Dabīgs polimērs - formula un pielietojums

2024 Autors: Angel Austin | [email protected]. Pēdējoreiz modificēts: 2023-12-17 05:35

Lielākā daļa mūsdienu būvmateriālu, medikamentu, audumu, sadzīves priekšmetu, iepakojuma un palīgmateriālu ir polimēri. Šī ir vesela savienojumu grupa, kam ir raksturīgas atšķirības. To ir daudz, taču, neskatoties uz to, polimēru skaits turpina pieaugt. Galu galā sintētiskie ķīmiķi katru gadu atklāj arvien jaunas vielas. Tajā pašā laikā dabiskajam polimēram vienmēr bija īpaša nozīme. Kas ir šīs pārsteidzošās molekulas? Kādas ir to īpašības un kādas ir īpašības? Uz šiem jautājumiem atbildēsim raksta gaitā.

Polimēri: vispārīgie raksturlielumi

No ķīmijas viedokļa polimērs tiek uzskatīts par molekulu ar milzīgu molekulmasu: no vairākiem tūkstošiem līdz miljoniem vienību. Tomēr papildus šai iezīmei ir vēl vairākas vielas, pēc kurām vielas var precīzi klasificēt kā dabiskos un sintētiskos polimērus. Tas ir:

• nepārtraukti atkārtojas monomēru vienības, kas ir savienotas, izmantojot dažādas mijiedarbības;
• polimerāzes pakāpei (t.i., monomēru skaitam) jābūt ļoti lielaiaugsts, pretējā gadījumā savienojums tiks uzskatīts par oligomēru;
• noteikta makromolekulas telpiskā orientācija;
• svarīgu fizikālo un ķīmisko īpašību kopums, kas ir unikāls šai grupai.

Kopumā polimēru vielu ir diezgan viegli atšķirt no citām. Lai to saprastu, ir tikai jāaplūko viņa formula. Tipisks piemērs ir plaši pazīstamais polietilēns, ko plaši izmanto ikdienā un rūpniecībā. Tas ir polimerizācijas reakcijas produkts, kurā nokļūst nepiesātinātais ogļūdeņraža etēns vai etilēns. Reakcija vispārīgā formā tiek uzrakstīta šādi:

nCH₂=CH₂→(-CH-CH-) , kur n ir molekulu polimerizācijas pakāpe, kas parāda, cik monomēru vienību ir iekļautas tās sastāvā.

Tāpat kā piemēru var minēt dabīgo polimēru, kas visiem labi zināms, tā ir ciete. Turklāt amilopektīns, celuloze, vistas olb altumvielas un daudzas citas vielas pieder pie šīs savienojumu grupas.

Reakcijas, kas var veidot makromolekulas, ir divu veidu:

• polimerizācija;
• polikondensācija.

Atšķirība ir tāda, ka otrajā gadījumā mijiedarbības produktiem ir zema molekulmasa. Polimēra struktūra var būt dažāda, tā ir atkarīga no atomiem, kas to veido. Bieži sastopamas lineāras formas, taču ir arī trīsdimensiju sieti, kas ir ļoti sarežģīti.

Ja mēs runājam par spēkiem un mijiedarbību, kas satur monomēru vienības, tad mēs varam identificēt vairākus pamata elementus:

• Van Der Vālsspēks;
• ķīmiskās saites (kovalentās, jonu);
• elektrostatiskā mijiedarbība.

Visus polimērus nevar apvienot vienā kategorijā, jo tiem ir pilnīgi atšķirīgs raksturs, veidošanās metode un pilda dažādas funkcijas. Arī to īpašības atšķiras. Tāpēc pastāv klasifikācija, kas ļauj sadalīt visus šīs vielu grupas pārstāvjus dažādās kategorijās. Tas var būt balstīts uz vairākām zīmēm.

Polimēru klasifikācija

Ja par pamatu ņemam molekulu kvalitatīvo sastāvu, tad visas apskatāmās vielas var iedalīt trīs grupās.

1. Organiskās - tie ir tie, kas ietver oglekļa, ūdeņraža, sēra, skābekļa, fosfora, slāpekļa atomus. Tas ir, tie elementi, kas ir biogēni. Ir daudz piemēru: polietilēns, polivinilhlorīds, polipropilēns, viskoze, neilons, dabīgais polimērs - olb altumvielas, nukleīnskābes un tā tālāk.
2. Elementalorganic - tie, kas ietver kādu svešu neorganisku un nebiogēnu elementu. Visbiežāk tas ir silīcijs, alumīnijs vai titāns. Šādu makromolekulu piemēri: organiskais stikls, stikla polimēri, kompozītmateriāli.
3. Neorganiska - ķēdes pamatā ir silīcija atomi, nevis ogleklis. Radikāļi var būt arī daļa no sānu zariem. Tie tika atklāti pavisam nesen, 20. gadsimta vidū. Izmanto medicīnā, celtniecībā, mašīnbūvē un citās nozarēs. Piemēri: silikons, cinobra.

