Jedinjenja visoke molekularne težine su polimeri koji imaju veliku molekulsku težinu. Mogu biti organska i neorganska jedinjenja. Razlikovati amorfne i kristalne supstance koje se sastoje od monomernih prstenova. Potonje su makromolekule povezane hemijskim i koordinacionim vezama. Jednostavno rečeno, visokomolekularni spoj je polimer, odnosno monomerne tvari koje ne mijenjaju svoju masu kada se na njih veže ista "teška" supstanca. Inače ćemo pričati o oligomeru.
Šta proučava nauka o makromolekularnim jedinjenjima?
Hemija makromolekularnih polimera je proučavanje molekularnih lanaca koji se sastoje od monomernih podjedinica. Ovo pokriva ogromno područje istraživanja. Mnogi polimeri su od značajnog industrijskog i komercijalnog značaja. U Americi je, uz otkriće prirodnog plina, pokrenut veliki projekt izgradnje pogona za proizvodnju polietilena. Etan iz prirodnog gasa se pretvarau etilen, monomer od kojeg se može napraviti polietilen.
Polimer kao makromolekularno jedinjenje je:
- Bilo koja iz klase prirodnih ili sintetičkih supstanci sastavljenih od vrlo velikih molekula zvanih makromolekule.
- Mnoge jednostavnije hemijske jedinice zvane monomeri.
- Polimeri čine mnoge materijale u živim organizmima, uključujući, na primjer, proteine, celulozu i nukleinske kiseline.
- Osim toga, oni čine osnovu minerala kao što su dijamant, kvarc i feldspat, kao i umjetnih materijala kao što su beton, staklo, papir, plastika i guma.
Riječ "polimer" označava neodređeni broj monomernih jedinica. Kada je količina monomera vrlo visoka, spoj se ponekad naziva visokim polimerom. Nije ograničeno na monomere sa istim hemijskim sastavom ili molekulskom težinom i strukturom. Neka prirodna organska jedinjenja visoke molekularne težine sastavljena su od jednog tipa monomera.
Međutim, većina prirodnih i sintetičkih polimera nastaje od dva ili više različitih tipova monomera; takvi polimeri su poznati kao kopolimeri.
Prirodne supstance: koja je njihova uloga u našim životima?
Organska organska jedinjenja visoke molekularne težine igraju ključnu ulogu u životima ljudi, obezbeđujući osnovne strukturne materijale i učestvujući u vitalnim procesima.
- Na primjer, čvrsti dijelovi svih biljaka se sastoje od polimera. To uključuje celulozu, lignin i razne smole.
- Pulp ispolisaharid, polimer sastavljen od molekula šećera.
- Lignin se formira iz složene trodimenzionalne mreže polimera.
- Smole drveća su polimeri jednostavnog ugljovodonika, izoprena.
- Još jedan poznati polimer izoprena je guma.
Drugi važni prirodni polimeri uključuju proteine, koji su polimeri aminokiselina i nukleinskih kiselina. Oni su tipovi nukleotida. To su složeni molekuli sastavljeni od baza koje sadrže dušik, šećera i fosforne kiseline.
Nukleinske kiseline nose genetske informacije u ćeliji. Škrob, važan izvor prehrambene energije iz biljaka, prirodni su polimeri sačinjeni od glukoze.
Hemija makromolekularnih jedinjenja oslobađa neorganske polimere. Ima ih i u prirodi, uključujući dijamant i grafit. Oba su napravljena od karbona. Vrijedi znati:
- U dijamantu, atomi ugljika su povezani u trodimenzionalnu mrežu koja materijalu daje njegovu tvrdoću.
- U grafitu, koji se koristi kao lubrikant iu olovkama, atomi ugljika se vežu u ravninama koje mogu kliziti jedna preko druge.
Mnogi važni polimeri sadrže atome kiseonika ili azota, kao i atome ugljenika u kičmi. Takvi makromolekularni materijali s atomima kisika uključuju poliacetale.
Najjednostavniji poliacetal je poliformaldehid. Ima visoku tačku topljenja, kristalan je, otporan na habanje idjelovanje rastvarača. Acetalne smole su sličnije metalu od bilo koje druge plastike i koriste se u proizvodnji mašinskih delova kao što su zupčanici i ležajevi.
Supstance dobivene umjetno
Sintetička makromolekularna jedinjenja nastaju u različitim vrstama reakcija:
- Mnogi jednostavni ugljovodonici kao što su etilen i propilen mogu se pretvoriti u polimere dodavanjem jednog za drugim monomera u rastući lanac.
