Полимеризация

Полимеры - высокомолекулярные соединения, молекулы которых состоят из множества повторяющихся структурных звеньев (белки, нуклеиновые кислоты, целлюлоза, крахмал, каучук и другие органические вещества).

Основные понятия
Низкомолекулярные соединения, из которых образуются полимеры, называются мономерами.
Например, пропилен СН2=СH–CH3 является мономером полипропилена:
Группа атомов, многократно повторяющаяся в цепной макромолекуле, называется ее структурным звеном.
...-CH2-CHCl-CH2-CHCl-CH2-CHCl-CH2-CHCl-CH2-CHCl-...
В формуле макромолекулы это звeно обычно выделяют скобками: (-CH2-CHCl-)n

Основные понятия
Степень полимеризации — это число, показывающее сколько молекул мономера соединилось в макромолекулу.
В формуле макромолекулы степень полимеризации обычно обозначается индексом "n" за скобками, включающими в себя структурное (мономерное) звено:
n >> 1
Молекулярная масса макромолекулы связана со степенью полимеризации соотношением:
М(макромолекулы) = M(звена) • n, где n - степень полимеризации, M - относительная молекулярная масса
*

Стереорегулярные
Нестереорегулярные
Полимеры с произвольным чередованием звеньев
Полимеры с чередованием звеньев в определенном порядке
Эластичность
Цис-форма
Транс-форма
Стереорегулярность

*
1. Заместители R расположены по одну сторону от плоскости главной цепи:
2. Заместители R находятся по разные стороны от главной цепи:
Пример отрезка цепи, включающего 4 звена, соединенных по типу "голова-хвост".

Органические
(белок)
Неорганические
(селен,
теллур)
Элементо-
Органические
(силикон)
Это такие полимеры, которые в основной цепи содержат атомы не углерода, а других химических элементов
Состав основной цепи

Термопластичные
(обратимо твердеют
и размягчаются)
Термореактивные
(Вещество нельзя
возвратить в
вязко-текучее состояние
нагреванием
или растворением)
Отношение к нагреванию

Природное
Искусственное
Синтетическое
Происхождение

Высокомолекулярные соединения
Особую, очень важную, группу органических веществ составляют высокомолекулярные соединения (полимеры).
Масса их молекул достигает нескольких десятков тысяч и даже миллионов.
Какова роль этих соединений?
Во-первых, полимерные вещества являются основой Жизни на Земле.
Органические природные полимеры – биополимеры – обеспечивают процессы жизнедеятельности всех животных и растительных организмов.
*

Биополимеры
*
основные типы биополимеров
нуклеиновые кислоты
(ДНК, РНК)
белки
полипептиды
полисахариды
( целлюлоза,
крахмал,
гликоген)
полиизопрены
(натур.каучук,
гуттаперча
и т.д.)

Структурная организация белков.
Первичная структура - определенная последовательность α- аминокислотных остатков в полипептидной цепи.
Вторичная структура - конформация полипептидной цепи, закрепленная множеством водородных связей между группами N-H и С=О. Одна из моделей вторичной структуры - α-спираль.
Другая модель - β-форма ("складчатый лист"), в которой преобладают межцепные (межмолекулярные) Н-связи.

Структурная организация белков.
Третичная структура - форма закрученной спирали в пространстве, образованная главным образом за счет дисульфидных мостиков -S-S-, водородных связей, гидрофобных и ионных взаимодействий.
*
Четвертичная структура - агрегаты нескольких белковых макромолекул (белковые комплексы), образованные за счет взаимодействия разных полипептидных цепей

Высокомолекулярные соединения
Интересно, что из множества возможных вариантов Природа "выбрала" всего 4 типа полимеров:
Во-вторых, благодаря особым, только для них характерным свойствам, полимеры (синтетические, искусственные и некоторые природные) широко используются при изготовлении самых разнообразных материалов:
*
п о л и м е р н ы е м а т е р и а л ы
пластмассы
каучуки
плёнки
волокна
лаки
клеи

Композиционные материалы
Полимеры применяются для получения композиционных материаловПолимеры применяются для получения композиционных материалов, ионообменных смол (полиэлектролитов) …
Композиционный материал (композит) - это материал, в котором наряду с основным веществом содержатся упрочняющие или модифицирующие компоненты.
В состав композита входят: связующее вещество (обычно полимер), наполнитель, пластификаторы, свето- и термостабилизаторы, красители и т.п.
Прочность полимерных композиций, содержащих наполнитель, обусловлена дополнительными силами, связывающими наполнитель с полимером за счет адгезии (прилипания).

Композиционные материалы
Вот некоторые примеры наполнителей в композитах:
сажа в резине,
ткань в текстолите,
бумага в гетинаксе,
стеклоткань и стекловолокно в стеклопластиках,
металлы (порошок или нити) в металлополимерах,
взрывчатые вещества (порох) в твердом ракетном топливе,
нитевидные монокристаллы Al2O3, карбидов кремния и бора, графита и т.д. в особо прочных материалах для космической техники.
*

*
Способы получения
Поликонденсация
Это химический процесс соединения исходных молекул мономера в макромолекулы полимера, идущий с образованием побочного низкомолекулярного продукта (чаще всего воды)
Полимеризация
Это химический процесс соединения множества исходных молекул низкомолекулярного вещества (мономера) в крупные молекулы (макромолекулы) полимера.

