A nagy molekulatömegű vegyület... Meghatározás, összetétel, jellemzők, tulajdonságok

A nagy molekulatömegű vegyület olyan polimer, amelynek nagy molekulatömege van. Ezek lehetnek szerves és szervetlen vegyületek. Vannak amorf és kristályos anyagok, amelyek monomer gyűrűkből állnak. Az utóbbiak kémiai és koordinációs kötésekkel összekapcsolt makromolekulák. Egyszerűen fogalmazva, a nagy molekulatömegű vegyület egy polimer, vagyis olyan monomer anyagok, amelyek nem változtatják meg tömegüket, ha ugyanaz "nehéz" anyag kapcsolódik hozzájuk. Ellenkező esetben az oligomerről beszélünk.

Mi a nagy molekulatömegű vegyületek tudománya?

A nagy molekulájú polimerek kémiája a monomer alegységekből álló molekuláris láncok vizsgálata. Itt egy hatalmas kutatási területet veszünk figyelembe. Számos polimer jelentős ipari és kereskedelmi jelentőséggel bír. Amerikában a földgáz felfedezésével együtt megkezdődött egy nagyprojekt elindítása egy polietilén termelőüzem építésére. Etán-tól földgáz etilénné alakul, egy monomer, amelyből polietilén készülhet.

A polimer mint nagy molekulatömegű vegyület:

• A makromolekuláknak nevezett, nagyon nagy molekulákból álló természetes vagy szintetikus anyagok bármely osztálya.
• Sok egyszerűbb kémiai egység, az úgynevezett monomerek.
• A polimerek sok anyagot alkotnak az élő szervezetekben, beleértve például a fehérjéket, a cellulózt és a nukleinsavakat.
• Ezenkívül ásványi anyagok, például gyémánt, kvarc és földpát, valamint mesterséges anyagok, köztük beton, üveg, papír, műanyag és gumi alapját képezik.

A szó "polimer" határozatlan számú monomer egységet jelent. Ha a monomerek száma nagyon nagy, a vegyületet néha magas polimernek nevezik. Nem korlátozódik az azonos kémiai összetételű vagy molekulatömegű és szerkezetű monomerekre. Néhány természetes nagy molekulatömegű szerves vegyület egyfajta monomerből áll.

A legtöbb természetes és szintetikus polimert azonban két vagy több különböző típusú monomerből állítják elő; az ilyen polimereket kopolimereknek nevezik.

Természetes anyagok: mi a szerepük az életünkben?

A szerves nagy molekulatömegű szerves vegyületek döntő szerepet játszanak az emberek életében, alapvető szerkezeti anyagokat biztosítanak és részt vesznek a létfontosságú folyamatokban.

• Például az összes növény szilárd részei polimerekből állnak. Ezek közé tartozik a cellulóz, a lignin és a különböző gyanták.
• A cellulóz egy poliszacharid, egy cukormolekulákból álló polimer.
• A Lignin komplex háromdimenziós polimerhálózatból képződik.
• A fa gyanták egy egyszerű szénhidrogén, izoprén polimerjei.
• Egy másik ismert izoprén polimer A gumi.

Más fontos természetes polimerek közé tartoznak a fehérjék, amelyek aminosavak polimerjei, valamint a nukleinsavak. Ezek a nukleotidok fajtái. Ezek komplex molekulák, amelyek nitrogéntartalmú bázisokból, cukrokból és foszforsavból állnak.

A nukleinsavak genetikai információt hordoznak a sejtben. A keményítők, a növényekből nyert élelmiszer-energia fontos forrásai természetes polimerek, amelyek glükózból állnak.

A nagy molekulatömegű vegyületek kémiája szervetlen polimereket választ ki. A természetben is megtalálhatók, beleértve a gyémántot és a grafitot. Mindkettő szénből áll. Érdemes tudni:

• A gyémántban a szénatomok háromdimenziós hálózatban vannak összekötve, amely az anyag keménységét adja.
• A kenőanyagként használt grafitban és a ceruza "vezetékeiben" a szénatomok olyan síkokban kötődnek, amelyek át tudnak csúszni egymáson.

Számos fontos polimer tartalmaz oxigén-vagy nitrogénatomokat, valamint szénatomokat a fő láncban. Az ilyen oxigénatomos makromolekuláris anyagok közé tartoznak a poliacetálok.

