Hoë molekulêre gewig verbindings is polimere wat 'n groot molekulêre gewig het. Hulle kan organiese en anorganiese verbindings wees. Onderskei tussen amorfe en kristallyne stowwe, wat uit monomere ringe bestaan. Laasgenoemde is makromolekules wat deur chemiese en koördinasiebindings verbind word. In eenvoudige terme, 'n hoë-molekulêre verbinding is 'n polimeer, dit wil sê, monomere stowwe wat nie hul massa verander wanneer dieselfde "swaar" stof aan hulle geheg word. Andersins sal ons oor die oligomeer praat.
Wat bestudeer die wetenskap van makromolekulêre verbindings?
Die chemie van makromolekulêre polimere is die studie van molekulêre kettings wat uit monomere subeenhede bestaan. Dit dek 'n groot gebied van navorsing. Baie polimere is van groot industriële en kommersiële belang. In Amerika is saam met die ontdekking van aardgas’n groot projek van stapel gestuur om’n aanleg vir die vervaardiging van poliëtileen te bou. Etaan van aardgas word omgeskakelin etileen, die monomeer waaruit poliëtileen gemaak kan word.
'n Polimeer as 'n makromolekulêre verbinding is:
- Enige van 'n klas natuurlike of sintetiese stowwe wat bestaan uit baie groot molekules wat makromolekules genoem word.
- Baie eenvoudiger chemiese eenhede genoem monomere.
- Polimere maak uit baie materiale in lewende organismes, insluitend, byvoorbeeld, proteïene, sellulose en nukleïensure.
- Boonop vorm dit die basis van minerale soos diamant, kwarts en veldspaat, asook mensgemaakte materiale soos beton, glas, papier, plastiek en rubbers.
Die woord "polimeer" dui op 'n onbepaalde aantal monomeereenhede. Wanneer die hoeveelheid monomere baie hoog is, word daar soms na die verbinding verwys as hoë polimeer. Dit is nie beperk tot monomere met dieselfde chemiese samestelling of molekulêre gewig en struktuur nie. Sommige natuurlike hoë molekulêre gewig organiese verbindings is saamgestel uit 'n enkele tipe monomeer.
Die meeste natuurlike en sintetiese polimere word egter uit twee of meer verskillende tipes monomere gevorm; sulke polimere staan bekend as kopolimere.
Natuurlike stowwe: wat is hul rol in ons lewens?
Organiese hoë molekulêre gewig organiese verbindings speel 'n deurslaggewende rol in mense se lewens, verskaf basiese strukturele materiale en neem deel aan lewensbelangrike prosesse.
- Byvoorbeeld, die soliede dele van alle plante bestaan uit polimere. Dit sluit sellulose, lignien en verskeie harse in.
- Pulp ispolisakkaried, 'n polimeer wat uit suikermolekules bestaan.
- Lignien word gevorm uit 'n komplekse driedimensionele netwerk van polimere.
- Boomharse is polimere van 'n eenvoudige koolwaterstof, isopreen.
- Nog 'n bekende isopreen-polimeer is rubber.
Ander belangrike natuurlike polimere sluit proteïene in, wat polimere van aminosure is, en nukleïensure. Hulle is tipes nukleotiede. Dit is komplekse molekules wat bestaan uit stikstofbevattende basisse, suikers en fosforsuur.
Nukleinsure dra die genetiese inligting in die sel. Stysels, 'n belangrike bron van dieetenergie van plante, is natuurlike polimere wat uit glukose bestaan.
Chemie van makromolekulêre verbindings stel anorganiese polimere vry. Hulle word ook in die natuur aangetref, insluitend diamant en grafiet. Albei is van koolstof gemaak. Die moeite werd om te weet:
- In 'n diamant is koolstofatome in 'n driedimensionele netwerk verbind wat die materiaal sy hardheid gee.
- In grafiet, gebruik as smeermiddel en in potlood "leads", bind koolstofatome in vlakke wat oor mekaar kan gly.
