Органічні і неорганічні ВМС

Серед численних речовин, можна зустріти у природі, різко виділяється група сполук, від інших особливими фізичними властивостями, високої в'язкістю розчинів, здатністю утворювати волокна, плівки тощо. До цих речовин ставляться целюлоза, лигпин, пентозаны, крохмаль, білки, й нуклеїнові кислоти, поширені в і тваринний світ, де їх утворюються у результаті життєдіяльності організмів.

Высокомолекулярные сполуки отримали свою назву внаслідок великий їхнього молекулярного ваги, що різнять їхнього капіталу від низькомолекулярних речовин, молекулярний вагу яких лише порівняно рідко сягає кілька сотень. Нині заведено відносити до ВМС речовини з молекулярным вагою більш 5000.

Молекули ВМС називають макромолекулами, а хімію ВМС – хімією макромолекул і макромолекулярной хімією.

Через війну численних сполук, здійснених величезну армію хіміків, фізиків і, було встановлено як будова деяких природних ВМС, а й знайдено шляху синтезу їх замінників з доступних видів сировини. Виникли нові види промисловості, почалося виробництво синтетичного каучуку, штучних синтетичних волокон, пластичних мас, лаків і водно-дисперсійних фарб, замінників шкіри т.д. На перших парах синтетичні матеріали носили характер замінників природних матеріалів. Нині внаслідок б у хімії і фізиці ВМС і вдосконалення технологій їх виробництва, завдяки принципову можливість поєднувати щодо одного речовині будь-які бажані властивості, синтетичні ВМС поступово проникають в усі області промисловості, де їх стають цілком незамінними конструкційними і антикоррозийными матеріалами.

Органічні і неорганічні ВМС

Органічні ВМС є основою живої природи що входять до склад рослин, - полісахариди, лигпин, білки, пектинові речовини – высокомолекулярны. Цінні механічні властивості деревини, бавовни, льны обумовлені значним вмістом у них высокомолекулярного полисахарида – целюлози. Головною складовою картоплі, пшениці, жита, вівса, рису, кукурудзи, ячменю є інший високомолекулярний полісахарид – крохмаль. Торф, буре вугілля, кам'яні вугілля є продукти геологічного перетворення рослинних тканин, переважно целюлози і лігніну, і навіть слід віднести до високомолекулярним сполукам.

У основі живого світу також лежать ВМС – білки, є головною складовою майже всіх речовин тваринного походження. М'язи, з'єднувальні тканини, мозок, кров, шкіра, волосся, шерсть, ріг перебувають у основному з високомолекулярних білкових речовин.

Неорганические високомолекулярні сполуки грають ті ж самі великій ролі і такий самий поширені в мінеральному світі, як органічні ВМП на живу природі.

Більшість земної кори складається з окислів кремнію, алюмінію та інших многовалентных елементів, з'єднаних, очевидно, в макромолекули. Найбільш поширений серед окислів кремнієвий ангідрид [ SiO 2 ] n , є, безперечно, високомолекулярним з'єднанням. Більше 50% всієї маси земної кулі складається з кремнієвого ангідриду, а зовнішньої частини земної кори утримання її сягає 60%. Найпоширенішою модифікацією кремнієвого ангідриду є кварц – найважливіша складова частина більшості гірських порід і піску.

 

Загальні властивості ВМС

Для високомолекулярних сполук характерні деякі загальні властивості, що дозволяють виділити хімію високомолекулярних сполук, у самостійну науку. Ці властивості неможливо знайти описані з допомогою уявлень класичної хімії. Для розгляду властивостей високомолекулярних сполук необхідно провести принципово нові поняття, загальні для класу сполук.

 

Молекулярний вагу полімерів

Першої особливістю хімії високомолекулярних сполук є абсолютно нове поняття молекулярного ваги.

Для низькомолекулярних сполук величина молекулярного ваги — це константа, характеризує індивідуальність хімічного сполуки. Зміна молекулярного ваги завжди свідчить перехід до іншого речовини й супроводжується помітним зміною властивостей. З переходом від однієї представника гомологического низки до іншого (т. е. зі зміною величини молекулярного ваги) фізичні властивості речовин змінюються настільки, що, користуючись цією зміною, вдається відокремити гомологи друг від друга.

Рис. 1. Криві розподілу по молекулярным вагам.

Молекулярний Вага

На рис. 1 показані криві розподілу по молекулярному вазі двох полімерів з однаковим середньої ступенем полімеризації, але з різноманітною полидисперсностью. Полімер, що характеризується кривою 1, більш однорідний по молекулярному вазі, ніж полімер з кривою розподілу 2 .