A legegyszerűbb poliacetál a poliformaldehid. Magas olvadáspontú, kristályos, kopásálló és oldószerekkel szemben ellenálló. Az acetálgyanták jobban hasonlítanak a fémhez, mint bármely más műanyag, és gépalkatrészek, például fogaskerekek és csapágyak gyártásához használják.

Mesterségesen előállított anyagok

A szintetikus nagy molekulatömegű vegyületeket különféle típusú reakciókban állítják elő:

1. Sok egyszerű szénhidrogén, mint például az etilén és a propilén, polimerekké alakítható úgy, hogy egyik monomert a másik után adják a növekvő lánchoz.
2. Az ismétlődő etilén-monomerekből álló polietilén egy adalékanyag polimer. Akár 10 000 monomert is tartalmazhat hosszú spirálláncokban. A polietilén kristályos, áttetsző és hőre lágyuló műanyag, ami azt jelenti, hogy melegítéskor lágyul. Bevonatokhoz, csomagoláshoz, öntött alkatrészekhez, valamint palackok és tartályok gyártásához használják.
3. Polipropilén is kristályos és hőre lágyuló, de keményebb, mint a polietilén. Molekulái 50000-200000 monomerből állhatnak.

Ezt a vegyületet a textiliparban használják, és a gyártáshoz öntött tárgyakból.

Egyéb additív polimerek a következők:

• polibutadién;
• poliizoprén;
• polikloroprén.

Mindegyik fontos a szintetikus gumik gyártásában. Egyes polimerek, mint például a polisztirol, üvegesek és átlátszóak szobahőmérsékleten, valamint hőre lágyuló műanyag:

1. A polisztirol bármilyen árnyékban festhető, és játékok és egyéb műanyag tárgyak gyártásához használható.
2. Ha az etilénben lévő egyik hidrogénatomot klóratom helyettesíti, vinil-klorid képződik.
3. Polimerizálódik polivinil-kloriddá (PVC), színtelen, kemény, merev, hőre lágyuló anyaggá, amely sokféle formában előállítható, beleértve a habokat, filmeket és szálakat.
4. Az etilén és ecetsav reakciójával nyert vinil-acetát bevonatként és ragasztóként használt amorf, lágy gyantákká polimerizálódik.
5. Vinil-kloriddal kopolimerizálva termoplasztikus anyagok nagy családját képezi.

A lineáris polimert, amelyet az észtercsoportok ismétlése jellemez a fő lánc mentén, poliészternek nevezzük. A nyílt láncú poliészterek színtelen, kristályos, hőre lágyuló anyagok. A filmek előállításához azokat a szintetikus nagy molekulatömegű vegyületeket használják, amelyek nagy molekulatömegűek (10 000-15 000 molekula) .

Ritka szintetikus eredetű poliamidok

A poliamidok közé tartoznak a tejben található, természetesen előforduló kazeinfehérjék és a kukoricában található Zein, amelyekből műanyagok, rostok, ragasztók és bevonatok készülnek. Érdemes megjegyezni:

• A szintetikus poliamidok közé tartoznak a karbamid-formaldehid gyanták, amelyek hőre keményedő. Ezek gyártásához használt öntött tárgyak, valamint a ragasztó és bevonat textil és papír.
• A poliamid gyanták, más néven nylon, szintén fontosak. Tartósak, ellenállnak a hőnek és a kopásnak, nem mérgezőek. Lehet festeni. A legismertebb felhasználási irány a textilszálak, de ezek van sok egyéb funkciók.

A szintetikus nagy molekulatömegű kémiai vegyületek másik fontos családja az uretáncsoport lineáris ismétléséből áll. A poliuretánokat a spandex néven ismert elasztomer szálak, valamint a gyártás során használják bevonó alapból.

A polimerek egy másik osztálya vegyes szerves-szervetlen vegyületek:

1. A polimerek családjának legfontosabb képviselői a szilikonok. A nagy molekulatömegű vegyületek összetétele váltakozó szilícium-és oxigénatomokat tartalmaz, amelyek szerves csoportokkal kapcsolódnak az egyes szilíciumatomokhoz.
2. Az alacsony molekulatömegű szilikonok olajok és kenőanyagok.
3. A nagyobb molekulatömegű Fajok sokoldalú rugalmas anyagok, amelyek nagyon alacsony hőmérsékleten is lágyak maradnak. Magas hőmérsékleten is viszonylag stabilak.

