – без органического стекла под названием «плексиглас» было бы невозможно массовое самолетостроение в годы войны.
После войны возобновилось производство полиамидного волокна и тканей (капрон, нейлон), начатое еще до войны. В 50-х гг. XX в. было разработано полиэфирное волокно и освоено производство тканей на его основе под названием лавсан или полиэтилентерефталат. Полипропилен и нитрон – искусственная шерсть из полиакрилонитрила замыкают список синтетических волокон, которые использует современный человек для одежды и производственной деятельности. В первом случае эти волокна очень часто сочетаются с натуральными волокнами из целлюлозы или из белка (хлопок, шерсть, шелк). Эпохальным событием в мире полимеров явилось открытие в середине 50-х годов XX столетия и быстрое промышленное освоение катализаторов Циглера–Натта, что привело к появлению полимерных материалов на основе полиолефинов и, прежде всего, полипропилена и полиэтилена низкого давления (до этого было освоено производство полиэтилена при давлении порядка 1000 атм.), а также стереорегулярных полимеров, способных к кристаллизации. Затем были внедрены в массовое производство полиуретаны – наиболее распространенные герметики, адгезивные и пористые мягкие материалы (поролон), а также полисилоксаны – элементорганические полимеры, обладающие более высокими по сравнению с органическими полимерами термостойкостью и эластичностью.
Список замыкают так называемые уникальные полимеры, синтезированные в 60-70 гг. XX в. К ним относятся ароматические полиамиды, полиимиды, полиэфиры, полиэфир-кетоны и др.; непременным атрибутом этих полимеров является наличие у них ароматических циклов и (или) ароматических конденсированных структур. Для них характерно сочетание выдающихся значений прочности и термостойкости.
Классификация полимеров
По химическому составу все полимеры подразделяются на органические, элементоорганические, неорганические.
Следует отметить, что в технических материалах часто используют сочетания отдельных групп полимеров. Это композиционные материалы (например, стеклопластики).
По форме макромолекул полимеры делят на линейные, разветвленные, ленточные, пространственные, плоские.
По фазовому составу полимеры подразделяются на аморфные и кристаллические.
Аморфные полимеры однофазны и построены из цепных молекул, собранных в пачки. Пачки могут перемещаться относительно других элементов.
Кристаллические полимеры образуются тогда, когда их макромолекулы достаточно гибкие и образуют структуру.
По полярности полимеры подразделяют на полярные и неполярные. Полярность определяется наличием в их составе диполей – молекул с разобщенным распределением положительных и отрицательных зарядов. В неполярных полимерах дипольные моменты связей атомов взаимно компенсируются.
По отношению к нагреву полимеры подразделяют на термопластичные и термореактивные.
Термопластичные полимеры (полиэтилен, полипропилен, полистирол) при нагреве размягчаются, даже плавятся, а при охлаждении затвердевают. Этот процесс обратим.
Термореактивные полимеры на первой стадии образования имеют линейную структуру и при нагреве размягчаются, а затем, по причине протекания химических реакций, затвердевают (образуя пространственную структуру) и в дальнейшем остаются твердыми.
Природные органические полимеры
Природные органические полимеры образуются в растительных и животных организмах. Важнейшими из них являются полисахариды, белки и нуклеиновые кислоты, из которых в значительной степени состоят тела растений и животных и которые обеспечивают само функционирование жизни на Земле. Считается, что решающим этапом в возникновении жизни на Земле явилось образование из простых органических молекул более сложных – высокомолекулярных.
Особенности полимеров
Особые механические свойства:
Особенности растворов полимеров:
Особые химические свойства:
Особые свойства полимеров объясняются не только большой молекулярной массой, но и тем, что макромолекулы имеют цепное строение и обладают уникальным для неживой природы свойством — гибкостью.
Биологические полимеры. Строение белков
Полимеры представляют собой высокомолекулярные органические соединения, состоящие из мономеров, которые соединяются посредством ковалентных связей в длинные цепи. Биологические полимеры входят в состав живых организмов, их них строится основная масса клеток. Цепи мономеров могут быть линейными и разветвленными. Различают регулярные и нерегулярные полимеры.
1. Регулярные полимеры состоят из идентичных мономеров. Если мономер обозначить буквой А, то такой полимер будет выглядеть как последовательность одинаковых букв А-А-А-А-А. А. Сюда относятся полисахариды, например, крахмал, целлюлоза, а также нуклеиновые кислоты. Фактически полисахариды состоят из чаще одинаковых повторяющихся моносахаридов — глюкозы. Также и нуклеиновые кислоты состоят из повторяющихся нуклеотидов с азотистыми основаниями.