Ja atdala polimērus pēc izcelsmes, varatatlasiet trīs viņu grupas.

1. Dabiski polimēri, kuru izmantošana ir plaši izplatīta kopš senatnes. Tās ir tādas makromolekulas, kuru radīšanai cilvēks nav pielicis nekādas pūles. Tie ir pašas dabas reakciju produkti. Piemēri: zīds, vilna, olb altumvielas, nukleīnskābes, ciete, celuloze, āda, kokvilna utt.
2. Mākslīgs. Tās ir cilvēka radītas makromolekulas, kuru pamatā ir dabiskie analogi. Tas ir, jau esošā dabiskā polimēra īpašības tiek vienkārši uzlabotas un mainītas. Piemēri: mākslīgā gumija, gumija.
3. Sintētiskie - tie ir polimēri, kuru radīšanā piedalās tikai cilvēks. Viņiem nav dabisku analogu. Zinātnieki izstrādā metodes jaunu materiālu sintēzei, kas būtu uzlabojuši tehniskās īpašības. Tā rodas dažādu veidu sintētiskie polimēru savienojumi. Piemēri: polietilēns, polipropilēns, viskoze, acetāta šķiedra utt.

Ir vēl viena iezīme, kas ir pamatā aplūkoto vielu iedalījumam grupās. Tie ir reaktivitāte un termiskā stabilitāte. Šim parametram ir divas kategorijas:

• termoplastiska;
• termoregulators.

Senākais, svarīgākais un īpaši vērtīgākais joprojām ir dabīgais polimērs. Tās īpašības ir unikālas. Tāpēc mēs turpmāk apsvērsim šo konkrēto makromolekulu kategoriju.

Kura viela ir dabisks polimērs?

Lai atbildētu uz šo jautājumu, vispirms paskatīsimies sev apkārt. Kas mūs ieskauj?Dzīvi organismi ap mums, kas barojas, elpo, vairojas, zied un ražo augļus un sēklas. Un ko viņi pārstāv no molekulārā viedokļa? Tie ir savienojumi, piemēram:

• proteīni;
• nukleīnskābes;
• polisaharīdi.

Tātad, katrs no šiem savienojumiem ir dabisks polimērs. Tādējādi izrādās, ka dzīvība mums apkārt pastāv tikai pateicoties šo molekulu klātbūtnei. Kopš seniem laikiem cilvēki mājokļa nostiprināšanai un veidošanai izmantojuši mālu, būvmaisījumus un javas, no vilnas pinuši dziju, apģērbu veidošanā izmantojuši kokvilnu, zīdu, vilnu un dzīvnieku ādu. Dabiskie organiskie polimēri pavadīja cilvēku visos viņa veidošanās un attīstības posmos un daudzējādā ziņā palīdzēja viņam sasniegt tādus rezultātus, kādi mums ir šodien.

Daba pati atdeva visu, lai cilvēku dzīve būtu pēc iespējas ērtāka. Laika gaitā tika atklāta gumija, tika noskaidrotas tās ievērojamās īpašības. Cilvēks ir iemācījies izmantot cieti pārtikā, bet celulozi - tehniskām vajadzībām. Kampars ir arī dabisks polimērs, kas arī ir pazīstams kopš seniem laikiem. Apsveramo savienojumu piemēri ir sveķi, olb altumvielas, nukleīnskābes.

Dabīgo polimēru struktūra

Ne visiem šīs vielu klases pārstāvjiem ir vienāda struktūra. Tādējādi dabiskie un sintētiskie polimēri var būtiski atšķirties. Viņu molekulas ir orientētas tā, lai no enerģētiskā viedokļa būtu visizdevīgāk un ērtāk eksistēt. Tajā pašā laikā daudzas dabiskās sugas spēj uzbriest un procesa gaitā mainās to struktūra. Ir vairāki visizplatītākie ķēdes struktūras varianti:

• lineārs;
• zarots;
• zvaigznes formas;
• dzīvoklis;
• siets;
• lente;
• ķemmes formas.

Makromolekulu mākslīgajiem un sintētiskajiem pārstāvjiem ir ļoti liela masa, milzīgs atomu skaits. Tie ir izveidoti ar īpaši norādītām īpašībām. Tāpēc to struktūru sākotnēji plānoja cilvēks. Dabiskajiem polimēriem visbiežāk ir lineāra vai tīklveida struktūra.