A polimer lehet háromdimenziós, kétdimenziós és egydimenziós. Az ismétlődő egységek gyakran szénből és hidrogénből, néha oxigénből, nitrogénből, kénből, klórból, fluor -, foszfor-és szilíciumból állnak. Lánc létrehozásához sok kapcsolat kémiailag kötődik vagy polimerizálódik, ezért a nagy molekulatömegű vegyületek jellemzői megváltoznak.

Melyek a nagy molekulatömegű anyagok jellemzői?

Az előállított polimerek többsége hőre lágyuló. Miután a polimer képződik, akkor lehet melegíteni, majd újra reformálni. Ez a tulajdonság megkönnyíti a kezelését. A hőre keményedő anyagok egy másik csoportját nem lehet megolvasztani: a polimerek kialakulása után az újramelegítés bomláshoz vezet, de nem olvad.

A nagy molekulatömegű polimer vegyületek jellemzői a csomagok példáján:

1. Nagyon ellenállóak lehetnek a vegyi anyagokkal szemben. Vegye figyelembe az otthonában lévő összes tisztító folyadékot, amely műanyagba van csomagolva. A szemmel való érintkezés minden következményét, de a bőrt leírják. Ez a polimerek veszélyes kategóriája, amely mindent feloldja.
2. Míg az oldószerek könnyen deformálnak néhány műanyagot, addig más típusú műanyagokat nem törhető csomagolásokba helyeznek agresszív oldószerekhez. Nem veszélyesek, de csak egy személyt károsíthatnak.
3. A nagy molekulatömegű vegyületek oldatait leggyakrabban egyszerű műanyag zacskókban szállítják, hogy csökkentsék a tartály belsejében lévő anyagokkal való kölcsönhatásuk százalékos arányát.

A polimerek általában nagyon könnyűek, jelentős szilárdsággal. Tekintsünk egy sor alkalmazást, a játékoktól az űrállomások vázszerkezetéig, vagy a harisnyanadrág vékony nejlonszálától a kevlarig, amelyet a testpáncélban használnak. Egyes polimerek vízben úsznak, mások elsüllyednek. A kő, beton, acél, réz vagy alumínium sűrűségéhez képest minden műanyag könnyű anyag.

A nagy molekulatömegű vegyületek tulajdonságai eltérőek:

1. A polimerek hő-és elektromos szigetelőként szolgálhatnak: készülékek, zsinórok, elektromos aljzatok és vezetékek, amelyek polimer anyagokkal készülnek vagy bevonva vannak.
2. Hőállóság készülékek a konyhában fogantyúval edények polimerekből, fogantyúk kávéskannák, hab hűtőszekrények és fagyasztók, szigetelt csészék, hűtők és edények a mikrohullámú sütő.
3. A sok síelő által viselt termikus fehérnemű polipropilénből készül, a téli dzsekik rostja pedig akrilból és poliészterből készül.

A nagy molekulatömegű vegyület olyan anyag, amelynek korlátlan jellemzői és színei vannak. Számos tulajdonságuk van, amelyeket az adalékanyagok széles skálájával tovább lehet javítani az alkalmazás kibővítése érdekében. A polimerek alapul szolgálhatnak pamut, selyem és gyapjú, porcelán és márvány, alumínium és cink utánzásához. Az élelmiszeriparban ehető tulajdonságokat adnak a gombáknak. Például drága sajt penészes. A polimer feldolgozásnak köszönhetően biztonságosan fogyasztható.

Polimer szerkezetek feldolgozása és alkalmazása

A polimerek feldolgozhatók különböző módon:

• Az extrudálás lehetővé teszi vékony szálak vagy nehéz masszív csövek, filmek, élelmiszer-palackok előállítását.
• A fröccsöntés lehetővé teszi összetett alkatrészek, például a karosszéria nagy részeinek létrehozását.
• A műanyagokat hordókba lehet önteni, vagy oldószerekkel keverni, hogy ragasztóbázisokká vagy festékekké váljanak.
• Az elasztomerek és egyes műanyagok nyúlnak, rugalmasak.
• Egyes műanyagok a feldolgozás során kibővülnek, hogy megtartsák az alakot, például ivóvízpalackok.
• Más polimerek is habosíthatók, például polisztirol, poliuretán és polietilén.

