Для связи в whatsapp +905441085890

Полимеры: органические соединения

А.М. Бутлеров определил органическую химию как химию углеродистых соединений и их производных. В настоящее время это определение является общепринятым. В 60-е годы прошлого столетия великим русским ученым была создана химическая теория строения органических соединений. Она содержит следующие основные положения:

Атомы, образующие молекулы органических веществ, связаны в определенном порядке, причем на соединение их друг с другом затрачивается по одной или нескольку валентностей каждого атома. Единицы химического сродства (валентности) всех атомов, образующих молекулу, должны быть целиком затрачены на соединение атомов друг с другом, т.е. не должно оставаться свободных валентностей.

  1. Свойства органического вещества зависят от строения его молекулы, т.е. от порядка соединения атомов и характера их связей.
  2. Молекулы органических веществ имеют реальную структуру. По утверждению А.М. Бутлерова, возможны изображения изученной структуры одной рациональной формулой.
  3. Существует взаимное влияние между атомами в молекуле, и не только непосредственно связанными, но и связанными посредством других атомов.

В соответствии со структурной теорией каждый атом углерода имеет четыре единицы валентности, за счет которых он может присоединять к себе другие атомы или атомные группы, как, например, Н, С1, ОН, NH2, NO2, CN и т.д. Атомы углерода способны соединяться друг с другом, образуя «цепи» атомов, или «углеродный скелет» молекулы.

Согласно современной классификации, основанной на теории химического строения, все органические вещества подразделяются на три большие группы:

1. Ациклические соединения, называемые также соединениями жирного ряда или соединениями с «открытой цепью» углеродных атомов.

В зависимости от характера связей между углеродными атомами углеводороды делятся на предельные (алканы) и непредельные (алкены и алкины).

2. Карбоциклические соединения, содержащие в молекулах циклы или кольца из атомов углерода. Карбоциклические соединения делятся на три ряда:

а) насыщенные алициклические (например, циклопентан);

б) ненасыщенные алициклические соединения, содержащие в молекулах двойные или тройные связи (например, циклопентен);

в) ароматические соединения, т.е. соединения, в которых имеется циклическая группировка из шести атомов углерода, называемая бензольным кольцом.

3. Гетероциклические соединения. Молекулы этих соединений содержат кольца, включающие атомы не только углерода, но и других элементов.

Современный период развития органической химии характеризуется в области теории все большим проникновением методов квантовой механики в органическую химию. С их помощью пытаются решить вопросы о причинах появления взаимного влияния атомов в молекулах. Взаимное влияние атомов, связанных между собой непосредственно, объясняют особенностями данной химической связи, а в случае атомов, непосредственно не связанных друг с другом, объясняют смещением электронной плотности в молекуле в момент реакции или особым состоянием — «гибридизацией» орбит электронов в атомах.

В области развития органического синтеза современный период характеризуется исключительными успехами в получении природных веществ, тесно связанных с жизнедеятельностью. Синтезированы хлорофилл, гемин и гормоны, витамины, алкалоиды и антибиотики.

Полимеры

Полимеры — высокомолекулярные органические соединения с молекулярной массой от десяти тысяч до миллиона и более кислородных единиц. Молекулы таких веществ, содержащие от нескольких сотен до сотен тысяч атомов, обладают большими размерами. Их называют макромолекулами.

Различают природные высокомолекулярные органические соединения (белок, крахмал, целлюлоза, натуральный каучук) и синтетические, полученные химическим путем за счет объединения многих молекул обычного размера в одну макромолекулу (поливинилхлорид, капрон, бакелит, нейлон).

Макромолекулы построены путем многократного повторения одинаковых структурных единиц, связанных между собой ковалентной связью. Например, формула полихлорвинила: .

Исходные низкомолекулярные продукты, из которых получаются полимеры, называются мономерами.

Исходным сырьем для производства полимеров служат нефтяные газы и продукты нефтяной и коксобензольной промышленности.

Получение полимеров

Высокополимерные соединения получают путем полимеризации или поликонденсации. Реакция полимеризации этилена идет схематически:

Побочные продукты при этом не возникают, и молекулярная масса полимера равна сумме молекулярных масс тех молекул, которые ее образовали. Число п названо степенью полимеризации и является среднеарифметическим. Необходимое условие для реакции полимеризации — наличие двойной или тройной связи в молекулах мономеров.

В процессах поликонденсации имеет место также объединение многих молекул в одну макромолекулу. Макромолекула образуется в результате химического взаимодействия между функциональными группами, что сопровождается образованием низкомолекулярных веществ (например, воды, хлористого водорода, аммиака и др.).

Фенолформальдегидная смола образуется по следующей схеме:

Далее фенолспитр снова взаимодействует с фенолом:

Это соединение (продукт конденсации) взаимодействует с формальдегидом, образуя фенолспирт сложного сроения

который снова реагирует с фенолом:

Высокомолекулярные вещества характеризуются отсутствием точки плавления. Вместо точки плавления наблюдается некоторый температурный интервал, в пределах которого вещество размягчается и плавится до некоторой механической прочности.