2. Нерегулярные полимеры — созданы из разных мономеров, в последовательности которых нет строгой закономерности. Буквенно их можно обозначить как А-Б-В-Б-А-В. Сюда относятся белки, состоящие из 20 очень разных аминокислот.
3. Белки к тому же — линейные полимеры, они напоминают цепочки, как правило, не прямые, а изогнутые, перепутанные и переплетенные. Выглядят белки чаще всего либо как компактные шары — глобулы, либо как фибриллы — вытянутые структуры.
Строение молекулы белка
Молекула белка имеет значительный размер, за что и получила название макромолекулы. Помимо кислорода, углерода, водорода и азота в составе белковой молекулы обнаруживаются железо, фосфор, сера. Как мы уже сказали, все невероятное разнообразие белков обеспечивают всего 20 аминокислот. Но эти кислоты-мономеры складываются, словно кирпичики, в огромные строения. В каждой молекуле может быть как сотня мономеров, так и свыше тысячи!
Всякая аминокислота имеет свое особое название и свойства. Каково строение аминокислоты?
1. Аминогруппа (NH2), имеющая основные свойства.
2. Карбоксильная группа (COOH), имеющая кислотные свойства.
3. Радикал — если первые две части одинаковы у аминокислот, то радикал имеет особое строение и придает кислоте «оригинальность».
Взаимодействие аминокислот и образование пептидной связи
1. Сближение аминогруппы и карбоксильной группы двух аминокиcлот.
2. Выделение молекулы воды.
3. Образование пептидной связи между С и N.
Рассмотрим вопросы, встречающиеся в тестах по биологии:
1. В белковой молекуле амфотерные свойства белкам придают радикалы аминокислот (кислотно-основные группы боковых радикалов аминокислот).
2. Что придает амфотерность именно аминокислотам? Самим аминокислотам амфотерность сообщает наличие в их молекуле амино- и карбоксильной групп. Щелочные свойства аминокислотам придает аминогруппа, кислотные — карбоксильная.
3. Радикалы придают одним аминокислотам гидрофильные, а другим — гидрофобные свойства.
Что такое полимер: структура, основные характеристики и примеры полимеров
Полимер в биологии
Структура биологического полимера
Полимер представляет собой биологические вещества, которые отличаются сложной химической структурой.
Исследованием полимером активно занимался Г. Штаудингер. В ходе многочисленных опытов он доказал, что в составе полимеров есть повторяющиеся молекулярные звенья, которые соединены друг с другом при помощи ковалентных связей.
Отличительная особенность таких связей — в наличии общей электронной пары у двух атомов.
Также ученым было доказано, что для пластмассы характерна структура полимера — это открытие принесло Штаудингеру Нобелевскую премию.
Органические соединения в составе живых организмов характеризуются высокой степенью разнообразия. Природных органических соединений насчитывается несколько тысяч, и многие из них отличаются сложной структурой.
Выделяют 2 группы органических веществ:
Если говорить о молекулярной массе полимеров, то она варьируется от нескольких тысяч до нескольких миллионов. В основе всех полимеров лежит большое количество повторяющихся мономеров.
Есть несколько вариантов полимеров: органические, неорганические, элементарно органические. В свою очередь в группе органических выделяют природные, искусственные и синтетические.
Природные полимеры — продукт естественной среды обитания. В производстве таких полимеров человек участие не принимает.
Примеры биологических полимеров
Самые известные биологические полимеры — крахмал, хлопок, каучук и др.
Чтобы получить какие-либо искусственные полимеры, человек проводит определенные химические опыты.
Для получения модифицированного полимера с последующим его использованием в производстве красок, в раствор стирола в толуоле или ксилоле добавляется льняное или касторовое масла, которые затем нагреваются.
Результат реализации реакций химического синтеза — синтетические полимеры. В синтезе принимают участие разнообразные высокомолекулярные органические продукты.
Лавсан (химический полимер) получается в результате поликонденсирования терефталевой кислоты и этиленгликоля.
Основные характеристики полимеров
Молекула полимера может содержать разное количество мономеров — и это количество сильно варьируется. К примеру, в пептиде глутатиона всего три аминокислоты, хотя его роль в таких процессах как окисление и восстановления огромная. Для сравнения, в молекуле ДНК насчитывается больше трех миллионов нуклеотидов. Эта молекула способна образовывать наследственную информацию не только в отношении эукариотических клеток, но и бактерий.