A nagy molekulatömegű vegyületek tulajdonságai a mechanikai hatástól és az anyag előállításának módjától függően változnak. Ez lehetővé teszi azok alkalmazását különböző iparágakban. A fő nagy molekulatömegű vegyületek szélesebb körű célokkal rendelkeznek, mint azok, amelyek különleges tulajdonságokkal és előállítási módszerekkel különböznek egymástól. Sokoldalú és "szeszélyes" "találják magukat" az élelmiszeripar és az építőipar területén:

1. A nagy molekulatömegű vegyületek olajból állnak, de nem mindig.
2. Számos polimert nyernek a földgázból, szénből vagy nyersolajból korábban kialakított ismétlődő egységekből.
3. Egyes építőanyagok megújuló anyagokból készülnek, például politejsavból (kukoricából vagy cellulózból, valamint pamutszöszből).

Az is érdekes, hogy gyakorlatilag semmi sem helyettesítheti őket:

• A polimerek felhasználhatók olyan tárgyak előállítására, amelyeknek nincs alternatívája más anyagokból.
• Átlátszó vízálló filmekké alakulnak.
• A PVC-t orvosi csövek és vérzsákok gyártására használják, amelyek meghosszabbítják a termék és származékainak eltarthatóságát.
• A PVC biztonságosan szállít éghető oxigént a nem éghető rugalmas csövekhez.
• Egy antitrombogén anyag, például heparin, a rugalmas PVC katéterek kategóriájába tartozhat.

A hatékony működés biztosítására szolgáló számos orvostechnikai eszköz a nagy molekulatömegű vegyületek szerkezetének jellemzőire összpontosít.

Nagy molekulatömegű anyagok oldatai és tulajdonságaik

Mivel a diszpergált fázis méretét nehéz mérni, és a kolloidok oldatok formájában vannak, néha azonosítják és jellemzik a fizikai-kémiai és szállítási tulajdonságokat.

A hidrokolloidot olyan kolloid rendszerként definiáljuk, amelyben a nagy molekulájú vegyületek molekulájának részecskéi vízben diszpergált hidrofil polimerek.

Egyéb főbb hidrokolloidok a xantángumi, gumiarábikum, guargumi, szentjánoskenyér-gumi, cellulózszármazékok, például karboxi-metil-cellulóz, alginát és keményítő.

Nagy molekulatömegű anyagok kölcsönhatása más részecskékkel

A következő erők fontos szerepet játszanak a kolloid részecskék kölcsönhatásában:

• Térfogatmentes taszítás: ez a szilárd részecskék közötti átfedés hiányára utal.
• Elektrosztatikus kölcsönhatás: a kolloid részecskék gyakran elektromos töltést hordoznak, ezért vonzzák vagy taszítják egymást. Mind a folyamatos, mind a diszpergált fázisok töltése, valamint a fázisok mobilitása befolyásolja ezt az interakciót.
• Van der Waals erők: ennek oka két állandó vagy indukált dipólus kölcsönhatása. Még akkor is, ha a részecskéknek nincs állandó dipólusa, az elektronsűrűség ingadozása ideiglenes dipólushoz vezet a részecskében.
• Entrópikus erők. A termodinamika második törvénye szerint a rendszer olyan állapotba kerül, amelyben az entrópia maximalizálódik. Ez hatékony erők létrehozásához vezethet még a szilárd gömbök között is.
• Szterikus erők a polimerrel bevont felületek között vagy nem abszorbens analógot tartalmazó oldatokban modulálhatják a részecskék közötti erőket, további szterikus visszataszító erőt hozva létre, amely túlnyomórészt entropikus jellegű, vagy kimerítő erő közöttük.

Ez utóbbi hatást a speciálisan kifejlesztett szuperplasztikátorok segítségével keresik, amelyek célja a beton működőképességének növelése és a víztartalom csökkentése.

Polimer kristályok: hol találkoznak, hogyan néznek ki?

Még a kolloid anyagok kategóriájába tartozó kristályok is nagy molekulatömegű vegyületekhez tartoznak. Ez egy nagyon rendezett részecskék tömbje, amely nagyon nagy távolságban képződik (általában néhány millimétertől egy centiméterig), és hasonlít atomi vagy molekuláris társaikhoz.