Dabisku makromolekulu piemēri

Dabiskie un mākslīgie polimēri ir ļoti tuvu viens otram. Galu galā pirmais kļūst par pamatu otrā izveidei. Ir daudz šādu transformāciju piemēru. Šeit ir daži no tiem.

1. Parastā pienb altā plastmasa ir produkts, ko iegūst, apstrādājot celulozi ar slāpekļskābi, pievienojot dabīgo kamparu. Polimerizācijas reakcija izraisa iegūtā polimēra sacietēšanu un kļūst par vēlamo produktu. Un plastifikators - kampars, tas karsējot ļauj mīkstināt un mainīt formu.
2. Acetāta zīds, vara-amonjaka šķiedra, viskoze ir piemēri tiem pavedieniem, šķiedrām, kuras iegūst no celulozes. Audumi no dabīgās kokvilnas un lina nav tik izturīgi, nespīdīgi, viegli krokojas. Taču to mākslīgajiem analogiem trūkst šo trūkumu, kas padara to izmantošanu ļoti pievilcīgu.
3. Mākslīgie akmeņi, būvmateriāli, maisījumi, ādas aizstājēji irSkatiet arī piemērus polimēriem, kas iegūti no dabīgām izejvielām.

Vielu, kas ir dabisks polimērs, var izmantot arī tās īstajā formā. Ir arī daudz šādu piemēru:

• kolofonija;
• amber;
• ciete;
• amilopektīns;
• celuloze;
• kažokāda;
• vilna;
• kokvilna;
• zīds;
• cements;
• māls;
• kaļķis;
• proteīni;
• nukleīnskābes un tā tālāk.

Acīmredzot, savienojumu klase, kuru mēs apsveram, ir ļoti daudz, praktiski svarīga un nozīmīga cilvēkiem. Tagad apskatīsim tuvāk vairākus dabisko polimēru pārstāvjus, kas šobrīd ir ļoti pieprasīti.

Zīds un vilna

Dabiskā zīda polimēra formula ir sarežģīta, jo tā ķīmisko sastāvu izsaka šādi komponenti:

• fibroīns;
• sericin;
• vaski;
• tauki.

Pats galvenais proteīns, fibroīns, satur vairāku veidu aminoskābes. Ja iedomājaties tās polipeptīdu ķēdi, tad tā izskatīsies apmēram šādi: (-NH-CH₂-CO-NH-CH(CH₃)- CO-NH-CH₂-CO-)_n. Un šī ir tikai daļa no tā. Ja iedomājamies, ka šai struktūrai ar van der Vāla spēku palīdzību ir pievienota tikpat sarežģīta sericīna proteīna molekula, kas kopā ar vasku un taukiem tiek sajauktas vienā konformācijā, tad ir skaidrs, kāpēc formulu ir grūti attēlot. no dabīgā zīda.

ŠodienMūsdienās lielāko daļu šī produkta piegādā Ķīna, jo tās atklātajās vietās ir dabiska dzīvotne galvenajam ražotājam - zīdtārpiņam. Iepriekš, sākot no vissenākajiem laikiem, dabīgais zīds tika augstu novērtēts. Tikai cēli, bagāti cilvēki varēja atļauties apģērbu no tā. Mūsdienās daudzas šī auduma īpašības atstāj daudz vēlamo. Piemēram, tas ir ļoti magnetizēts un saburzīts, turklāt tas zaudē savu spīdumu un izbalē no saules iedarbības. Tāpēc vairāk tiek izmantoti uz tā balstīti mākslīgie atvasinājumi.

Vilna ir arī dabisks polimērs, jo tā ir dzīvnieku ādas un tauku dziedzeru atkritumu produkts. Pamatojoties uz šo proteīna produktu, top trikotāža, kas, tāpat kā zīds, ir vērtīgs materiāls.

Ciete

Dabiskā polimēru ciete ir augu atkritumi. Viņi to ražo fotosintēzes procesa rezultātā un uzkrājas dažādās ķermeņa daļās. Tā ķīmiskais sastāvs:

• amilopektīns;
• amiloze;
• alfa-glikoze.

Cietes telpiskā struktūra ir ļoti sazarota, nesakārtota. Pateicoties sastāvā iekļautajam amilopektīnam, tas spēj uzbriest ūdenī, pārvēršoties par tā saukto pastu. Šo koloidālo šķīdumu izmanto inženierzinātnēs un rūpniecībā. Šīs vielas izmantošanas jomas ir arī medicīna, pārtikas rūpniecība, tapešu līmju ražošana.