Baie belangrike polimere bevat suurstof- of stikstofatome sowel as koolstofatome in die ruggraat. Sulke makromolekulêre materiale met suurstofatome sluit poliacetale in.
Die eenvoudigste poliasetaal is poliformaldehied. Dit het 'n hoë smeltpunt, is kristallyn, skuurbestand endie werking van oplosmiddels. Asetaalharse is meer metaalagtig as enige ander plastiek en word gebruik in die vervaardiging van masjienonderdele soos ratte en laers.
Stowwe kunsmatig verkry
Sintetiese makromolekulêre verbindings word in verskeie tipes reaksies geproduseer:
- Baie eenvoudige koolwaterstowwe soos etileen en propileen kan in polimere omgeskakel word deur een monomeer na die ander by die groeiende ketting te voeg.
- Poliëtileen, saamgestel uit herhalende etileenmonomere, is 'n bykomende polimeer. Dit kan tot 10 000 monomere hê wat in lang heliese kettings verbind is. Poliëtileen is kristallyn, deurskynend en termoplasties, wat beteken dat dit sag word wanneer dit verhit word. Dit word gebruik vir bedekkings, verpakking, gevormde onderdele, en bottels en houers.
- Polipropileen is ook kristallyn en termoplasties, maar harder as poliëtileen. Sy molekules kan uit 50 000-200 000 monomere bestaan.
Hierdie verbinding word in die tekstielbedryf en vir gietwerk gebruik.
Ander byvoegende polimere sluit in:
- polybutadieen;
- poliisopreen;
- polychloropreen.
Almal is belangrik in die vervaardiging van sintetiese rubbers. Sommige polimere, soos polistireen, is glasagtig en deursigtig by kamertemperatuur, en is ook termoplasties:
- polistireen kan enige kleur gekleur word en word gebruik in die vervaardiging van speelgoed en ander plastiekitems.
- Wanneer een waterstofatoom in etileen deur 'n chlooratoom vervang word, word vinielchloried gevorm.
- Dit polimeer tot polivinielchloried (PVC), 'n kleurlose, harde, rigiede, termoplastiese materiaal wat in baie vorms gemaak kan word, insluitend skuim, films en vesels.
- Vinielasetaat, geproduseer deur die reaksie tussen etileen en asynsuur, polimeriseer tot amorfe, sagte harse wat as bedekkings en kleefmiddels gebruik word.
- Dit kopolimeriseer met vinielchloried om 'n groot familie termoplastiese materiale te vorm.
'n Lineêre polimeer wat gekenmerk word deur die herhaling van estergroepe langs die hoofketting, word 'n poliëster genoem. Oop ketting poliësters is kleurlose, kristallyne, termoplastiese materiale. Daardie sintetiese makromolekulêre verbindings wat 'n hoë molekulêre gewig het (van 10 000 tot 15 000 molekules) word in die vervaardiging van films gebruik.
Skaars sintetiese poliamiede
Polyamiede sluit die natuurlik voorkomende kaseïenproteïene in wat in melk voorkom en zein wat in mielies voorkom, wat gebruik word om plastiek, vesels, kleefmiddels en bedekkings te maak. Opmerklik:
- Sintetiese poliamiede sluit ureum-formaldehiedharse in, wat termohardend is. Hulle word gebruik om gevormde voorwerpe te maak en as kleefmiddels en bedekkings vir tekstiele en papier.
- Die poliamiedharse bekend as nylon is ook belangrik. Hulle isduursaam, bestand teen hitte en skuur, nie-giftig. Hulle kan gekleur word. Die bekendste gebruik daarvan is as tekstielvesels, maar hulle het baie ander gebruike.
Nog 'n belangrike familie van sintetiese hoëmolekulêre chemiese verbindings bestaan uit lineêre herhalings van die uretaangroep. Poliuretane word gebruik in die vervaardiging van elastomere vesels bekend as spandex en in die vervaardiging van basisjasse.
Nog 'n klas polimere is gemengde organies-anorganiese verbindings:
- Die belangrikste verteenwoordigers van hierdie familie van polimere is silikone. Hoë molekulêre gewig verbindings bevat afwisselende silikon en suurstof atome met organiese groepe geheg aan elk van die silikon atome.
