Макромолекулното съединение е Определение, състав, характеристики, свойства

2024 Автор: Angel Austin | [email protected]. Последно модифициран: 2024-01-02 17:41

Съединенията с високо молекулно тегло са полимери с голямо молекулно тегло. Те могат да бъдат органични и неорганични съединения. Разграничаване на аморфни и кристални вещества, които се състоят от мономерни пръстени. Последните са макромолекули, свързани с химични и координационни връзки. С прости думи, високомолекулното съединение е полимер, тоест мономерни вещества, които не променят масата си, когато към тях се прикрепи същото „тежко“вещество. В противен случай ще говорим за олигомер.

Какво изучава науката за макромолекулните съединения?

Химията на макромолекулните полимери е изследването на молекулярните вериги, състоящи се от мономерни субединици. Това обхваща огромна област на изследване. Много полимери са от значително промишлено и търговско значение. В Америка наред с откриването на природен газ стартира голям проект за изграждане на завод за производство на полиетилен. Етанът от природен газ се преобразував етилен, мономерът, от който може да се направи полиетилен.

Полимерът като макромолекулно съединение е:

Всяко от клас естествени или синтетични вещества, съставени от много големи молекули, наречени макромолекули.
Много по-прости химически единици, наречени мономери.
Полимерите изграждат много материали в живите организми, включително, например, протеини, целулоза и нуклеинови киселини.
В допълнение, те формират основата на минерали като диамант, кварц и фелдшпат, както и изкуствени материали като бетон, стъкло, хартия, пластмаса и каучук.

Думата "полимер" означава неопределен брой мономерни единици. Когато количеството на мономерите е много високо, съединението понякога се нарича високополимер. Той не се ограничава до мономери със същия химичен състав или молекулно тегло и структура. Някои естествени органични съединения с високо молекулно тегло са съставени от един тип мономер.

Въпреки това, повечето естествени и синтетични полимери се образуват от два или повече различни вида мономери; такива полимери са известни като съполимери.

Естествени вещества: каква е тяхната роля в живота ни?

Органичните високомолекулни органични съединения играят решаваща роля в живота на хората, осигурявайки основни структурни материали и участвайки в жизненоважни процеси.

Например, твърдите части на всички растения са изградени от полимери. Те включват целулоза, лигнин и различни смоли.
Пулпата еполизахарид, полимер, изграден от захарни молекули.
Лигнинът се образува от сложна триизмерна мрежа от полимери.
Смолите за дървета са полимери на прост въглеводород, изопрен.
Друг познат изопренов полимер е гумата.

Други важни естествени полимери включват протеини, които са полимери на аминокиселини и нуклеинови киселини. Те са видове нуклеотиди. Това са сложни молекули, съставени от азот-съдържащи основи, захари и фосфорна киселина.

Нуклеиновите киселини носят генетичната информация в клетката. Нишестетата, важен източник на диетична енергия от растенията, са естествени полимери, изградени от глюкоза.

Химията на макромолекулните съединения освобождава неорганични полимери. Те също се срещат в природата, включително диамант и графит. И двете са изработени от карбон. Струва си да знаете:

В диамант въглеродните атоми са свързани в триизмерна мрежа, която придава на материала неговата твърдост.
В графита, използван като лубрикант и в "оловите" на молив, въглеродните атоми се свързват в равнини, които могат да се плъзгат един върху друг.

Много важни полимери съдържат кислородни или азотни атоми, както и въглеродни атоми в гръбнака. Такива макромолекулни материали с кислородни атоми включват полиацетали.

Най-простият полиацетал е полиформалдехидът. Има висока точка на топене, кристален е, устойчив на абразия идействието на разтворителите. Ацеталните смоли са по-подобни на метал от всяка друга пластмаса и се използват в производството на машинни части като зъбни колела и лагери.