Полимеры бывают линейные и пространственные (деление по внутреннему строению).

Линейные полимеры представляют собой длинные цепи из нескольких сотен и даже тысяч структурных единиц. Следует учесть, что в линейных полимерах углеродные атомы цепи располагаются не на одной прямой. Цепи могут переплетаться. Линейные полимеры При повышении температуры становятся пластичными, иногда переходят в вязкотекучее состояние. Такая термообработка может повторяться многократно. Поэтому такие полимеры называются термопластичными.

Пространственные полимеры при сильном нагревании подвергаются разрушению и поэтому называются термореактивными. Термореактивные полимеры при нагревании не могут быть переведены в пластическое состояние без разрыва химических связей между цепями макромолекулы и не способны переходить из пластического состояния в твердое, в отличие от термопластичных.

Конструкционные полимерные материалы

Полиэтилен получают под давлением 150-250 МПа при температуре 150 — 250 °C или при низких давлениях, но в присутствии катализаторов. Молекулярная масса полиэтилена — от 10 тыс. до 400 тыс. Температура плавления 110-125 °C. Плотность . В химическом отношении полиэтилен стоек и разрушается только при действии сильных окислителей. Однако под действием света, воздуха, теплоты с течением времени стареет, становится жестким, ломким и хрупким. Для предотвращения этих недостатков добавляют специальные стабилизаторы. Полиэтилен используется для изготовления труб и пленки, применяемых в народном хозяйстве, а также как электроизоляционный материал для кабелей.

Полипропилен — это белая упругая масса с высокой температурой плавления (выше, чем у полиэтилена). В химическом отношении он стоек и нерастворим в органических растворителях. Полипропилен подвержен воздействию сильных окислителей, в течение длительного времени — кислорода. Из полипропилена изготавливают трубы, канаты, детали машин и приборов.

Полистирол (фенилэтилен или винилбензол) — прозрачная стеклообразная масса. Используется для различных деталей и для всевозможных изделий бытового назначения, электроизолятора. Полистирол бывает разных видов: прозрачный и непрозрачный. Прозрачный полистирол иногда при постукивании звенит, а пленка из полистирола дребезжит. Горит полистирол с обильным выделением копоти, распространяя резкий своеобразный запах.

Полиакрилаты — это продукты полимеризации метиловых эфиров акриловой и метаакрйловой кислотами. Полиметилакрилат — найболее прозрачная из всех пластмасс. Он пропускает ультрафиолетовые лучи. Горит голубым пламенеми, без копоти, с потрескиванием. При горении выделяется запах эфира. Изделия из полиметилакрилата прочны — органическое стекло и плексиглас используются для всевозможных целей остекления и изготовления деталей. В дихлорэтане полиметилакрилат набухает и растворяется.

Каучуки. При полимеризации изопрена происходит перемещение двойной связи. Каучук содержится в млечном соке некоторых растений. Гутгаперча также является полимером изопрена, но с иной конфигурацией молекул. Сырой каучук липок, недостаточно прочен, а при небольшом понижении температуры становится хрупким. Производным для синтетического каучука служит бутадиен:

Синтетические каучуки по некоторым свойствам превосходят природный каучук.

Политетрафторэтилен — . Это твердый бесцветный материал, отличающийся исключительной химической стойкостью — на него не действуют ни кислоты, ни щелочи. По своей химической стойкости политетрафторэтилен превосходит золото и платиновые металлы. В связи с исключительными свойствами он в виде пластической массы под названием тефлон, или фторопласт, применяется для изготовления изделий, предназначенных для работы в сильно агрессивных средах, а также в качестве электроизоляционного материала.

Поливинилхлорид — белая эластичная масса, очень стойкая к действию кислот и щелочей. Применяется для футеровки аппаратов химических производств, для изоляции электри

ческих проводов и как заменитель кожи для всевозможных изделий промышленного и бытового назначения.

Эпоксидные смолы — продукт полимеризации алкеноксидов. Так, оксаид этилена подвергается полимеризации по следующей
схеме:

Отвержденные эпоксидные смолы обладают хорошей устойчивостью к воздействию щелочей, моющих средств, окислителей и большинства неорганических кислот и слабо устойчивы к воздействию органических кислот и некоторых растворителей (кетоны, хлорированные углеводороды). Эпоксидные смолы обладают прекрасной адгезией к металлам, стеклу, керамике, применяются для приготовления клеев, лаков,заливочных компаундов, в качестве связующего для наполненных и армированных пластиков. Их используют для изготовления пенопластов и т.д.

На основе полимеров, кроме резины, пластмассы и композиционных материалов, получают также волокна, пленки, лаки, клеи.