- Lae molekulêre gewig silikone is olies en ghries.
- Hoër molekulêre gewig spesies is veelsydige elastiese materiale wat selfs by baie lae temperature sag bly. Hulle is ook relatief stabiel by hoë temperature.
Polymeer kan driedimensioneel, tweedimensioneel en enkel wees. Die herhalende eenhede bestaan dikwels uit koolstof en waterstof, en soms suurstof, stikstof, swael, chloor, fluoor, fosfor en silikon. Om 'n ketting te skep, word baie eenhede chemies aan mekaar gekoppel of gepolimeriseer, wat sodoende die eienskappe van hoë molekulêre gewigsverbindings verander.
Watter kenmerke het makromolekulêre stowwe?
Die meeste van die polimere wat vervaardig word, is termoplasties. Nadie polimeer gevorm word, kan dit verhit en weer hervorm word. Hierdie eiendom maak dit maklik om te hanteer. Nog 'n groep termoharde kan nie hersmelt word nie: sodra die polimere gevorm is, sal herverhitting ontbind, maar nie smelt nie.
Eienskappe van makromolekulêre verbindings van polimere op die voorbeeld van pakkette:
- Kan baie bestand teen chemikalieë wees. Oorweeg alle skoonmaakvloeistowwe in jou huis wat in plastiek verpak is. Beskryf al die gevolge van kontak met die oë, maar die vel. Dit is 'n gevaarlike kategorie polimere wat alles oplos.
- Terwyl sommige plastiek maklik deur oplosmiddels vervorm word, word ander plastiek in onbreekbare verpakkings geplaas vir aggressiewe oplosmiddels. Hulle is nie gevaarlik nie, maar kan net mense benadeel.
- Oplossings van makromolekulêre verbindings word meestal in eenvoudige plastieksakke verskaf om die persentasie van hul interaksie met stowwe in die houer te verminder.
As 'n algemene reël is polimere baie lig in gewig met 'n aansienlike mate van sterkte. Oorweeg 'n reeks gebruike, van speelgoed tot die raamstruktuur van ruimtestasies, of van dun nylonvesel in tights tot Kevlar wat in lyfwapens gebruik word. Sommige polimere dryf in water, ander sink. In vergelyking met die digtheid van klip, beton, staal, koper of aluminium, is alle plastiek liggewig materiale.
Eienskappe van makromolekulêre verbindings verskil:
- Polimere kan as termiese en elektriese isoleerders dien: toestelle, koorde, elektriese afsetpunte en bedrading wat gemaak of bedek is met polimeriese materiale.
- Hittebestande kombuistoestelle met harspot- en panhandvatsels, koffiepothandvatsels, yskas- en vrieskasskuim, geïsoleerde koppies, verkoelers en mikrogolf-veilige toebehore.
- Die termiese onderklere wat deur baie skiërs gedra word, is van polipropileen gemaak, terwyl die vesels in winterbaadjies van akriel en poliëster gemaak is.
Hoë molekulêre gewig verbindings is stowwe met 'n onbeperkte reeks eienskappe en kleure. Hulle het baie eienskappe wat verder verbeter kan word met 'n wye reeks bymiddels om die toepassing uit te brei. Polimere kan dien as basis vir die nabootsing van katoen, sy en wol, porselein en marmer, aluminium en sink. In die voedselbedryf word hulle gebruik om swamme eetbare eienskappe te gee. Byvoorbeeld, duur bloukaas. Dit kan veilig geëet word danksy polimeerverwerking.
Verwerking en toepassing van polimeerstrukture
Polimere kan op verskeie maniere verwerk word:
- Ekstrusie laat die vervaardiging van dun vesels of swaar massiewe buise, films, kosbottels toe.
- Spuitgieten maak dit moontlik om komplekse dele, soos groot motorbakonderdele, te skep.
- Plastiek kan in vate gegiet word of met oplosmiddels gemeng word om gombasisse of verf te word.
- Elastomere en sommige plastiek is rekbaar en buigsaam.
