Związek o dużej masie cząsteczkowej to... Definicja, skład, charakterystyka, właściwości

Związki o dużej masie cząsteczkowej to polimery, które mają dużą masę cząsteczkową. Mogą to być związki organiczne i nieorganiczne. Rozróżnia się związki amorficzne i krystaliczne, które składają się z pierścieni monomerycznych. Te ostatnie to makrocząsteczki połączone ze sobą wiązaniami chemicznymi i koordynacyjnymi. Najprościej mówiąc, związek o dużej masie cząsteczkowej to polimer, czyli substancja monomeryczna, która nie zmienia swojej masy, gdy ta sama "ciężki" substancje. Inaczej odnosi się do oligomeru.

Co bada nauka o związkach wysokocząsteczkowych?

Chemia polimerów o dużej masie cząsteczkowej zajmuje się badaniem łańcuchów molekularnych złożonych z podjednostek monomeru. Uwzględnia to rozległą dziedzinę nauki. Wiele polimerów ma istotne znaczenie przemysłowe i handlowe. W Ameryce odkrycie gazu ziemnego zbiegło się z rozpoczęciem dużego projektu budowy instalacji polietylenu. Etan z gaz ziemny staje się etylenem, monomerem, z którego można wytworzyć polietylen.

Polimer jako związek o dużej masie cząsteczkowej to:

• Każda z klas substancji naturalnych lub syntetycznych składających się z bardzo dużych cząsteczek zwanych makrocząsteczkami.
• Zestaw prostszych jednostek chemicznych zwanych monomerami.
• Polimery tworzą wiele materiałów w organizmach żywych, w tym na przykład białka, celulozę i kwasy nukleinowe.
• Stanowią one również podstawę minerałów, takich jak diament, kwarc i skaleń, a także materiałów sztucznych, takich jak beton, szkło, papier, tworzywa sztuczne i gumy.

Słowo "polimer" Oznacza nieokreśloną liczbę jednostek monomeru. Gdy liczba monomerów jest bardzo duża, związek taki nazywany jest czasem polimerem wysokopolimerowym. Nie jest ograniczony do monomerów o tym samym składzie chemicznym lub masie cząsteczkowej i strukturze. Niektóre naturalne związki organiczne o dużej masie cząsteczkowej składają się z jednego rodzaju monomeru.

Jednak większość naturalnych i syntetycznych polimerów powstaje z dwóch lub więcej różnych rodzajów monomerów; polimery te znane są jako kopolimery.

Substancje naturalne: jaką rolę odgrywają w naszym życiu?

Organiczne związki wysokocząsteczkowe odgrywają kluczową rolę w życiu człowieka, dostarczając podstawowych materiałów konstrukcyjnych i uczestnicząc w procesach życiowych.

• Na przykład ciała stałe wszystkich roślin są polimerami. Należą do nich celuloza, lignina i różne żywice.
• Celuloza jest polisacharydem, polimerem składającym się z cząsteczek cukru.
• Lignina jest utworzona ze złożonej trójwymiarowej sieci polimerów.
• Żywice drzewne są polimerami prostego węglowodoru - izoprenu.
• Innym znanym polimerem izoprenowym jest kauczuk.

Inne ważne polimery naturalne to białka, które są polimerami aminokwasów, oraz kwasy nukleinowe. Są one rodzajem nukleotydu. Są to złożone cząsteczki składające się z zasad azotowych, cukrów i kwasu fosforowego.

Kwasy nukleinowe przenoszą informację genetyczną w komórce. Skrobia, ważne źródło energii w diecie pochodzące z roślin, jest naturalnym polimerem składającym się z glukozy.

Chemia związków wielkocząsteczkowych wyróżnia polimery nieorganiczne. Występują one również w przyrodzie, m.in. w postaci diamentu i grafitu. Oba są wykonane z węgla. Warto wiedzieć:

• W diamencie atomy węgla są połączone w trójwymiarową sieć, która nadaje materiałowi twardość.
• W graficie, stosowanym jako smar i w ołówkach, atomy węgla są połączone w płaszczyzny, które mogą się wzajemnie przesuwać.

Wiele ważnych polimerów zawiera w łańcuchu głównym oprócz atomów węgla także atomy tlenu lub azotu. Do takich materiałów wielkocząsteczkowych z atomami tlenu należą poliacetale.

Najprostszym poliacetalem jest poliformaldehyd. Ma wysoką temperaturę topnienia, jest krystaliczny i odporny na ścieranie i rozpuszczalniki. Żywice acetalowe są bardziej podobne do metalu niż jakiekolwiek inne tworzywa sztuczne i są stosowane w produkcji części maszyn, takich jak koła zębate i łożyska.