Большая часть биологических полимеров — теплоизоляторы: они препятствуют процессу передачи тепла. Они достаточно эластичны и легко выдерживают агрессивную химическую среду. А еще биологические полимеры — диэлектрики. То есть, они практически не могут проводить электрический ток и не пропускают его через себя.
Основные характеристики биологических полимеров — гомо- и гетерополимерность. Это значит, что в составе полимера могут быть как одинаковые, так и разные мономеры.
В основе большинства полимеров лежит несколько мономеров: они относятся к одному классу веществ и соединены одинаковой связью. Яркий пример — гиалуроновая кислота.
Полимеры бывают регулярными и нерегулярными. Такое разделение связано с порядком расположения мономеров в полимере.
В состав регулярных полимеров входят повторяющиеся единицы и несколько мономеров. Та же гиалуроновая кислота включает два типа чередующихся остатков: глюкуроновую кислоту и N-ацетилглюкозамин.
Обычно в живых организмах присутствуют гетерополимеры, в которых мономеры не образуют повторяющиеся единицы. Отмечается уникальный характер последовательности мономеров внутри, который обусловлен высокой степенью разнообразия таких полимеров.
Характеристика биологических полимеров учитывает степень разветвленности.
Неразветвленные полимеры — линейные полимеры, образующиеся в результате формирования мономерами, входящими в их состав, двух связей с мономерами по соседству.
Пример таких полимеров — белки, нуклеиновые кислоты, разнообразные полисахариды.
Разветвленные полимеры — гликоген и крахмал. Разветвление отмечается у небольшой группы мономеров. По этой причине у разветвленных полимеров есть различия по частоте ветвления. Различается и длина таких ветвлений. Есть полимеры, основная цепь которых состоит из одного мономера, а боковые цепи — из другого.
В зависимости от состава низкомолекулярных веществ, входящих в состав молекулы полимера, выделяют несколько основных классов полимеров:
Особенности строения полимеров
Разобраться в строении биополимеров помогает молекула белков. Благодаря своему внушительному размеру, ее стали называть макромолекулой. Аминокислотный состав белковых молекул обеспечивает разнообразие: в них входит до 20 аминокислот. Аминокислоты внутри белков включают аминогруппы, отвечающие за основные свойства (NH2). У карбоксильной группы отмечаются кислотные свойства (COOH). В составе аминокислот есть радикал.
В составе аминокислот первые две части идентичные. Нужную степень уникальности им придает радикал.
При взаимодействии аминокислот одна с другой образуется пептидная связь. Она возникает, когда аминогруппы и карбоксильная группа сближаются. В процессе происходит выделение воды. Формирование пептидной связи происходит между С и N.
Подводя итоги и принимая во внимание особенности строения молекулы белка как биополимера, можно утверждать, что:
Полимеры – это вещества с высокой молекулярной составляющей. Одна большая молекула полимера содержит в каждом отдельном варианте:
несколько соединений мономеров, регулярно повторяющихся в одной цепочке.
В зависимости от того, как соединены мономеры в каждой данной макромолекуле, проявляются свойства полимера.
Что такое полимеры
Синтетические полимеры – это производные нефти. Большую часть из них получают за счет двух основных реакций – полимеризации и поликонденсации.
В реакцию полимеризации вступают вещества, которые имеют кратные связи мономеров. В итоге получают один продукт.
В реакцию поликонденсации вступают вещества, которые имеют в цепочке функциональные группы мономеров. При этом на выходе получают высокомолекулярный полимер и низкомолекулярное вещество (вода).
Полимеры являются не только искусственно созданными человеком веществами, но и природным строительным материалом для всего живого.
сложные углеводы – полимеры элементарных сахаров;
белки – полимеры аминокислот;
целлюлоза – полимер, находящийся в древесине;
кератин – является полимером и содержится в волосах, ногтях и перьях птиц;
хитин – полимер, скрепляющий панцири членистоногих;
производные нуклеиновой кислоты – гетерополимеры ДНК.
Открытие полимеров
ХХ век вполне обоснованно можно назвать веком полимеров. Открытие их не было целенаправленным исследованием. Первоначально они были побочным продуктом в ходе различных экспериментов и химических реакций.