- Sommige plastiek brei uit tydens verwerking om hul vorm te behou, soos drinkwaterbottels.
- Ander polimere kan geskuim word, soos polistireen, poliuretaan en poliëtileen.
Die eienskappe van makromolekulêre verbindings wissel na gelang van die meganiese werking en die metode om die stof te verkry. Dit maak dit moontlik om dit in verskeie industrieë toe te pas. Die belangrikste makromolekulêre verbindings het 'n wyer reeks doeleindes as dié wat verskil in spesiale eienskappe en metodes van voorbereiding. Universeel en "grinnik" "vind hulself" in die voedsel- en konstruksiesektore:
- Hoë molekulêre gewig verbindings bestaan uit olie, maar nie altyd nie.
- Baie polimere word gemaak van herhalende eenhede wat voorheen uit aardgas, steenkool of ru-olie gevorm is.
- Sommige boumateriaal word gemaak van hernubare materiale soos polimelksuur (van mielies of sellulose en katoenlinters).
Dit is ook interessant dat hulle amper onmoontlik is om te vervang:
- Polimere kan gebruik word om items te maak wat geen ander materiaal alternatiewe het nie.
- Hulle word in deursigtige waterdigte films gemaak.
- PVC word gebruik om mediese buise en bloedsakke te maak wat die raklewe van die produk en sy afgeleides verleng.
- PVC lewer vlambare suurstof veilig aan nie-vlambare buigsame buise.
- En anti-trombogeniese materiaal soos heparien kan by die kategorie van buigsame PVC-kateters ingesluit word.
Baie mediese toestelle fokus op strukturele kenmerke van makromolekulêre verbindings om effektiewe funksionering te verseker.
Oplossings van makromolekulêre stowwe en hul eienskappe
Omdat die grootte van die verspreide fase moeilik is om te meet en kolloïede in die vorm van oplossings is, identifiseer en karakteriseer hulle soms fisies-chemiese en vervoer-eienskappe.
| Kolloïedfase | Hard | Skoon oplossing | Dimensionele aanwysers |
| As die kolloïed bestaan uit 'n vaste fase wat in 'n vloeistof versprei is, sal die vaste deeltjies nie deur die membraan diffundeer nie. | Opgeloste ione of molekules sal by volle diffusie deur die membraan diffundeer. | As gevolg van grootte-uitsluiting, kan kolloïdale deeltjies nie deur UF-membraanporieë wat kleiner is as hul eie grootte beweeg nie. | |
| Konsentrasie in die samestelling van oplossings van makromolekulêre verbindings | Die presiese konsentrasie van die werklike opgeloste stof sal afhang van die eksperimentele toestande wat gebruik word om dit te skei van kolloïdale deeltjies wat ook in die vloeistof versprei is. | Hang af van die reaksie van makromolekulêre verbindings wanneer oplosbaarheidstudies uitgevoer word vir maklik gehidroliseerde stowwe soos Al, Eu, Am, Cm. | Hoe kleiner die poriegrootte van die ultrafiltrasiemembraan, hoe laer is die konsentrasieverspreide kolloïdale deeltjies wat in die ultragefiltreerde vloeistof oorbly. |
'n Hidrokolloïed word gedefinieer as 'n kolloïdale sisteem waarin deeltjies van makromolekulêre molekules hidrofiliese polimere is wat in water versprei is.