Substancje wytworzone przez człowieka

Syntetyczne związki wielkocząsteczkowe powstają w wyniku różnego rodzaju reakcji:

1. Wiele prostych węglowodorów, takich jak etylen i propylen, można przekształcić w polimery poprzez dodawanie jednego monomeru po drugim do rosnącego łańcucha.
2. Polietylen, składający się z powtarzających się monomerów etylenu, jest polimerem dodatkowym. Może mieć do 10 000 monomerów połączonych w długie spiralne łańcuchy. Polietylen jest krystaliczny, półprzezroczysty i termoplastyczny, co oznacza, że mięknie po podgrzaniu. Stosowany jest do powłok, opakowań, elementów formowanych oraz butelek i pojemników.
3. Polipropylen jest również krystaliczny i termoplastyczny, ale twardszy od polietylenu. Jego cząsteczki mogą być zbudowane z 50 000-200 000 monomerów.

Związek ten jest stosowany w przemyśle włókienniczym i do produkcji przedmioty formowane.

Do innych polimerów addytywnych należą:

• polibutadien;
• poliizopren;
• polichloropren.

Wszystkie one są ważne w produkcji kauczuków syntetycznych. Niektóre polimery, jak np. polistyren, są w temperaturze pokojowej szkliste i przezroczyste oraz termoplastyczne:

1. Polistyren może być barwiony na dowolny kolor i jest stosowany w zabawkach i innych przedmiotach z tworzyw sztucznych.
2. Jeśli jeden atom wodoru w etylenie zostanie zastąpiony atomem chloru, powstanie chlorek winylu.
3. Polimeryzuje w polichlorek winylu (PVC), bezbarwny, twardy, sztywny, termoplastyczny materiał, który może być produkowany w wielu formach, w tym pianek, folii i włókien.
4. Octan winylu, otrzymywany w reakcji między etylenem i kwasem octowym, polimeryzuje do amorficznych, miękkich żywic, stosowanych jako powłoki i kleje.
5. Kopolimeryzuje z chlorkiem winylu tworząc dużą rodzinę materiałów termoplastycznych.

Polimer liniowy charakteryzujący się powtarzalnością grup estrowych wzdłuż łańcucha głównego nazywany jest poliestrem. Polietyleny o otwartym łańcuchu są bezbarwnymi, krystalicznymi, termoplastycznymi materiałami. Te syntetyczne związki o dużej masie cząsteczkowej (10 000 do 15 000 cząsteczek) są stosowane do produkcji folii.

Rzadkie poliamidy pochodzenia syntetycznego

Poliamidy obejmują naturalnie występujące białka: kazeinę, występującą w mleku, i zeinę, występującą w kukurydzy, z których wytwarza się tworzywa sztuczne, włókna, kleje i powłoki. Warto zwrócić uwagę na:

• Do poliamidów syntetycznych należą żywice mocznikowo-formaldehydowe, które są termoutwardzalne. Stosuje się je w przedmiotach formowanych, a także do klejenia i powlekania tekstyliów i papieru.
• Ważne są również żywice poliamidowe znane jako nylon. Są one mocne, odporne na ciepło i ścieranie, nietoksyczne. Można je pomalować. Najbardziej znane są z zastosowania jako włókna tekstylne, ale mają też Jest wiele inne funkcje.

Inna ważna rodzina syntetycznych związków chemicznych o dużej masie cząsteczkowej składa się z liniowych powtórzeń grupy uretanowej. Poliuretany są stosowane w produkcji włókien elastomerowych znanych jako spandex oraz w produkcji podstawy dla powłoki.

Inną klasą polimerów są mieszane związki organiczno-nieorganiczne:

1. Najważniejszymi przedstawicielami tej rodziny polimerów są silikony. Związki o dużej masie cząsteczkowej składają się z naprzemiennie występujących atomów krzemu i tlenu z grupami organicznymi przyłączonymi do każdego z atomów krzemu.
2. Silikony o niskiej masie cząsteczkowej to oleje i smary.
3. Gatunki o wyższej masie cząsteczkowej są uniwersalnie elastyczne i pozostają miękkie nawet w bardzo niskich temperaturach. Są one również stosunkowo stabilne w wysokich temperaturach.