Гомополимеризация – соединение молекул одного мономера
Сополиконденсация– соединение молекул двух и более исходных веществ
Гомополиконденсация – соединение молекул одного мономера
Способы получения

Форма макромолекул
Линейная
Разветвлённая
Пространственная
Изогнутая
(волокна, сера
пластическая)
Скрученная
(каучуки)
(крахмал,
полиэтилен УР)
(резина,
кварц)

*
Каучуки
Каучуки — натуральные или синтетические материалы, характеризующиеся эластичностью, водонепроницаемостью и электроизоляционными свойствами, из которых путём специальной обработки получают резину. Природный каучук получают из жидкости молочно-белого цвета, называемой латексом, — млечного сока каучуконосных растений.
В технике из каучуков изготовляют шины для автотранспорта, самолётов, велосипедов; каучуки применяют для электроизоляции, а также производства промышленных товаров и медицинских приборов.

*
Открытие натурального каучука
Каучук существует столько лет, сколько и сама природа. Окаменелые остатки каучуконосных деревьев, которые были найдены, имеют возраст около трёх миллионов лет. Каучук на языке индейцев тупи-гуарани означает «слёзы дерева». Каучуковые шары из сырой резины найдены среди руин цивилизаций инков и майя в Центральной и Южной Америке, возраст этих шаров не менее 900 лет.
Первое знакомство европейцев с натуральным каучуком произошло пять веков назад. Собственно, история каучука началась, как ни странно, с детского мячика и школьной резинки.

*
В 1770 году британский химик Джозеф Пристли (Joseph Priestley) впервые нашёл ему применение: он обнаружил, что каучук может стирать то, что написано графитовым карандашом. Тогда такие куски каучука называли гуммиэластиком («смолой эластичной»).
В 1791 году английский фабрикант Самуэль Пил (Samuel Peal) запатентовал способ сделать одежду водонепроницаемой с помощью обработки её раствором каучука в скипидаре.
Во Франции к 1820 г. научились изготовлять подтяжки и подвязки из каучуковых нитей, сплетённых с тканью.

*
Первая резина
В 1834 году немецкий химик Фридрих Людерсдорф (Friedrich Ludersdorf) и американский химик Натаниель Хейвард (Nathaniel Hayward) обнаружили, что добавление серы к каучуку уменьшает или даже вовсе устраняет липкость изделий из каучука. Через некоторое время он обнаружил кожеподобный материал — резину. Этот процесс был назван вулканизацией. Открытие резины привело к широкому её применению: к 1919 году было предложено уже более 40 000 различных изделий из резины.

*
Состав и строение натурального каучука
Натуральный (природный) каучук (НК) представляет собой высокомолекулярный непредельный углеводород, молекулы которого содержат большое количество двойных связей; состав его может быть выражен формулой (C5H8)n (где величина n составляет от 1000 до 3000); он является полимером изопрена:

*
Получение синтетического каучука
В разработке синтеза каучука Лебедев пошёл по пути подражания природе. Поскольку натуральный каучук — полимер диенового углеводорода, то Лебедев воспользовался также диеновым углеводородом, только более простым и доступным — бутадиеном
Сырьём для получения бутадиена служит этиловый спирт. Получение бутадиена основано на реакциях дегидрирования и дегидратации спирта.

*
Получение синтетического каучука
Эти реакции идут одновременно при пропускании паров спирта над смесью соответствующих катализаторов:
В качестве катализатора полимеризации 1,3-бутадиена С. В. Лебедев выбрал металлический натрий, впервые применённый для полимеризации непредельных углеводородов русским химиком А. А. Кракау.

Пластмассы и волокна
Обычно полимеры редко используют в чистом виде. Как правило из них получают полимерные материалы. К числу последних относятся пластмассы и волокна.
Пластмасса – это материал, в котором связующим компонентом служит полимер, а остальные составные части – наполнители, пластификаторы, красители, противоокислители и др. вещества.

Особая роль отводится наполнителям, которые
добавляют к полимерам. Они повышают
прочность и жёсткость полимера, снижают его себестоимость.
В качестве наполнителей могут быть стеклянные волокна, опилки, цементная пыль, бумага, асбест и др.
Поэтому такие пластмассы, как, например,
полиэтилен, поливинилхлорид, полистирол,
фенолформальдегидные, широко
применяются в различных отраслях
промышленности,
сельского хозяйства,
в медицине, культуре,
в быту.
Пластмассы

Волокна – это вырабатываемые из природных или синтетических полимеров длинные гибкие нити, из которых изготавливается пряжа и другие текстильные изделия.
Волокна подразделяются на природные и химические. Природные, или натуральные, волокна - это материалы животного
или растительного происхождения: шёлк, шерсть, хлопок, лён.
Волокна

Химические волокна получают путём химической переработки природных (прежде всего целлюлозы) или синтетических полимеров.
К химическим волокнам относятся вискозные, ацетатные волокна, а также капрон, нейлон, лавсан и многие другие.
Волокна