Ступінь полидисперсности не менш важливим характеристикою полімеру, ніж середній молекулярний вагу.

Зі зміною фізичних властивостей зі збільшенням молекулярного ваги безпосередньо пов'язане ще одне особливість високомолекулярних сполук. Зі збільшенням молекулярного ваги тиск парів хімічних сполук зменшується й укоренилася задовго до значень молекулярних терезів, притаманних високомолекулярних сполук, падає практично нанівець. При нагріванні високомолекулярних сполук немає помітної летючості, а при певної температурі настає термічне розкладання речовини розриву хімічних зв'язків і перегрупуванням атомів. Высокомолекулярные сполуки практично нелетучи не можуть переведені в газоподібне стан.

На відміну від низькомолекулярних сполук, котрим відомі три агрегатних стану: тверде тіло, рідина, газ, — для високомолекулярних сполук відомі лише 2 агрегатних стану: тверде тіло, рідина.

 

Дробное поведінка макромолекул

Характерною ознакою хімії високомолекулярних сполук і те, що найменшої «часткою», що у реакції чи фізико-хімічному процесі, не молекула, як у класичній хімії, а елементарне ланка (при хімічних реакціях) або ділянка ланцюга (при фізико-хімічних і фізико-механічних процесах).

Така поведінка молекул високомолекулярних сполук, у фізико-хімічних і фізико-механічних процесах пов'язані з гнучкістю макромолекул. Молекулярні ланцюга різних полімерів мають різної гнучкістю, що визначається величиною потенційного бар'єра вільного обертання атомів щодо одне одного. Розмір потенційного бар'єра своєю чергою залежить від хімічної будови полімеру й правничого характеру функціональних груп, наявних у ланцюга.

Макромолекулы лінійних полімерів характеризуються високим рівнем асиметрії. Тому окремі ділянки витягнутої молекулярної ланцюга настільки віддалені друг від друга, що взаємовпливи стає мізерно малим. У результаті деякі ділянки молекулярної ланцюга при розчиненні (коли рухливість і гнучкість ланцюга зростає) й у процесах деформації полімерів поводяться як кінетично самостійні одиниці. Такі ділянки молекулярної ланцюга називають сегментами. Величина ділянки молекулярної ланцюга, виявляє кінетичну незалежність (сегмента), перестав бути постійної і та умовами, у яких перебуває полімер (температура і концентрація розчину, природа розчинника, температура, величина і швидкість докладання навантаження при деформації). Це спричиняє появі деяких особливостей в властивості розчинів й у процесах деформації полімерів.

Простейшей «часткою», самостійно що у хімічних реакціях, є елементарне ланка макромолекули полімеру. Отже, реакції функціональних груп полімерів — це хімічні реакції елементарних ланок.

Слід зазначити, під функціональними групами полімеру зазвичай розуміють функціональні групи, що входять до склад елементарних ланок ланцюга. У макромолекулах більшості полімерів є також кінцеві функціональні групи, зазвичай які від функціональних груп елементарних ланок. Проте за великому молекулярному вазі полімеру і малому числі кінцевих груп реакціями кінцевих груп у переважну більшість хімічних перетворень полімерів можна знехтувати.

У класичної хімії повноту перебігу хімічної реакції зазвичай характеризують числом молей перетвореного речовини чи виходом продуктів реакції, причому розумітися під «молем» розуміють цілком певну величину — молекулярний вагу речовини, виражений у конкретних вагових одиницях.

Інша залежить від хімії високомолекулярних сполук. Так, при этерификации поливинилового спирту один міль оцтового ангідриду витрачається одне елементарне ланка полімеру, і поняття «міль» стає умовним. У хімії високомолекулярних сполук молем* називають молекулярний вагу елементарного ланки полімеру, виражений у конкретних вагових одиницях.

Відповідно повноту хімічної реакції характеризують числом прореагировавших елементарних ланок. Оскільки ці ланки перебувають у однієї молекулярної ланцюга, число елементарних ланок, що у реакції, показує не вихід кінцевий продукт реакції, як і реакціях низькомолекулярних сполук, а ступінь хімічного перетворення высокомолекулярного сполуки. До того ж вихідні і кінцеві продукти реакції об'єднують у однієї молекулярної ланцюга, що змінює уявлення «класичної» хімії про чистому речовині. Тому результати хімічних перетворень високомолекулярних сполук доводиться оцінювати статистично.