- Polietilen, sastavljen od ponavljajućih monomera etilena, je aditivni polimer. Može imati do 10.000 monomera povezanih u duge spiralne lance. Polietilen je kristalan, proziran i termoplastičan, što znači da omekšava kada se zagrije. Koristi se za premaze, pakovanje, oblikovane dijelove, te boce i kontejnere.
- Polipropilen je također kristalan i termoplastičan, ali tvrđi od polietilena. Njegovi molekuli se mogu sastojati od 50.000-200.000 monomera.
Ova smjesa se koristi u tekstilnoj industriji i za oblikovanje.
Ostali aditivni polimeri uključuju:
- polibutadien;
- poliizopren;
- polikloropren.
Sve su važne u proizvodnji sintetičke gume. Neki polimeri, kao što je polistiren, su staklasti i providni na sobnoj temperaturi, a takođe su i termoplastični:
- Polistiren se može bojati bilo kojom bojom i koristi se u proizvodnji igračaka i druge plastikestavke.
- Kada se jedan atom vodonika u etilenu zamijeni atomom hlora, nastaje vinil hlorid.
- Polimerizuje se u polivinil hlorid (PVC), bezbojan, tvrd, čvrst, termoplastični materijal koji se može napraviti u više oblika, uključujući pjene, filmove i vlakna.
- Vinil acetat, proizveden reakcijom između etilena i octene kiseline, polimerizira se u amorfne, meke smole koje se koriste kao premazi i ljepila.
- Kopolimerizuje sa vinil hloridom da formira veliku porodicu termoplastičnih materijala.
Linearni polimer karakteriziran ponavljanjem estarskih grupa duž glavnog lanca naziva se poliester. Poliesteri otvorenog lanca su bezbojni, kristalni, termoplastični materijali. U proizvodnji filmova koriste se ona sintetička makromolekularna jedinjenja koja imaju visoku molekulsku težinu (od 10.000 do 15.000 molekula).
Rijetki sintetički poliamidi
Poliamidi uključuju prirodne proteine kazeina koji se nalaze u mlijeku i zein koji se nalazi u kukuruzu, a koji se koriste za proizvodnju plastike, vlakana, ljepila i premaza. Vrijedi napomenuti:
- Sintetički poliamidi uključuju urea-formaldehidne smole, koje su termoreaktivne. Koriste se za izradu lijevanih predmeta i kao ljepila i premazi za tekstil i papir.
- Takođe su važne poliamidne smole poznate kao najlon. Oni suizdržljiv, otporan na toplinu i habanje, netoksičan. Mogu se farbati. Njegova najpoznatija upotreba je kao tekstilna vlakna, ali imaju i mnoge druge namjene.
Još jedna važna porodica sintetičkih hemijskih jedinjenja visoke molekularne težine sastoji se od linearnih ponavljanja uretanske grupe. Poliuretani se koriste u proizvodnji elastomernih vlakana poznatih kao spandex i u proizvodnji osnovnih premaza.
Druga klasa polimera su miješana organsko-anorganska jedinjenja:
- Najvažniji predstavnici ove porodice polimera su silikoni. Jedinjenja visoke molekularne težine sadrže naizmjenične atome silicija i kisika s organskim grupama vezanim za svaki od atoma silicija.
- Silikoni male molekularne težine su ulja i masti.
- Vrste veće molekularne težine su raznovrsni elastični materijali koji ostaju mekani čak i na vrlo niskim temperaturama. Takođe su relativno stabilni na visokim temperaturama.
Polimer može biti trodimenzionalni, dvodimenzionalni i pojedinačni. Ponavljajuće jedinice se često sastoje od ugljika i vodonika, a ponekad i kisika, dušika, sumpora, hlora, fluora, fosfora i silicijuma. Da bi se stvorio lanac, mnoge jedinice su hemijski povezane ili polimerizovane zajedno, menjajući tako karakteristike jedinjenja visoke molekularne težine.
Koje karakteristike imaju makromolekularne supstance?
Većina proizvedenih polimera je termoplastična. Poslijepolimer se formira, može se ponovo zagrijati i reformisati. Ovo svojstvo olakšava rukovanje. Druga grupa termosetova se ne može pretopiti: kada se polimeri formiraju, ponovno zagrevanje će se razgraditi, ali se neće rastopiti.
Karakteristike makromolekularnih jedinjenja polimera na primjeru pakovanja:
- Može biti veoma otporan na hemikalije. Uzmite u obzir sve tekućine za čišćenje u vašem domu koje su pakirane u plastiku. Opisane su sve posljedice kontakta s očima, ali kožom. Ovo je opasna kategorija polimera koja sve rastvara.