Вещества, получени изкуствено

Синтетичните макромолекулни съединения се произвеждат в различни видове реакции:

Много прости въглеводороди като етилен и пропилен могат да бъдат превърнати в полимери чрез добавяне на един мономер след друг към растящата верига.
Полиетиленът, съставен от повтарящи се етиленови мономери, е адитивен полимер. Може да има до 10 000 мономера, свързани в дълги спирални вериги. Полиетиленът е кристален, полупрозрачен и термопластичен, което означава, че омекотява при нагряване. Използва се за покрития, опаковки, формовани части и бутилки и контейнери.
Полипропиленът също е кристален и термопластичен, но по-твърд от полиетилена. Неговите молекули могат да се състоят от 50 000-200 000 мономера.

Това съединение се използва в текстилната индустрия и за формоване.

Други адитивни полимери включват:

полибутадиен;
полиизопрен;
полихлоропрен.

Всички са важни в производството на синтетичен каучук. Някои полимери, като полистирол, са стъклени и прозрачни при стайна температура, а също така са и термопластични:

Полистиролът може да се боядисва във всеки цвят и се използва при производството на играчки и друга пластмасаартикули.
Когато един водороден атом в етилена се замени с хлорен атом, се образува винилхлорид.
Полимеризира се в поливинилхлорид (PVC), безцветен, твърд, твърд, термопластичен материал, който може да бъде направен в много форми, включително пяна, филми и влакна.
Винилацетат, получен от реакцията между етилен и оцетна киселина, полимеризира в аморфни, меки смоли, използвани като покрития и лепила.
Кополимеризира с винилхлорид, за да образува голямо семейство от термопластични материали.

Линеен полимер, характеризиращ се с повтаряне на естерни групи по протежение на основната верига, се нарича полиестер. Полиестерите с отворена верига са безцветни, кристални, термопластични материали. Тези синтетични макромолекулни съединения, които имат високо молекулно тегло (от 10 000 до 15 000 молекули) се използват при производството на филми.

Редки синтетични полиамиди

Полиамидите включват естествено срещащите се казеинови протеини, намиращи се в млякото и зеин, намиращи се в царевицата, които се използват за производството на пластмаси, влакна, лепила и покрития. Заслужава да се отбележи:

Синтетичните полиамиди включват урея-формалдехидни смоли, които са термореактивни. Използват се за направата на формовани предмети и като лепила и покрития за текстил и хартия.
Също важни са полиамидните смоли, известни като найлон. Те саиздръжлив, устойчив на топлина и абразия, нетоксичен. Те могат да бъдат боядисани. Най-известната му употреба е като текстилни влакна, но те имат много други приложения.

Друго важно семейство синтетични химични съединения с високо молекулно тегло се състои от линейни повторения на уретановата група. Полиуретаните се използват при производството на еластомерни влакна, известни като спандекс, и при производството на основни покрития.

Друг клас полимери са смесени органични-неорганични съединения:

Най-важните представители на това семейство полимери са силиконите. Съединенията с високо молекулно тегло съдържат редуващи се силициеви и кислородни атоми с органични групи, прикрепени към всеки от силициевите атоми.
Силиконите с ниско молекулно тегло са масла и грес.
Видовете с по-високо молекулно тегло са универсални еластични материали, които остават меки дори при много ниски температури. Те също са относително стабилни при високи температури.

Полимерът може да бъде триизмерен, двуизмерен и единичен. Повтарящите се единици често са съставени от въглерод и водород, а понякога и от кислород, азот, сяра, хлор, флуор, фосфор и силиций. За да се създаде верига, много единици са химически свързани или полимеризирани заедно, като по този начин се променят характеристиките на съединения с високо молекулно тегло.

Какви характеристики имат макромолекулните вещества?

Повечето от произвежданите полимери са термопластични. Следполимерът се образува, той може да се нагрява и реформира отново. Това свойство го прави лесен за работа. Друга група термореактивни реактори не може да бъде претопена: след като полимерите се образуват, повторното нагряване ще се разложи, но не и ще се стопи.

Характеристики на макромолекулните съединения на полимерите на примера на опаковките:

Може да бъде много устойчив на химикали. Помислете за всички почистващи течности във вашия дом, които са опаковани в пластмаса. Описани са всички последици от контакт с очите, но кожата. Това е опасна категория полимери, която разтваря всичко.
Докато някои пластмаси лесно се деформират от разтворители, други пластмаси се поставят в нечупливи опаковки за агресивни разтворители. Те не са опасни, но могат само да навредят на хората.
Разтворите на макромолекулни съединения най-често се доставят в обикновени найлонови торбички, за да се намали процентът на взаимодействието им с веществата вътре в контейнера.