Там, коли час реакції досягнуто вичерпна повнота перетворення всіх функціональних груп, отриманий продукт, відповідно до поняттям класичної хімії, однаково перестав бути чистим речовиною внаслідок неоднорідності полімеру по молекулярному вазі. Отже, вводять нові поняття: однорідність речовини по молекулярному вазі і однорідність речовини за хімічним складом.

Поруч із реакціями елементарних ланок дуже важливого значення мають макромолекулярные реакції полімерів. У цих реакціях макромолекула поводиться як єдине ціле і тому стехиометрические співвідношення реагують речовин суттєво різняться від стехиометрических співвідношенні речовин, у реакціях елементарних ланок полімерів.

До макромолекулярным реакцій полімерів ставляться межмолекулярные реакції, у яких між макромолекулами утворюються хімічні зв'язку й лінійні полімери перетворюються на просторові, і навіть реакції хімічної деструкції полімерів, які відбуваються під впливом хімічних реагентів.

У реакціях елементарних ланок полімеру, внаслідок сумірності молекулярних терезів елементарного ланки і реагує з нею низкомолекулярного речовини, беруть участь зазвичай порівнянні кількості полімеру і низкомолекулярного сполуки. При освіті ж межмолекулярных зв'язків у реакції бере участь, з одного боку, макромолекула полімеру, з другого — молекула низько* молекулярного сполуки, молекулярний вагу що його сотні чи тисячі разів менше молекулярного ваги полімеру. Наприклад, для освіти хімічного зв'язку між двома макромолекулами полиакриловой кислоти досить одного атома двухвалентного металу:

У цьому макромолекули полиакриловой кислоти втрачають свою кінетичну самостійність, полімер набуває просторове будова, у результаті різко змінюються фізичні властивості системи.

Вагова частка низкомолекулярного речовини, що у макромолекулярной реакції, мізерно мала, оскільки він визначається співвідношенням молекулярних терезів низкомолекулярного з'єднання заліза і полімеру. Цим обумовлена одне з важливих особливостей високомолекулярних сполук — різку зміну властивостей під впливом малих добавок деяких речовин.

При реакціях хімічної деструкції полімерів на розрив однієї зв'язку в полімері витрачається одна молекула низкомолекулярного речовини. Наприклад, при гідролізі полиамидов для омилення однієї амидной зв'язку потрібно одна молекула води:

 

Геометрическая форма макромолекул

Третя особливість хімії високомолекулярних сполук — це різка залежність властивостей полімерів від геометричній форми макромолекул. У хімії низькомолекулярних сполук геометрії молекули залежать лише властивості її атомів. Фізико-хімічні властивості низькомолекулярних сполук, зазвичай, не розглядаються у зв'язку з формою молекули.

У хімії високомолекулярних сполук форма макромолекули набуває дуже важливого значення. Так, макромолекула лінійного полімеру залежно від геометрії елементарних ланок та порядку їх чергування (якщо вони різняться за хімічним складом і стереометрії) може за своєю формою наближатися до жорсткої паличці (полифенилены, полиацетилены), згортатись в спіраль (амилоза, нуклеїнові кислоти, пептиди) чи клубок (глобулярные білки). Залежно від форми макромолекули лінійні полімери можуть істотно різнитися як. Але водночас вони теж мають ряд загальних властивостей, характерних саме з •лінійних полімерів, які відрізняють їхню відмінність від полімерів з іншою геометричній формою молекул.

Усі лінійні полімери принципово може бути переведені у розчин. Растворы лінійних полімерів навіть за відносно невеликих концентраціях мають високої в'язкістю, кілька десятків і в сотні разів перевищує в'язкість відповідних розчинів низькомолекулярних сполук. Багато лінійні полімери можуть плавитися без розкладання, причому їх розплави також мають дуже високою в'язкістю. Лінійні полімери, відрізняються хорошими фізико-механічними властивостями: великий міцністю і еластичність. Гнучкість макромолекули лінійних полімерів сприяє їхній розчинення і плавлению, а здатність гнучкою макромолекули змінювати форму під впливом зовнішніх зусиль обумовлює високі эластические властивості. Значна розривна міцність лінійних полімерів пояснюється переважно тим, що лінійні макромолекули можуть досягати високого рівня орієнтації щодо одне одного й мати велику щільність упаковки, що зумовлює виникненню численних межмолекулярных зв'язку з високої сумарною енергією.

Рубрики: Аналітична хімія