| Waterverslawing | Hitteverslawing | Afhanklikheid van produksiemetode |
| Hidrokolloïed is kolloïdale deeltjies wat in water versprei is. In hierdie geval beïnvloed die verhouding van die twee komponente die vorm van die polimeer - gel, as, vloeibare toestand. | Hidrokolloïede kan onomkeerbaar (in een toestand) of omkeerbaar wees. Byvoorbeeld, agar, 'n omkeerbare hidrokolloïed van seewierekstrak, kan in 'n jel en vaste toestand bestaan, of wissel tussen toestande met die byvoeging of verwydering van hitte. | Die verkryging van makromolekulêre verbindings, soos hidrokolloïede, hang van natuurlike bronne af. Byvoorbeeld, agar-agar en karrageen word uit seewier onttrek, gelatien word verkry deur hidrolise van bees- en visproteïene, en pektien word uit sitrusskille en appelafval onttrek. |
| Gelatien-nageregte, gemaak van poeier, het 'n ander hidrokolloïed in hul samestelling. Hy is toegerus met minder vloeistof. | Hidrokolloïede word hoofsaaklik in voedsel gebruik om tekstuur of viskositeit te beïnvloed (bv. sous). Die konsekwentheid hang egter reeds af van die metode van hittebehandeling. | Hidrkolloïede-gebaseerde mediese verbande word gebruik om vel en wonde te behandel. BYvervaardiging is gebaseer op 'n heeltemal ander tegnologie, en dieselfde polimere word gebruik. |
Ander belangrikste hidrokolloïede is xantangom, arabiese gom, guargom, sprinkaanboontjiegom, sellulosederivate soos karboksimetielsellulose, alginaat en stysel.
Interaksie van makromolekulêre stowwe met ander deeltjies
Die volgende kragte speel 'n belangrike rol in die interaksie van kolloïdale deeltjies:
- Afstoting sonder inagneming van volume: dit verwys na die gebrek aan oorvleueling tussen vaste deeltjies.
- Elektrostatiese interaksie: Kolloïdale deeltjies dra dikwels 'n elektriese lading en trek of stoot mekaar dus af. Die lading van beide die kontinue en verspreide fases, sowel as die beweeglikheid van die fases, is faktore wat hierdie interaksie beïnvloed.
- Van der Waals-kragte: Dit is as gevolg van die interaksie tussen twee dipole, wat óf permanent óf geïnduseer is. Selfs al het die deeltjies nie 'n permanente dipool nie, lei elektrondigtheid-skommelings tot 'n tydelike dipool in die deeltjie.
- Entropiekragte. Volgens die tweede wet van termodinamika gaan die sisteem in 'n toestand waarin entropie gemaksimeer word. Dit kan lei tot die skepping van effektiewe kragte selfs tussen harde sfere.
- Steriese kragte tussen polimeer-bedekte oppervlaktes of in oplossings wat 'n nie-adsorberende analoog bevat, kan interpartikelkragte moduleer, wat 'n bykomende steriese afstootkrag skep watis oorwegend entropies van aard, of 'n krag van uitputting tussenin.
Laasgenoemde effek word gesoek met spesiaal geformuleerde superplastiseermiddels wat ontwerp is om die werkbaarheid van beton te verhoog en die waterinhoud daarvan te verminder.
polimeerkristalle: waar word hulle gevind, hoe lyk hulle?
Hoë-molekulêre verbindings sluit selfs kristalle in, wat ingesluit is in die kategorie kolloïdale stowwe. Dit is 'n hoogs geordende reeks deeltjies wat op 'n baie groot afstand vorm (gewoonlik in die orde van 'n paar millimeter tot een sentimeter) en lyk soortgelyk aan hul atoom- of molekulêre eweknieë.
| Naam van die getransformeerde kolloïed | Bestelvoorbeeld | Production |
| Precious Opal | Een van die beste natuurlike voorbeelde van hierdie verskynsel word gevind in die suiwer spektrale kleur van die klip | Dit is die resultaat van diggepakte nisse van amorfe kolloïdale silikondioksied (SiO2)-sfere |
Hierdie sferiese deeltjies word in hoogs silisiumreservoirs neergelê. Hulle vorm hoogs geordende massiewe na jare se sedimentasie en saampersing onder die werking van hidrostatiese en gravitasiekragte. Periodieke skikkings van submikrometer sferiese deeltjies verskaf soortgelyke interstisiële leemte skikkings wat optree as 'n natuurlike diffraksierooster vir sigbare liggolwe, veral wanneer interstisiële spasiëring van dieselfde grootteorde as die invallende liggolf is.