Ezek a gömb alakú részecskék erősen kovasavas tartályokban helyezkednek el. Rendkívül rendezett tömböket alkotnak, miután évekig ülepedtek és összenyomódtak a hidrosztatikus és gravitációs erők hatására. A szubmikrométer tartomány gömb alakú részecskéinek periodikus tömbjei hasonló beágyazási üregek tömbjeit biztosítják mint természetes diffrakciós rács látható fényhullámokhoz, különösen akkor, ha a beágyazások közötti távolság ugyanolyan nagyságrendű, mint a beeső fényhullám.

Így kiderült, hogy a visszataszító Coulomb kölcsönhatások miatt az elektromosan töltött makromolekulák vizes közegben nagy hatótávolságú kristályszerű korrelációkat mutathatnak a részecskék közötti távolságokkal, gyakran jelentősen meghaladva az egyes részecskék átmérőjét.

Mindezekben az esetekben a természetes nagy molekulatömegű vegyületek kristályai ugyanolyan ragyogó irizálással (vagy színjátékkal) rendelkeznek, ami a látható fényhullámok diffrakciójának és konstruktív interferenciájának tulajdonítható. Kielégítik Bragg törvényét.

Számos kísérlet az úgynevezett "kolloid kristályok" tanulmányozására az elmúlt 20 évben kifejlesztett viszonylag egyszerű módszerek eredményeként jött létre szintetikus monodiszperz kolloidok előállítására (mindkét polimer, ásványi). Különböző mechanizmusok révén megvalósul a hosszú távú rend kialakulása.

A molekulatömeg meghatározása

A molekulatömeg egy vegyi anyag kritikus tulajdonsága, különösen a polimerek esetében. A minta anyagától függően különböző módszereket választanak ki:

1. A molekulatömeg, valamint a molekulák molekuláris szerkezete tömegspektrometriával határozható meg. A közvetlen infúziós módszer alkalmazásával a mintákat közvetlenül a detektorba injektálhatjuk, hogy megerősítsük egy ismert anyag értékét, vagy egy ismeretlen szerkezeti jellemzőjét biztosítsuk.
2. A polimerek molekulatömegére vonatkozó információk olyan módszerrel határozhatók meg, mint az exkluzív kromatográfia viszkozitás és méret alapján.
3. A polimerek molekulatömegének meghatározásához meg kell érteni a polimer oldhatóságát.

A vegyület teljes tömege megegyezik a molekula egyes atomjainak egyes atomtömegeinek összegével. Az eljárást a következő képlet szerint hajtjuk végre:

1. Határozza meg a molekula molekuláris képletét.
2. A periódusos rendszer segítségével tárja fel a molekula egyes elemeinek atomtömegét.
3. Szorozzuk meg az egyes elemek atomtömegét az elem atomjainak számával a molekulában.
4. A kapott számot a molekuláris képletben az elemszimbólum melletti index képviseli.
5. Tegye össze az összes értéket a molekula minden egyes atomjára.

Példa egy kis molekulatömeg egyszerű kiszámítására: a molekulatömeg megtalálása_{az NH3}, , az első lépés a nitrogén (N) és a hidrogén (H)atomtömegének megkeresése. Tehát H = 1,00794 N = 14,0067.

Ezután szorozzuk meg az egyes atomok atomtömegét a vegyület atomjainak számával. Egy nitrogénatom van (egy atomra nincs index megadva). Három hidrogénatom van, amint azt az index jelzi. Tehát:

• Az anyag molekulatömege = (1 x 14,0067) + (3 x 1,00794)
• Molekulatömeg = 14,0067 + 3,02382
• Eredmény = 17.0305

Példa a CA komplex molekulatömegének kiszámítására₃(PO₄)₂ egy összetettebb számítási lehetőség:

A periódusos rendszerből az egyes elemek atomtömegei a következők:

• Ca = 40.078.
• P = 30,973761.
• O = 15.9994.

A trükkös rész annak kiderítése, hogy az egyes atomok mekkora része van jelen a vegyületben. Három kalcium atom, két foszfor atom és nyolc oxigénatom van. Ha a kapcsolat egy része zárójelben van, szorozza meg az elemszimbólumot közvetlenül követő indexet a zárójelet lezáró indexszel. Tehát:

• Az anyag molekulatömege = (40,078 x 3) + (30,97361 x 2) + (15,9994 x 8).
• A molekulatömeg számlálás után = 120,234 + 61,94722 + 127,9952.
• Eredmény = 310,18.

Analógia útján kiszámítják az elemek összetett alakjait. Néhány közülük több száz értékből áll, így most automatizált gépeket használnak a g/mol összes értékének adatbázisával.