Като общо правило, полимерите са много леки със значителна степен на здравина. Помислете за различни приложения, от играчки до структурата на рамката на космическите станции или от тънки найлонови влакна в чорапогащи до кевлар, използвани в бронежилетки. Някои полимери плуват във вода, други потъват. В сравнение с плътността на камък, бетон, стомана, мед или алуминий, всички пластмаси са леки материали.

Свойствата на макромолекулните съединения са различни:

Полимерите могат да служат като топлинни и електрически изолатори: уреди, кабели, електрически контакти и окабеляване, които са направени или покрити с полимерни материали.
Устойчиви на топлина кухненски уреди с дръжки за тенджери и тигани от смола, дръжки за тенджери за кафе, пяна за хладилник и фризер, изолирани чаши, охладители и прибори, подходящи за микровълнова фурна.
Термобельото, което носят много скиори, е от полипропилен, а влакната в зимните якета са изработени от акрил и полиестер.

Съединенията с високо молекулно тегло са вещества с неограничен набор от характеристики и цветове. Те имат много свойства, които могат да бъдат допълнително подобрени с широка гама от добавки за разширяване на приложението. Полимерите могат да служат като основа за имитация на памук, коприна и вълна, порцелан и мрамор, алуминий и цинк. В хранително-вкусовата промишленост те се използват, за да придадат на гъбите ядливи свойства. Например скъпо синьо сирене. Може да се консумира безопасно благодарение на обработката на полимер.

Обработка и приложение на полимерни структури

Полимерите могат да се обработват по различни начини:

Екструдирането позволява производството на тънки влакна или тежки масивни тръби, филми, бутилки за храна.
Инжекционното формоване прави възможно създаването на сложни части, като например големи части от каросерията на автомобил.
Пластмасите могат да се изливат в бъчви или да се смесват с разтворители, за да станат лепилни основи или бои.
Еластомерите и някои пластмаси са разтегливи и гъвкави.
Някои пластмаси се разширяват по време на обработка, за да запазят формата си, като например бутилки с питейна вода.
Други полимери могат да бъдат разпенени, като полистирол, полиуретан и полиетилен.

Свойствата на макромолекулните съединения варират в зависимост от механичното действие и метода на получаване на веществото. Това дава възможност да се прилагат в различни индустрии. Основните макромолекулни съединения имат по-широк спектър на предназначение от тези, които се различават по специални свойства и методи на получаване. Универсални и "капризни" "намират себе си" в хранителния и строителния сектор:

Съединенията с високо молекулно тегло са съставени от масло, но не винаги.
Много полимери са направени от повтарящи се единици, образувани преди това от природен газ, въглища или суров нефт.
Някои строителни материали са направени от възобновяеми материали, като полимлечна киселина (от царевица или целулоза и памучен литър).

Интересно е също, че те са почти невъзможно да бъдат заменени:

Полимерите могат да се използват за направата на предмети, които нямат други материални алтернативи.
Те са направени в прозрачни водоустойчиви филми.
PVC се използва за направата на медицински тръби и пликове за кръв, които удължават срока на годност на продукта и неговите производни.
PVC безопасно доставя запалим кислород към незапалими гъвкави тръби.
И антитромбогенни материали като хепарин могат да бъдат включени в категорията на гъвкавите PVC катетри.

Много медицински устройства се фокусират върху структурните характеристики на макромолекулните съединения, за да осигурят ефективно функциониране.

Разтвори на макромолекулни вещества и техните свойства

Тъй като размерът на дисперсната фаза е труден за измерване и колоидите са под формата на разтвори, те понякога идентифицират и характеризират физикохимичните и транспортните свойства.