Starp augiem, kas satur maksimālo cietes daudzumu, var atšķirt:

• kukurūza;
• kartupelis;
• rīsi;
• kvieši;
• kasava;
• auzas;
• griķi;
• banāni;
• sorgo.

Uz šī biopolimēra pamata cep maizi, gatavo makaronus, vāra kisseles, graudaugus un citus pārtikas produktus.

Pulpa

No ķīmijas viedokļa šī viela ir polimērs, kura sastāvu izsaka ar formulu (C₆H_{5 O} 5_{) . Monomēra saite ķēdē ir beta-glikoze. Galvenās celulozes satura vietas ir augu šūnu sienas. Tāpēc koksne ir vērtīgs šī savienojuma avots.}

Celuloze ir dabisks polimērs, kam ir lineāra telpiskā struktūra. To izmanto šāda veida produktu ražošanai:

• celulozes un papīra izstrādājumi;
• mākslīgās kažokādas;
• dažāda veida mākslīgās šķiedras;
• kokvilna;
• plastmasa;
• bezdūmu pulveris;
• filmu lentes un tā tālāk.

Acīmredzot, tā rūpnieciskā nozīme ir liela. Lai noteiktu savienojumu varētu izmantot ražošanā, tas vispirms ir jāizņem no augiem. To veic, ilgstoši vārot koksni īpašās ierīcēs. Turpmākā apstrāde, kā arī gremošanai izmantotie reaģenti atšķiras. Ir vairāki veidi:

• sulfīts;
• nitrāts;
• nātrijs;
• sulfāts.

Pēc šīs apstrādes produkts joprojām saturpiemaisījumi. Tā pamatā ir lignīns un hemiceluloze. Lai no tiem atbrīvotos, masu apstrādā ar hloru vai sārmu.

Cilvēka organismā nav tādu bioloģisko katalizatoru, kas spētu sadalīt šo sarežģīto biopolimēru. Tomēr daži dzīvnieki (zālēdāji) ir tam pielāgojušies. Viņu vēderā ir noteiktas baktērijas, kas to dara viņu labā. Savukārt mikroorganismi saņem enerģiju dzīvībai un dzīvotnei. Šis simbiozes veids ir ārkārtīgi izdevīgs abām pusēm.

Gumija

Šis ir dabisks polimērs, kam ir ekonomiska nozīme. To pirmais aprakstīja Roberts Kuks, kurš to atklāja vienā no saviem ceļojumiem. Tas notika šādi. Nokļuvis uz salas, kurā dzīvoja viņam nezināmi pamatiedzīvotāji, viņi viņu viesmīlīgi uzņēma. Viņa uzmanību piesaistīja vietējie bērni, kuri spēlējās ar neparastu priekšmetu. Šis sfēriskais korpuss atsitās no grīdas un uzlēca augstu, pēc tam atgriezās.

Pajautājis vietējiem iedzīvotājiem par to, no kā ir izgatavota šī rotaļlieta, Kuks uzzināja, ka viena no koka – hevea – sula šādā veidā sacietē. Daudz vēlāk tika noskaidrots, ka tas ir gumijas biopolimērs.

Šī savienojuma ķīmiskā būtība ir zināma – tas ir izoprēns, kas ir izgājis dabisko polimerizāciju. Gumijas formula ir (С₅Н₈) . Tā īpašības, kas padara to tik augstu novērtētu, ir šādas:

• elastība;
• nodilumizturīgs;
• elektroizolācija;
• ūdensizturīgs.

Tomēr ir arī trūkumi. Aukstumā tas kļūst trausls un trausls, savukārt karstumā tas kļūst lipīgs un viskozs. Tāpēc radās nepieciešamība sintezēt mākslīgās vai sintētiskās bāzes analogus. Mūsdienās gumijas plaši izmanto tehniskām un rūpnieciskām vajadzībām. Uz tiem balstītie svarīgākie produkti:

• gumijas;
• ebonīti.

Dzintars

Tas ir dabisks polimērs, jo savā struktūrā tie ir sveķi, tā fosilā forma. Telpiskā struktūra ir rāmja amorfs polimērs. Tas ir ļoti viegli uzliesmojošs un to var aizdedzināt ar sērkociņa liesmu. Tam ir luminiscences īpašības. Šī ir ļoti svarīga un vērtīga īpašība, ko izmanto rotaslietās. Rotaslietas uz dzintara bāzes ir ļoti skaistas un pieprasītas.

Turklāt šo biopolimēru izmanto arī medicīniskiem nolūkiem. To izmanto arī, lai izgatavotu smilšpapīru, laku pārklājumus dažādām virsmām.