- Dok se neke plastike lako deformišu rastvaračima, druge plastike se stavljaju u nelomljiva pakovanja za agresivne rastvarače. Nisu opasni, ali mogu samo naštetiti ljudima.
- Otopine makromolekularnih jedinjenja se najčešće isporučuju u jednostavnim plastičnim vrećicama kako bi se smanjio postotak njihove interakcije sa supstancama unutar kontejnera.
Kao opšte pravilo, polimeri su vrlo male težine sa značajnim stepenom čvrstoće. Razmotrite niz namjena, od igračaka do strukture okvira svemirskih stanica, ili od tankih najlonskih vlakana u tajicama do kevlara koji se koristi u pancirima. Neki polimeri plutaju u vodi, drugi tonu. U poređenju sa gustinom kamena, betona, čelika, bakra ili aluminijuma, sve plastike su lagani materijali.
Svojstva makromolekularnih jedinjenja su različita:
- Polimeri mogu poslužiti kao toplotni i električni izolatori: aparati, kablovi, električne utičnice i žice koje su napravljene ili presvučene polimernim materijalima.
- Kuhinjski aparati otporni na toplinu sa ručkama za lonce i tiganje od smole, ručkama za lonce za kafu, pjenom za frižider i zamrzivač, izolovane šolje, hladnjake i posuđe za mikrovalnu pećnicu.
- Termino donje rublje koje nose mnogi skijaši napravljeno je od polipropilena, dok su vlakna u zimskim jaknama od akrila i poliestera.
Jedinjenja visoke molekularne težine su supstance sa neograničenim rasponom karakteristika i boja. Imaju mnoga svojstva koja se mogu dodatno poboljšati širokim spektrom aditiva za proširenje primjene. Polimeri mogu poslužiti kao osnova za imitaciju pamuka, svile i vune, porculana i mramora, aluminija i cinka. U prehrambenoj industriji se koriste da gljivama daju jestiva svojstva. Na primjer, skupi plavi sir. Može se bezbedno jesti zahvaljujući preradi polimera.
Obrada i primjena polimernih struktura
Polimeri se mogu obraditi na različite načine:
- Ektruzija omogućava proizvodnju tankih vlakana ili teških masivnih cijevi, filmova, boca za hranu.
- Injektiranje omogućava stvaranje složenih dijelova, kao što su veliki dijelovi karoserije automobila.
- Plastika se može lijevati u bačve ili pomiješati sa rastvaračima kako bi postala ljepljive baze ili boje.
- Elastomeri i neke plastike su rastezljive i fleksibilne.
- Neke plastike se šire tokom obrade kako bi zadržale svoj oblik, kao što su boce za vodu za piće.
- Drugi polimeri se mogu pjeniti, kao što su polistiren, poliuretan i polietilen.
Svojstva makromolekularnih jedinjenja variraju u zavisnosti od mehaničkog delovanja i načina dobijanja supstance. To omogućava njihovu primjenu u različitim industrijama. Glavna makromolekularna jedinjenja imaju širi spektar namena od onih koji se razlikuju po posebnim svojstvima i metodama pripreme. Univerzalni i "kapricni" "nađu se" u prehrambenom i građevinskom sektoru:
- Jedinjenja visoke molekularne težine sastoje se od ulja, ali ne uvijek.
- Mnogi polimeri su napravljeni od ponavljajućih jedinica prethodno formiranih od prirodnog gasa, uglja ili sirove nafte.
- Neki građevinski materijali su napravljeni od obnovljivih materijala kao što je polimlečna kiselina (od kukuruza ili celuloze i pamuka).
Zanimljivo je da ih je gotovo nemoguće zamijeniti:
- Polimeri se mogu koristiti za izradu predmeta koji nemaju druge materijalne alternative.
- Prave se u prozirne vodootporne folije.
- PVC se koristi za izradu medicinskih cijevi i vrećica za krv koje produžavaju vijek trajanja proizvoda i njegovih derivata.
- PVC bezbedno isporučuje zapaljivi kiseonik u nezapaljive fleksibilne cevi.
- A antitrombogeni materijal kao što je heparin može biti uključen u kategoriju fleksibilnih PVC katetera.
Mnogi medicinski uređaji fokusiraju se na strukturne karakteristike makromolekularnih jedinjenja kako bi se osiguralo efikasno funkcionisanje.