колоидна фаза	Трудно	Чист разтвор	Индикатори за размери
	Ако колоида се състои от твърда фаза, диспергирана в течност, твърдите частици няма да дифундират през мембраната.	Разтворените йони или молекули ще дифундират през мембраната при пълна дифузия.	Поради изключване на размера, колоидни частици не могат да преминат през UF мембранни пори, по-малки от техния собствен размер.
Концентрация в състава на разтвори на макромолекулни съединения	Точната концентрация на действителното разтворено вещество ще зависи от експерименталните условия, използвани за отделянето му от колоидни частици, също диспергирани в течността.	Зависи от реакцията на макромолекулните съединения при провеждане на изследвания за разтворимост за лесно хидролизирани вещества като Al, Eu, Am, Cm.	Колкото по-малък е размерът на порите на ултрафилтрационната мембрана, толкова по-ниска е концентрациятадиспергирани колоидни частици, останали в ултрафилтрираната течност.

Хидроколоидът се дефинира като колоидна система, в която частиците от макромолекулни молекули са хидрофилни полимери, диспергирани във вода.

Пристрастяване към водата	Пристрастяване към топлина	Зависимост от производствения метод
Хидроколоидите са колоидни частици, диспергирани във вода. В този случай съотношението на двата компонента влияе върху формата на полимера - гел, пепел, течно състояние.	Хидроколоидите могат да бъдат необратими (в едно състояние) или обратими. Например, агар, обратим хидроколоид от екстракт от морски водорасли, може да съществува в гел и твърдо състояние или да се редува между състояния с добавяне или отстраняване на топлина.	Получаването на макромолекулни съединения, като хидроколоиди, зависи от естествени източници. Например, агар-агар и карагенан се извличат от морски водорасли, желатинът се получава чрез хидролиза на говежди и рибни протеини, а пектинът се извлича от цитрусови кори и ябълкови кюспе.
Желатиновите десерти, направени на прах, имат различен хидроколоид в състава си. Той е надарен с по-малко течности.	Хидроколоидите се използват в храните главно за повлияване на текстурата или вискозитета (напр. сос). Консистенцията обаче вече зависи от метода на топлинна обработка.	Медицинските превръзки на базата на хидроколоиди се използват за лечение на кожа и рани. ATпроизводството се основава на напълно различна технология и се използват едни и същи полимери.

Други основни хидроколоиди са ксантанова гума, гума арабика, гума гуар, гума от рожков, целулозни производни като карбоксиметил целулоза, алгинат и нишесте.

Взаимодействие на макромолекулни вещества с други частици

Следните сили играят важна роля във взаимодействието на колоидни частици:

Отблъскване без оглед на обема: това се отнася до липсата на припокриване между твърдите частици.
Електростатично взаимодействие: Колоидните частици често носят електрически заряд и следователно се привличат или отблъскват взаимно. Зарядът както на непрекъснатата, така и на диспергираната фаза, както и подвижността на фазите, са фактори, влияещи върху това взаимодействие.
Сили на Ван дер Ваалс: Това се дължи на взаимодействието между два дипола, които са или постоянни, или индуцирани. Дори ако частиците нямат постоянен дипол, флуктуациите на електронната плътност водят до временен дипол в частицата.
Ентропийни сили. Според втория закон на термодинамиката системата преминава в състояние, в което ентропията е максимална. Това може да доведе до създаването на ефективни сили дори между твърди сфери.
Стеричните сили между повърхностите с полимерно покритие или в разтвори, съдържащи неадсорбиращ аналог, могат да модулират междучастичните сили, създавайки допълнителна пространствена сила на отблъскване, коятоима предимно ентропичен характер или сила на изчерпване между тях.

Последният ефект се търси със специално формулирани суперпластификатори, предназначени да увеличат обработваемостта на бетона и да намалят съдържанието му на вода.

Полимерни кристали: къде се намират, как изглеждат?

Високомолекулните съединения включват равномерни кристали, които са включени в категорията колоидни вещества. Това е силно подреден набор от частици, които се образуват на много голямо разстояние (обикновено от порядъка на няколко милиметра до един сантиметър) и изглеждат подобно на техните атомни или молекулярни колеги.