Во время Второй мировой войны для потребностей американской армии велись разработки синтетического каучука для производства резины. В ходе неудачных экспериментов так же был открыт новый полимер в виде мастики с повышенной упругостью. Это было время создания оргалитового стекла и смол на основе фенолформальдегида. В химии появилась отдельная отрасль – полимеры.
Классификация полимеров
Полимеры имеют несколько классификаций.
В первую очередь их подразделяют по происхождению:
природные – каучук, белки, картофельный и кукурузный крахмал, древесная целлюлоза;
синтетические – капрон, полиуретаны.
Далее по молекулярной массе. Она указывает, насколько однородна молекула в ее химическом составе. От количества повторений одного структурного звена мономеров их построения зависит процент ее реакции и полимеризации. Поэтому в классификации большую роль играют дополнительные свойства.
Разветвленность молекулы
В зависимости от структуры полимеры обладают разными свойствами.
Их формулы отображают разные виды и строение молекул:
линейные – макромолекула состоит из одной цепочки мономеров;
разветвленные – в линейной цепочке присутствуют ответвления;
сетчатые – разветвленные макромолекулы имеют между собой связующие звенья.
Внутреннее строение мономеров
гомополимеры – цепочка однотипных звеньев мономера;
сополимеры – соединенные в одну цепочку звенья различного строения и улучшающее при этом свойства продукта.
Реакция на термическую обработку
Существует два вида:
Термопластичные – после нагревания возвращаются в исходную форму. Могут многократно подлежать переработке.
Термореактивные – под воздействием высоких температур разрушаются.
В результате различных процессов переработки полученные полимеры делят на 4 основные группы:
пластмассы – полипропилен, полистирол, поливинилхлорид, полиуретан;
волокна – ацетатный шелк, вискоза;
эластомеры – каучук, резина (вулканизированный каучук);
Свойства полимеров
В зависимости от того, имеют ли полимеры органический состав или являются производными неорганических соединений, проявляются их основные свойства:
имеют высокую прочность при механическом воздействии;
нет точно определенной температуры плавления;
основная часть не растворима в воде;
сохраняют способность к вязким течениям;
не меняют своих качеств после нагревания и охлаждения;
пластичны, легко формуются;
Они могут быть мягкими, твердыми, гибкими, жесткими или прочными.
Применение полимеров
Без данных соединений не может развиваться и существовать современная цивилизация. Изделия, в основе которых лежит сырье с различным соединениями мономеров, необходимы как в повседневной жизни, так и для работы высокотехничных производств.
Предлагаемая таблица только в малой степени отображает примеры их применения.
Название полимерных соединений
Упаковочные материалы, изоляция электропроводов, детали машин, емкости для хранения кислот и щелочей, защита от коррозии нефтепроводов.
Игрушки, детали бытовой техники, внутренняя облицовка салонов машин и самолетов, фурнитура, корпуса для электроники, посуда.
Детали машин, оборудование для химической промышленности, искусственная кожа, рамы для окон ПВХ.
Органическое стекло, детали осветительных приборов, облицовка самолетов и машин.
Особо точные детали машин и электроники, замена металлических конструкций, стройматериалы.
Лампы, мачты, удочки, средства защиты, корпуса летательных аппаратов и машин.
Будущее высокомолекулярных соединений
В ходе молекулярной эволюции сама природа создала новые вещества в виде различных молекулярных соединений. Двигаясь по этому пути, ученые не только разрабатывают новые соединения, но и стремятся разрешать проблемы по безопасной утилизации продукции, которая используется не только в быту.
Опираясь за законы биологии, ученые активно работают над созданием умных высокомолекулярных соединений, получение которых сможет изменять их структуру и свойства в зависимости от окружающей среды. Ведутся разработки:
биоразлагаемых пленок, в состав которых входит природный полимер – кукурузный крахмал;
упаковки, которая будет менять цвет в зависимости от срока годности товара, и разлагаться без вреда для экологии;
ведется разработка эко-почвы с гидрогелем для засушливых зон природного земледелия;
создаются полимерные жидкости, которые будут менять свои свойства в зависимость от среды, в которой находятся (для экономии воды в нефтедобывающей отрасли);
фармацевтической полимерной упаковки для доставки лекарственных средств непосредственно к больному органу внутри организма человека;
С помощью гидрогелей создаются лекарства пролонгированного (длительного) действия, которые реагируют на изменения состава крови при сахарном диабете.
Человечество уже не может развиваться без полимерной продукции. Сейчас стоит вопрос о ее безопасности для экологии и переходе на новый уровень взаимодействия.