Polimer może być trójwymiarowy, dwuwymiarowy i pojedynczy. Jednostki powtarzające się często składają się z węgla i wodoru, a czasem z tlenu, azotu, siarki, chloru, fluoru, fosforu i krzemu. Aby stworzyć łańcuch, wiele ogniw jest ze sobą chemicznie połączonych lub spolimeryzowanych, co zmienia właściwości związków o dużej masie cząsteczkowej.

Jakie są specyficzne cechy substancji o dużej masie cząsteczkowej?

Większość produkowanych polimerów jest termoplastyczna. Po uformowaniu polimeru można go ogrzać i ponownie zreformować. Ta właściwość pozwala na łatwe przetwarzanie. Inna grupa materiałów termoutwardzalnych nie może być przetapiana: po uformowaniu polimerów ponowne ogrzewanie prowadzi do rozkładu, ale nie do stopienia.

Charakterystyka wysokocząsteczkowych związków polimerowych na przykładzie opakowań

1. Może być wysoce odporny na działanie chemikaliów. Rozważ wszystkie płyny do czyszczenia w swoim domu, które są pakowane w plastikowe opakowania. Opisać wszystkie konsekwencje w przypadku kontaktu z oczami, ale skórą. Jest to niebezpieczna kategoria polimerów, która rozpuszcza wszystko.
2. Podczas gdy rozpuszczalniki łatwo deformują niektóre tworzywa sztuczne, inne tworzywa są umieszczane w nietłukących się opakowaniach dla agresywnych rozpuszczalników. Nie są one szkodliwe, a mogą zaszkodzić jedynie człowiekowi.
3. Roztwory związków o dużej masie cząsteczkowej najczęściej dostarczane są w prostych plastikowych torebkach, aby zmniejszyć procent interakcji z substancjami znajdującymi się wewnątrz pojemnika.

Ogólnie rzecz biorąc, polimery są bardzo lekkie przy zachowaniu znacznej wytrzymałości. Weźmy pod uwagę zakres zastosowań, od zabawek do konstrukcji szkieletowej stacji kosmicznych, lub od cienkich włókien nylonowych w rajstopach do Kevlaru, który jest używany w pancerzach. Niektóre polimery pływają w wodzie, inne toną. W porównaniu z gęstością kamienia, betonu, stali, miedzi czy aluminium wszystkie tworzywa sztuczne są materiałami lekkimi.

Właściwości związków o dużej masie cząsteczkowej są różne:

1. Polimery mogą służyć jako izolatory termiczne i elektryczne: urządzenia, kable, gniazdka elektryczne i przewody, które są wykonane lub pokryte polimerami.
2. Odporność termiczna urządzeń w kuchni uchwyty do garnków i patelni wykonane z polimerów, uchwyty do dzbanków do kawy, tworzywa piankowe do lodówek i zamrażarek, izolowane kubki, chłodnice i naczynia do kuchenki mikrofalowej.
3. Bielizna termiczna noszona przez wielu narciarzy jest wykonana z polipropylenu, natomiast włókna w kurtkach zimowych są wykonane z akrylu i poliestru.

Związki o dużej masie cząsteczkowej to substancje o nieskończonej gamie cech i kolorów. Mają wiele właściwości, które mogą być dodatkowo wzmocnione przez szeroką gamę dodatków rozszerzających ich zastosowanie. Polimery mogą być podstawą do imitacji bawełny, jedwabiu i wełny, porcelany i marmuru, aluminium i cynku. W przemyśle spożywczym stosuje się je w celu nadania grzybom właściwości jadalnych. Na przykład drogi niebieski ser. Można go bezpiecznie spożywać dzięki obróbce polimerowej.

Przetwarzanie i stosowanie struktur polimerowych

Polimery mogą być przetwarzane w różny sposób:

• Wytłaczanie umożliwia produkcję cienkich włókien lub ciężkich, masywnych rur, folii, butelek na żywność.
• Formowanie wtryskowe umożliwia wykonywanie skomplikowanych elementów, np. dużych części karoserii samochodowych.
• Tworzywa sztuczne mogą być formowane w bębny lub mieszane z rozpuszczalnikami, aby stać się materiałem nośnym kleju lub farbami.
• Elastomery i niektóre tworzywa sztuczne mogą być rozciągane i są elastyczne.
• Niektóre tworzywa sztuczne są rozszerzane podczas przetwarzania, aby zachować swój kształt, np. butelki na wodę pitną.
• Inne polimery mogą być spieniane, na przykład polistyren, poliuretan i polietylen.

