Часть V
Высокомолекулярные соединения

1. Введение	2. Основные понятия   2.1.Полимер, макромолекула   2.2.Мономер   2.3.Структурное звено	3. Строение макромолекул   3.1.Химическое строение   3.2.Пространственное строение   3.3.Контрольные вопросы	4. Отличительные свойства полимеров   4.1.Гибкость макромолекул   4.2.Гибкость и свойства полимеров   4.3.Физические состояния полимеров   4.4.Контрольные вопросы
	2.4.Степень полимеризации   2.5.Молекулярная масса   2.6.Геометрические формы   2.7.Контрольные вопросы
5. Способы образования полимеров   5.1.Полимеризация      5.1.1.Мономеры в полимеризации      5.1.2.Схема полимеризации      5.1.3.Сополимеризация	5.2.Поликонденсация      5.2.1.Мономеры в поликонденсации      5.2.2.Характерные признаки поликонденсации   5.3.Названия полимеров   5.4.Важнейшие синтетические полимеры   5.5.Контрольные вопросы	6. Природные полимеры   6.1.Натуральный каучук   6.2.Полисахариды      6.2.1.Крахмал      6.2.2.Целлюлоза	6. Природные полимеры      6.3.Белки   6.4.Нуклеиновые кислоты      6.4.1.Ди- и полинуклеотиды      6.4.2.ДНК   6.5.Контрольные вопросы
ИГРА-головоломка 7. Заключение

1. Введение

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. Интересно, что из множества возможных вариантов Природа "выбрала" всего 4 типа полимеров:

(анимация – можно увидеть только в файле Кадис)

Во-вторых, благодаря особым, только для них характерным свойствам, полимеры (синтетические, искусственные и некоторые природные) широко используются при изготовлении самых разнообразных материалов:

Полимеры применяются для получения композиционных материалов, ионообменных смол (полиэлектролитов) и т.д.

Полимеры, полученные при химической модификации природных полимеров, называют искусственными.

Например, ацетилцеллюлоза (ацетатный шелк), моно- ди- и тринитраты целлюлозы - продукты химических превращений природного полимера - целлюлозы.

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).

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.

Ионообменные смолы (иониты) – полимеры пространственного (трехмерного строения, содержащие ионизированные группы (-O-SO₂-O^ , -СОО^ , -NH₃⁺ и т.п.). Являются полиэлектролитами. Подразделяются на катиониты и аниониты.

Благодаря способности к обмену ионов, иониты нашли широкое применение в различных областях техники (в гидрометаллургии для разделения и очистки редких элементов, при переработке радиоактивных отходов, в химической и фармацевтической промышленности, для устранения жесткости воды).

2. Основные понятия

Для характеристики высокомолекулярных соединений необходимо рассмотреть следующие понятия:

• полимер

• макромолекула

• мономер

• структурное звено макромолекулы

• степень полимеризации макромолекулы

• молекулярная масса макромолекулы

• молекулярная масса полимера

• геометрические формы макромолекул

2.1. Полимер, макромолекула

Высокомолекулярные вещества, состоящие из больших молекул цепного строения, называются полимерами (от греч. "поли" - много, "мерос" - часть).

Например, полиэтилен, получаемый при полимеризации этилена CH₂=CH₂ (часть II, раздел 4.4.1.5):

...-CH₂-CH₂-CH₂-CH₂-CH₂-CH₂-CH₂-...  или   (-CH₂-CH₂-)_n

 

Молекула полимера называется макромолекулой (от греч. "макрос" - большой, длинный).

 

Молекулярная масса макромолекул достигает десятков - сотен тысяч (и даже миллионов) атомных единиц.

 

 

  Схематические изображения макромолекулы:

( из раздела углеводороды -4.4.1.5. Полимеризация алкенов)

1. Полимеризация – реакция образования высокомолекулярного соединения (полимера) путем последовательного присоединения молекул низкомолекулярного вещества (мономера) по схеме:

Число n называется степенью полимеризации. Реакции полимеризации алкенов идут в результате присоединения по кратным связям:

Подробнее процесс полимеризации и понятие о полимерах, имеющих исключительно важное практическое значение, рассматриваются в части VI "Высокомолекулярные соединения".

2. Димеризация алкенов – образование димера (удвоенной молекулы) в результате реакции присоединения. В присутствии минеральной кислоты (донора протона Н⁺) происходит присоединение протона по двойной связи молекулы алкена. При этом образуется карбокатион:

Этот карбокатион присоединяется к следующей молекуле алкена с образованием "димерного карбокатиона":

"Димерный карбокатион" стабилизируется путем выброса протона, что приводит к продуктам димеризации алкена – смеси изомерных диизобутиленов (2,4,4-триметипентена-2 и 2,4,4-триметилпентена-1):

Этот процесс протекает при обработке изобутилена (2-метипропена) 60% серной кислотой при температуре 70С. Образовавшаяся в результате смесь диизобутиленов подвергается гидрированию с целью получения "изооктана" (2,2,4-триметилпентана), который применяется для улучшения антидетонационной способности бензина ("изооктан" – стандарт моторного топлива с октановым числом 100).

Подобно реакции димеризации алкенов происходит их полимеризация, только процесс не останавливается на стадии образования димера, а идет дальше и включает в себя множество стадий присоединения молекул алкена к растущему карбокатиону.