Име на трансформирания колоид	Пример за поръчка	Производство
Скъпоценен опал	Един от най-добрите природни примери за това явление се намира в чистия спектрален цвят на камъка	Това е резултат от плътно опаковани ниши от сфери от аморфен колоиден силициев диоксид (SiO2)

Тези сферични частици се отлагат във високо силициеви резервоари. Те образуват силно подредени масиви след години на утаяване и компресия под действието на хидростатични и гравитационни сили. Периодичните масиви от субмикрометрични сферични частици осигуряват подобни масиви от празни пространства, които действат като естествена дифракционна решетка за видимите светлинни вълни, особено когато разстоянието между междинните елементи е от същия порядък като падащата светлинна вълна.

По този начин беше установено, че поради отблъскващКулонови взаимодействия, електрически заредени макромолекули във водна среда могат да проявяват корелации, подобни на кристали на дълги разстояния с разстояния между частиците, често много по-големи от диаметъра на отделните частици.

Във всички тези случаи кристалите на естествено макромолекулно съединение имат една и съща брилянтна ирисценция (или игра на цветове), която може да се дължи на дифракция и конструктивна интерференция на видимите светлинни вълни. Те отговарят на закона на Браг.

Голям брой експерименти за изследване на така наречените "колоидни кристали" възникнаха в резултат на сравнително прости методи, разработени през последните 20 години за получаване на синтетични монодисперсни колоиди (както полимерни, така и минерални). Чрез различни механизми се реализира и запазва формирането на далечен ред.

Определяне на молекулното тегло

Молекулното тегло е критично свойство на химикала, особено за полимерите. В зависимост от материала на пробата се избират различни методи:

Молекулното тегло, както и молекулярната структура на молекулите могат да бъдат определени с помощта на масспектрометрия. Използвайки метода за директна инфузия, пробите могат да се инжектират директно в детектора, за да се потвърди стойността на познат материал или да се осигури структурна характеристика на неизвестен.
Информацията за молекулното тегло на полимерите може да бъде определена с помощта на метод като хроматография с изключване на размера за вискозитет и размер.
ЗаОпределянето на молекулното тегло на полимерите изисква разбиране на разтворимостта на даден полимер.

Общата маса на съединение е равна на сумата от отделните атомни маси на всеки атом в молекулата. Процедурата се извършва по формулата:

Определете молекулярната формула на молекулата.
Използвайте периодичната таблица, за да намерите атомната маса на всеки елемент в една молекула.
Умножете атомната маса на всеки елемент по броя на атомите на този елемент в молекулата.
Резултантното число е представено с индекс до символа на елемента в молекулярната формула.
Свържете всички стойности заедно за всеки отделен атом в молекулата.

Пример за просто изчисление с ниско молекулно тегло: За да се намери молекулното тегло на NH_{3, първата стъпка е да се намерят атомните маси на азота (N) и водорода (H). И така, H=1, 00794N=14, 0067.}

След това умножете атомната маса на всеки атом по броя на атомите в съединението. Има един азотен атом (за един атом не е даден индекс). Има три водородни атома, както е посочено от индекса. Така че:

Молекулно тегло на вещество=(1 x 14,0067) + (3 x 1,00794)
Молекулни тегла=14,0067 + 3,02382
Резултат=17, 0305

Пример за изчисляване на комплексното молекулно тегло Ca₃(PO₄)_{2 е по-сложна опция за изчисление:}

Характеристика на макромолекулните съединения

От периодичната таблица, атомните маси на всеки елемент:

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

Трудната част е да разберете колко от всеки атом е в съединението. Има три калциеви атома, два фосфорни атома и осем кислородни атома. Ако частта за присъединяване е в скоби, умножете индекса непосредствено след знака на елемента по индекса, който затваря скобите. Така че:

Молекулно тегло на вещество=(40,078 x 3) + (30,97361 x 2) + (15,9994 x 8).
Молекулно тегло след изчисление=120, 234 + 61, 94722 + 127, 9952.
Резултат=310, 18.

Сложните форми на елементите се изчисляват по аналогия. Някои от тях се състоят от стотици стойности, така че автоматизираните машини вече се използват с база данни от всички стойности на g/mol.