Właściwości związków o dużej masie cząsteczkowej zmieniają się w zależności od działania mechanicznego i sposobu wykonania substancji. Dzięki temu nadają się one do szerokiego zakresu zastosowań przemysłowych. Podstawowe związki o dużej masie cząsteczkowej mają szerszy zakres zastosowań niż związki o specyficznych właściwościach i metodach produkcji. Wszechstronny i "kapryśna" "odnaleźć się" w branży spożywczej i budowlanej:

1. Związki o dużej masie cząsteczkowej składają się z oleju, ale nie zawsze.
2. Wiele polimerów jest wytwarzanych z powtarzających się jednostek utworzonych wcześniej z gazu ziemnego, węgla lub ropy naftowej.
3. Niektóre materiały budowlane są tworzone z materiałów odnawialnych, takich jak kwas polimlekowy (z kukurydzy lub celulozy i kłaczków bawełnianych).

Co również ciekawe, praktycznie nie da się ich zastąpić niczym innym:

• Polimery mogą być stosowane do elementów, które nie mają alternatywy w innych materiałach.
• Są one przekształcane w przezroczyste, wodoodporne folie.
• Z PCW wykonuje się rurki medyczne i worki na krew, które przedłużają trwałość produktu i jego pochodnych.
• PVC bezpiecznie dostarcza palny tlen w niepalnych elastycznych przewodach.
• A materiał antytrombogenny taki jak heparyna może być włączony do kategorii cewników elastycznych z PVC.

Wiele wyrobów medycznych koncentruje się na cechach strukturalnych związków o dużej masie cząsteczkowej, aby działać skutecznie.

Roztwory substancji o dużej masie cząsteczkowej i ich właściwości

Ponieważ wielkość fazy rozproszonej jest trudna do zmierzenia, a koloidy mają postać zbliżoną do roztworu, bywają identyfikowane i charakteryzowane na podstawie właściwości fizykochemicznych i transportowych.

Hydrokoloid definiuje się jako układ koloidalny, w którym cząstki związku o dużej masie cząsteczkowej są hydrofilowymi polimerami rozproszonymi w wodzie.

Inne główne hydrokoloidy to guma ksantanowa, guma arabska, guma guar, guma karobowa, pochodne celulozy, takie jak karboksymetyloceluloza, alginian i skrobia.

Oddziaływanie substancji o dużej masie cząsteczkowej z innymi cząsteczkami

W oddziaływaniu cząstek koloidalnych ważną rolę odgrywają następujące siły

• Odpychanie niezależne od objętości: odnosi się do braku nakładania się ciał stałych.
• Oddziaływanie elektrostatyczne: cząstki koloidalne często posiadają ładunek elektryczny i dlatego przyciągają się lub odpychają. Ładunek zarówno fazy ciągłej, jak i rozproszonej, a także ruchliwość faz są czynnikami wpływającymi na to oddziaływanie.
• Siły Van der Waalsa: wynikają z oddziaływania pomiędzy dwoma dipolami, które są trwałe lub indukowane. Nawet jeśli cząstki nie mają stałego dipola, to fluktuacje gęstości elektronów prowadzą do powstania chwilowego dipola w cząstce.
• Siły entropiczne. Zgodnie z drugim prawem termodynamiki, układ wchodzi w stan, w którym entropia jest maksymalna. Może to prowadzić do generowania efektywnych sił nawet pomiędzy litymi kulami.
• Siły steryczne pomiędzy powierzchniami pokrytymi polimerami lub w roztworach zawierających analog nieadsorbentu mogą modulować siły międzycząsteczkowe, tworząc dodatkową steryczną siłę odpychającą, która ma zasadniczo charakter entropijny, lub siłę zubożającą pomiędzy nimi.

Ten ostatni efekt starają się uzyskać specjalnie opracowane superplastyfikatory, mające na celu zwiększenie urabialności betonu i zmniejszenie zawartości wody w nim.

Kryształy polimerów: gdzie występują, jak wyglądają?

Nawet kryształy, które należą do kategorii substancji koloidalnych, należą do związków o dużej masie cząsteczkowej. Jest to wysoce uporządkowana masa cząsteczek, które tworzą się na bardzo dużej odległości (zwykle rzędu kilku milimetrów do jednego centymetra) i wyglądają podobnie do swoich atomowych lub molekularnych odpowiedników.

Te kuliste cząstki są osadzone w zbiornikach o wysokiej zawartości krzemionki. Tworzą one wysoce uporządkowane masywy po latach sedymentacji i kurczenia się pod wpływem działania sił hydrostatycznych i grawitacyjnych. Okresowe układy cząstek sferycznych w zakresie submikrometrowym zapewniają podobne układy pustych przestrzeni, które działają jak jako naturalny siatka dyfrakcyjna dla fal światła widzialnego, zwłaszcza gdy odległość między osadzeniami jest tego samego rzędu co padająca fala świetlna.