Волокна. Их получают путем продавливания растворов или расплавов полимеров через тонкие огверсгия (фильеры) в пластине с последущим затвердеванием. К волокнообразующим полимерам относятся полиамиды, полиакрилонитрилы и др.

Полимерные пленки. Их получают из расплавов полимеров методом нанесения растворов полимеров на движущуюся ленту, или методом каландрования полимеров. Пленки используют в качестве электроизоляционного и упаковочного материала, основы магнитных лент и т.д.

Лаки — растворы пленкообразующих веществ в органических растворителях. Кроме полимеров лаки содержат вещества, повышающие пластичность (пластификаторы), растворимые красители, отвердители и др. Применяются лаки для электроизоляционных покрытий, а также в качестве основы грунтовочного материала и лакокрасочных эмалей.

Клеи — композиции, способные- соединять различные материалы вследствие образования прочных связей между их поверхностями и клеевой прослойкой. Синтетические органические клеи составляются на основе мономеров, олигомеров, полимеров или их смесей. В состав композиции входят отвердители, наполнители, пластификаторы и др. Клеи подразделяются на термопластические и термореактивные, резиновые. Термопластические клеи образуют связь с поверхностью в результате затвердевания при охлаждении от температуры текучести до комнатной температуры или испарения растворителя. Термореактивные клеи образуют связь с поверхностью в результате отверждения (образования поперечных сшивок), резиновые клеи — в результате вулканизации.

Композиционные материалы (композиты). Они состоят из полимерной основы, армированной наполнителем в виде высокопрочных волокон или нитевидных кристаллов. Армирующие волокна и кристаллы могут быть металлическими, полимерными, неорганическими (например: стеклянными, карбидными, борными, нитридными). Армирующие наполнители в значительной степени определяют механические, теплофизические и электрические свойства полимеров. Многие композиционные полимерные материалы по прочности не уступают металлам. Композиты на основе полимеров, армированных стекловолокном (стеклопластики), обладают высокой механической прочностью и хорошими электроизоляционными свойствами. Композиты на основе полимеров, армированных углеродными волокнами (углепластики), сочетают высокую прочность и вибропрочность с повышенной теплопроводностью и химической стойкостью. Боропластики (наполнители — борные волокна) имеют высокую твердость и низкую ползучесть.

Кремнийорганические полимеры (силиконы). Они содержат атомы кремния в элементарных звеньях макромолекул, например:

или

Характерными особенностями этих полимеров являются высокая тепло- и морозостойкость, эластичность. Кремнийорганические полимеры используются для получения лаков, клеев, пластмассы и резины. Кремнийорганические каучуки растворимы в углеводородах, галогеноуглеводородах, эфирах. Вулканизируются с помощью органических пероксидов. Резины могут эксплуатироваться при температуре от -90 до +300 °C, обладают атмосферостойкостью, высокими электроизоляционными свойствами. Каучуки, например диметилсилоксановый и метилвинилсилоксановый, имеют плотность 0,96-0,98 г/см3, температуру стеклования 130 °C. Кремнийорганические полимеры применяются для изделий, работающих в условиях большого перепада температур, например, для защиты покрытий космических аппаратов, холодильных аппаратов и т.д. Большой вклад в разработку кремнийорганических полимеров внес К. А.-Андрианов.

Капрон. Это поликонденсат аминокапроновой кислоты, содержащей цепь из шести атомов углерода:

Капрон плавится при температуре 216 °C. Загорается с трудом, горит голубоватым пламенем и быстро гаснет. При нагревании разлагается с выделением аммиака. Из расплавленного капрона можно вытянуть тонкие нити. Капрон устойчив к щелочам и разбавленным кислотам. В концентрированных кислотах растворяется.

Анид (нейлон или перлон). Получается поликонденсацией двухосновной адипиновой кислоты и гексаметилдиамина :

Все текстильные волокна, применяемые для производства различных видов пряжи, подразделяются на натуральные и химические. Натуральными называют волокна, образующиеся в растениях (хлопковое, льняное и другие волокна, состоящие из целлюлозы) или из выделений живых организмов (шерсть, шелковые нити, выделяемые тутовым шелкопрядом, состоящие из белков). Химическими называют все волокна, которые производятся искусственным путем. Их в свою очередь подразделяют на искусственные, получаемые при химической переработке природных веществ (главным образом целлюлозы), и синтетические — изготовляемые из специально синтезируемых химических материалов.



Эта теория взята со страницы подробного решения задач по всем темам химии:

Решение задач по химии

Возможно эти страницы вам помогут:

Комплексные соединения в химии
Химия элементов
Эквиваленты и количество эквивалентов простых и сложных веществ. Закон эквивалентов
Способы выражения концентрации растворов. Молярная концентрация эквивалента (или нормальность) как один из наиболее рациональных способов выражения концентрации