Otopine makromolekularnih supstanci i njihova svojstva
Budući da je veličinu dispergirane faze teško izmjeriti i koloidi su u obliku otopina, oni ponekad identifikuju i karakteriziraju fizičko-hemijska i transportna svojstva.
| Koloidna faza | Hard | Čisto rješenje | Dimenzionalni indikatori |
| Ako se koloid sastoji od čvrste faze raspršene u tekućini, čvrste čestice neće difundirati kroz membranu. | Otopljeni joni ili molekuli će difundirati kroz membranu pri punoj difuziji. | Zbog isključenja veličine, koloidne čestice ne mogu proći kroz pore UF membrane manje od njihove veličine. | |
| Koncentracija u sastavu rastvora makromolekularnih jedinjenja | Tačna koncentracija stvarne otopljene tvari ovisit će o eksperimentalnim uvjetima korištenim da se odvoji od koloidnih čestica također raspršenih u tekućini. | Ovisi o reakciji makromolekularnih jedinjenja prilikom provođenja studija rastvorljivosti za lako hidrolizirane supstance kao što su Al, Eu, Am, Cm. | Što je manja veličina pora ultrafiltracione membrane, to je niža koncentracijadispergovane koloidne čestice preostale u ultrafiltriranoj tečnosti. |
Hidrokoloid je definisan kao koloidni sistem u kojem su čestice makromolekularnih molekula hidrofilni polimeri raspršeni u vodi.
| Ovisnost o vodi | Ovisnost o toplini | Zavisnost od načina proizvodnje |
| Hidrokoloidi su koloidne čestice raspršene u vodi. U ovom slučaju, odnos dve komponente utiče na oblik polimera - gel, pepeo, tečno stanje. | Hidrokoloidi mogu biti ireverzibilni (u jednom stanju) ili reverzibilni. Na primjer, agar, reverzibilni hidrokoloid ekstrakta morskih algi, može postojati u gelu i čvrstom stanju, ili naizmjenično sa dodavanjem ili uklanjanjem topline. | Dobivanje makromolekularnih jedinjenja, poput hidrokoloida, zavisi od prirodnih izvora. Na primjer, agar-agar i karagenan se ekstrahiraju iz morskih algi, želatin se dobija hidrolizom goveđih i ribljih proteina, a pektin se ekstrahuje iz kore citrusa i komine jabuke. |
| Želatinski deserti, napravljeni od praha, imaju drugačiji hidrokoloid u svom sastavu. On je obdaren sa manje tečnosti. | Hidrokoloidi se koriste u hrani uglavnom da utiču na teksturu ili viskozitet (npr. sos). Međutim, konzistencija već zavisi od načina termičke obrade. | Medicinski zavoji na bazi hidrokoloida koriste se za liječenje kože i rana. ATproizvodnja se zasniva na potpuno drugačijoj tehnologiji, a koriste se isti polimeri. |
Drugi glavni hidrokoloidi su ksantan guma, arapska guma, guar guma, guma rogača, derivati celuloze kao što su karboksimetil celuloza, alginat i škrob.
Interakcija makromolekularnih supstanci sa drugim česticama
Sljedeće sile igraju važnu ulogu u interakciji koloidnih čestica:
- Odbijanje bez obzira na volumen: ovo se odnosi na nedostatak preklapanja između čvrstih čestica.
- Elektrostatička interakcija: Koloidne čestice često nose električni naboj i stoga jedna drugu privlače ili odbijaju. Naboj i kontinuirane i dispergirane faze, kao i pokretljivost faza, su faktori koji utiču na ovu interakciju.
- Van der Waalsove sile: Ovo je zbog interakcije između dva dipola, koji su ili trajni ili inducirani. Čak i ako čestice nemaju trajni dipol, fluktuacije elektronske gustine rezultiraju privremenim dipolom u čestici.
- Entropijske sile. Prema drugom zakonu termodinamike, sistem prelazi u stanje u kojem je entropija maksimizirana. Ovo može dovesti do stvaranja efektivnih sila čak i između tvrdih sfera.
- Steričke sile između površina obloženih polimerom ili u otopinama koje sadrže neadsorbirajući analog mogu modulirati međučestične sile, stvarajući dodatnu steričku silu odbijanja kojaje pretežno entropske prirode, ili sila iscrpljivanja između.
Potonji efekat se traži sa posebno formulisanim superplastifikatorima dizajniranim da povećaju obradivost betona i smanje njegov sadržaj vode.
Polimerni kristali: gdje se nalaze, kako izgledaju?