Stwierdzono więc, że z powodu odpychających oddziaływań Coulomba, elektrycznie naładowane makrocząsteczki w mediach wodnych mogą wykazywać długozasięgowe krystaliczne korelacje, przy czym odległości między cząsteczkami są często znacznie większe niż średnica poszczególnych cząsteczek.

We wszystkich tych przypadkach kryształy naturalnego związku o dużej masie cząsteczkowej mają tę samą błyskotliwą iryzację (lub grę kolorów), którą można przypisać dyfrakcji i strukturalnej interferencji fal światła widzialnego. Spełniają one prawo Bragga.

Duża liczba eksperymentów dotyczących tzw. kryształów koloidalnych powstała w wyniku opracowanych w ciągu ostatnich 20 lat stosunkowo prostych metod otrzymywania syntetycznych monodyspersyjnych koloidów (zarówno polimerowe, jak i mineralne). Kształtowanie się porządku dalekiego zasięgu jest realizowane i utrzymywane poprzez różne mechanizmy.

Określenie masy cząsteczkowej

Masa cząsteczkowa jest krytyczną właściwością substancji chemicznej, zwłaszcza polimerów. W zależności od materiału próbki można zastosować różne metody:

1. Masę cząsteczkową, jak również strukturę cząsteczek, można określić za pomocą spektrometrii masowej. Stosując metodę bezpośredniej infuzji, próbki mogą być wstrzykiwane bezpośrednio do detektora w celu potwierdzenia wartości znanego materiału lub zapewnienia charakterystyki strukturalnej nieznanego.
2. Informacja o masie cząsteczkowej polimerów może być określona za pomocą techniki takiej jak lepkość i chromatografia wykluczania rozmiaru.
3. Aby określić ciężar cząsteczkowy polimerów, konieczne jest zrozumienie rozpuszczalności danego polimeru.

Całkowita masa związku jest równa sumie indywidualnych mas atomowych każdego atomu w cząsteczce. Zabieg wykonywany jest według wzoru:

1. Określenie wzoru cząsteczkowego cząsteczki.
2. Wykorzystaj układ okresowy do określenia masy atomowej każdego pierwiastka w cząsteczce.
3. Pomnożyć masę atomową każdego pierwiastka przez liczbę atomów tego pierwiastka w cząsteczce.
4. Otrzymana liczba jest reprezentowana przez dolny indeks obok symbolu pierwiastka we wzorze molekularnym.
5. Połącz wszystkie wartości dla każdego pojedynczego atomu w cząsteczce.

Przykład prostego obliczenia małej masy cząsteczkowej: Aby znaleźć masę cząsteczkową NH₃, pierwszym krokiem jest znalezienie mas atomowych azotu (N) i wodoru (H). Zatem H = 1,00794N = 14,0067.

Następnie należy pomnożyć masę atomową każdego atomu przez liczbę atomów w związku. Jest jeden atom azotu (dla jednego atomu nie podano indeksu dolnego). Istnieją trzy atomy wodoru, jak wskazuje dolny indeks. A więc:

• Masa cząsteczkowa substancji = (1 x 14,0067) + (3 x 1,00794)
• Masa cząsteczkowa = 14,0067 + 3,02382
• Wynik = 17,0305

Przykład obliczenia złożonej masy cząsteczkowej Ca₃(PO₄)₂ - to bardziej skomplikowana wersja obliczeń:

Na podstawie układu okresowego podaj masy atomowe poszczególnych pierwiastków:

• Ca = 40,078.
• P = 30,973761.
• O = 15.9994.

W części złożonej dowiadujemy się, ile każdego atomu jest obecne w związku. Istnieją trzy atomy wapnia, dwa atomy fosforu i osiem atomów tlenu. Jeśli część związku jest w nawiasach, to należy pomnożyć indeks dolny bezpośrednio po symbolu elementu przez indeks dolny zamykający nawiasy. A więc:

• Masa cząsteczkowa substancji = (40,078 x 3) + (30,97361 x 2) + (15,9994 x 8).
• Masa cząsteczkowa po obliczeniu = 120,234 + 61,94722 + 127,9952.
• Wynik = 310,18.

Formy złożone pierwiastków oblicza się przez analogię. Niektóre z nich składają się z setek wartości, dlatego obecnie stosuje się zautomatyzowane maszyny z bazą danych wszystkich wartości g/mol.