Daar is dus gevind dat as gevolg van afstootlikCoulomb-interaksies, elektries gelaaide makromolekules in 'n waterige medium kan langafstand kristalagtige korrelasies vertoon met afstande tussen deeltjies wat dikwels baie groter is as die deursnee van individuele deeltjies.
In al hierdie gevalle het die kristalle van 'n natuurlike makromolekulêre verbinding dieselfde briljante irisering (of kleurspel), wat toegeskryf kan word aan diffraksie en konstruktiewe interferensie van sigbare liggolwe. Hulle voldoen aan Bragg se wet.
'n Groot aantal eksperimente oor die studie van die sogenaamde "kolloïdale kristalle" het ontstaan as gevolg van relatief eenvoudige metodes wat oor die afgelope 20 jaar ontwikkel is om sintetiese monodisperse kolloïede (beide polimeer en mineraal) te verkry. Deur verskeie meganismes word die vorming van 'n langafstandorde gerealiseer en bewaar.
Bepaling van molekulêre gewig
Molekulêre gewig is 'n kritieke eienskap van 'n chemiese stof, veral vir polimere. Afhangende van die materiaal van die monster, word verskillende metodes gekies:
- Molekulêre gewig sowel as die molekulêre struktuur van molekules kan met behulp van massaspektrometrie bepaal word. Deur die direkte infusiemetode te gebruik, kan monsters direk in die detektor ingespuit word om die waarde van 'n bekende materiaal te bevestig of om strukturele karakterisering van 'n onbekende te verskaf.
- Die molekulêre gewig inligting van polimere kan bepaal word met behulp van 'n metode soos grootte uitsluiting chromatografie vir viskositeit en grootte.
- VirDie bepaling van die molekulêre gewig van polimere vereis begrip van die oplosbaarheid van 'n gegewe polimeer.
Die totale massa van 'n verbinding is gelyk aan die som van die individuele atoommassas van elke atoom in die molekule. Die prosedure word volgens die formule uitgevoer:
- Bepaal die molekulêre formule van die molekule.
- Gebruik die periodieke tabel om die atoommassa van elke element in 'n molekule te vind.
- Vermenigvuldig die atoommassa van elke element met die aantal atome van daardie element in die molekule.
- Die gevolglike getal word voorgestel deur 'n subskripsie langs die elementsimbool in die molekulêre formule.
- Verbind al die waardes vir elke enkele atoom in die molekule.
'n Voorbeeld van 'n eenvoudige lae molekulêre gewig berekening: Om die molekulêre gewig van NH3 te vind, is die eerste stap om die atoommassas van stikstof (N) en waterstof te vind (H). Dus, H=1, 00794N=14, 0067.
Vermenigvuldig dan die atoommassa van elke atoom met die aantal atome in die verbinding. Daar is een stikstofatoom (geen subskripsie word vir een atoom gegee nie). Daar is drie waterstofatome, soos aangedui deur die subskripsie. Dus:
- Molekulêre gewig van 'n stof=(1 x 14,0067) + (3 x 1,00794)
- Molekulêre gewigte=14,0067 + 3,02382
- Resultaat=17, 0305
'n Voorbeeld van die berekening van die komplekse molekulêre gewig Ca3(PO4)2 is meer komplekse berekening opsie:
Vanaf die periodieke tabel, die atoommassas van elke element:
- Ca=40, 078.
- P=30, 973761.
- O=15,9994.
Die moeilike deel is om uit te vind hoeveel van elke atoom in die verbinding is. Daar is drie kalsiumatome, twee fosforatome en agt suurstofatome. As die koppelingsdeel tussen hakies is, vermenigvuldig die subskripsie onmiddellik na die elementkarakter met die subskripsie wat die hakies toemaak. Dus:
- Molekulêre gewig van 'n stof=(40,078 x 3) + (30,97361 x 2) + (15,9994 x 8).
- Molekulêre gewig na berekening=120, 234 + 61, 94722 + 127, 9952.
- Resultaat=310, 18.
Komplekse vorms van elemente word volgens analogie bereken. Sommige van hulle bestaan uit honderde waardes, dus word outomatiese masjiene nou gebruik met 'n databasis van alle g/mol-waardes.