Visokomolekularna jedinjenja uključuju čak i kristale, koji su uključeni u kategoriju koloidnih supstanci. Ovo je visoko uređeni niz čestica koje se formiraju na vrlo velikoj udaljenosti (obično reda veličine od nekoliko milimetara do jednog centimetra) i izgledaju slično svojim atomskim ili molekularnim parnjacima.
| Naziv transformiranog koloida | Primjer narudžbe | Proizvodnja |
| Precious Opal | Jedan od najboljih prirodnih primjera ovog fenomena nalazi se u čistoj spektralnoj boji kamena | Ovo je rezultat zbijenih niša amorfnih sfera od koloidnog silicijum dioksida (SiO2) |
Ove sferične čestice su deponovane u rezervoarima sa visokim sadržajem silicija. Oni formiraju visoko uređene masive nakon godina sedimentacije i kompresije pod djelovanjem hidrostatskih i gravitacijskih sila. Periodični nizovi submikrometarskih sfernih čestica pružaju slične međuprostorne praznine koje djeluju kao prirodna difrakciona rešetka za vidljive svjetlosne valove, posebno kada je međuprostorni razmak istog reda veličine kao i upadni svjetlosni talas.
Tako je ustanovljeno da zbog odbojnostiKulonove interakcije, električno nabijene makromolekule u vodenom mediju mogu pokazati korelacije poput kristala dugog dometa s udaljenostima između čestica često mnogo većim od prečnika pojedinačnih čestica.
U svim ovim slučajevima, kristali prirodnog makromolekularnog jedinjenja imaju istu briljantnu iridescenciju (ili igru boja), što se može pripisati difrakciji i konstruktivnoj interferenciji talasa vidljive svetlosti. Zadovoljavaju Braggov zakon.
Veliki broj eksperimenata na proučavanju takozvanih "koloidnih kristala" nastao je kao rezultat relativno jednostavnih metoda razvijenih u posljednjih 20 godina za dobivanje sintetičkih monodisperznih koloida (polimernih i mineralnih). Različitim mehanizmima ostvaruje se i čuva formiranje dalekosežnog poretka.
Određivanje molekulske težine
Molekularna težina je kritično svojstvo hemikalije, posebno za polimere. U zavisnosti od materijala uzorka, biraju se različite metode:
- Molekularna težina kao i molekularna struktura molekula mogu se odrediti pomoću masene spektrometrije. Koristeći metodu direktne infuzije, uzorci se mogu ubrizgati direktno u detektor kako bi se potvrdila vrijednost poznatog materijala ili pružila strukturna karakterizacija nepoznatog.
- Informacije o molekularnoj težini polimera mogu se odrediti korištenjem metode kao što je hromatografija isključivanja veličine za viskozitet i veličinu.
- ZaOdređivanje molekulske težine polimera zahtijeva razumijevanje rastvorljivosti datog polimera.
Ukupna masa jedinjenja jednaka je zbiru pojedinačnih atomskih masa svakog atoma u molekulu. Postupak se provodi prema formuli:
- Odredite molekularnu formulu molekula.
- Koristite periodni sistem da pronađete atomsku masu svakog elementa u molekulu.
- Pomnožite atomsku masu svakog elementa brojem atoma tog elementa u molekulu.
- Rezultirajući broj je predstavljen indeksom pored simbola elementa u molekularnoj formuli.
- Povežite sve vrijednosti zajedno za svaki pojedinačni atom u molekulu.
Primjer jednostavnog izračuna niske molekulske težine: Da biste pronašli molekularnu težinu NH3, prvi korak je pronaći atomske mase dušika (N) i vodika (H). Dakle, H=1, 00794N=14, 0067.
Zatim pomnožite atomsku masu svakog atoma brojem atoma u spoju. Postoji jedan atom dušika (za jedan atom nije dat indeks). Postoje tri atoma vodika, kao što je naznačeno indeksom. Dakle:
- Molekularna težina supstance=(1 x 14,0067) + (3 x 1,00794)
- Molekularne težine=14,0067 + 3,02382
- Rezultat=17, 0305
Primjer izračunavanja kompleksne molekulske težine Ca3(PO4)2 je složenija opcija izračuna:
Iz periodnog sistema, atomske mase svakog elementa:
- Ca=40, 078.
- P=30, 973761.
- O=15.9994.
Teškovit dio je otkriti koliko je svakog atoma u spoju. Postoje tri atoma kalcija, dva atoma fosfora i osam atoma kisika. Ako je dio za spajanje u zagradama, pomnožite indeks odmah nakon znaka elementa sa indeksom koji zatvara zagrade. Dakle:
- Molekularna težina supstance=(40,078 x 3) + (30,97361 x 2) + (15,9994 x 8).
- Molekularna težina nakon izračuna=120, 234 + 61, 94722 + 127, 9952.
- Rezultat=310, 18.
Složeni oblici elemenata izračunavaju se analogno. Neki od njih se sastoje od stotina vrijednosti, tako da se automatizirane mašine sada koriste sa bazom podataka svih g/mol vrijednosti.
