En makromolekylär förening är Definition, sammansättning, egenskaper, egenskaper

2024 Författare: Angel Austin | [email protected]. Senast ändrad: 2024-01-02 17:56

Högmolekylära föreningar är polymerer som har en hög molekylvikt. De kan vara organiska och oorganiska föreningar. Skilj mellan amorfa och kristallina ämnen, som består av monomera ringar. De senare är makromolekyler sammankopplade med kemiska bindningar och koordinationsbindningar. Enkelt uttryckt är en högmolekylär förening en polymer, det vill säga monomera ämnen som inte ändrar sin massa när samma "tunga" ämne fästs vid dem. Annars kommer vi att prata om oligomeren.

Vad studerar vetenskapen om makromolekylära föreningar?

Kemin hos makromolekylära polymerer är studiet av molekylkedjor som består av monomera subenheter. Detta täcker ett enormt forskningsområde. Många polymerer är av betydande industriell och kommersiell betydelse. I Amerika inleddes tillsammans med upptäckten av naturgas ett stort projekt för att bygga en anläggning för tillverkning av polyeten. Etan från naturgas omvandlastill eten, monomeren från vilken polyeten kan tillverkas.

En polymer som en makromolekylär förening är:

Vilket som helst av en klass av naturliga eller syntetiska ämnen som består av mycket stora molekyler som kallas makromolekyler.
Många enklare kemiska enheter som kallas monomerer.
Polymerer utgör många material i levande organismer, inklusive till exempel proteiner, cellulosa och nukleinsyror.
Dessutom utgör de grunden för mineraler som diamant, kvarts och fältspat, samt konstgjorda material som betong, glas, papper, plast och gummi.

Ordet "polymer" betecknar ett obestämt antal monomerenheter. När mängden monomerer är mycket hög, kallas föreningen ibland som högpolymer. Det är inte begränsat till monomerer med samma kemiska sammansättning eller molekylvikt och struktur. Vissa naturliga högmolekylära organiska föreningar består av en enda typ av monomer.

Men de flesta naturliga och syntetiska polymerer bildas av två eller flera olika typer av monomerer; sådana polymerer är kända som sampolymerer.

Naturliga ämnen: vilken roll har de i våra liv?

Organiska högmolekylära organiska föreningar spelar en avgörande roll i människors liv, tillhandahåller grundläggande strukturella material och deltar i vitala processer.

De fasta delarna av alla växter är till exempel uppbyggda av polymerer. Dessa inkluderar cellulosa, lignin och olika hartser.
Pulp ärpolysackarid, en polymer som består av sockermolekyler.
Lignin bildas av ett komplext tredimensionellt nätverk av polymerer.
Trädhartser är polymerer av ett enkelt kolväte, isopren.
En annan välbekant isoprenpolymer är gummi.

Andra viktiga naturliga polymerer inkluderar proteiner, som är polymerer av aminosyror, och nukleinsyror. De är typer av nukleotider. Dessa är komplexa molekyler som består av kväveh altiga baser, sockerarter och fosforsyra.

Nukleinsyror bär den genetiska informationen i cellen. Stärkelse, en viktig källa till kostenergi från växter, är naturliga polymerer som består av glukos.

Kemi av makromolekylära föreningar frigör oorganiska polymerer. De finns också i naturen, inklusive diamant och grafit. Båda är gjorda av kol. Värt att veta:

I en diamant är kolatomer sammankopplade i ett tredimensionellt nätverk som ger materialet dess hårdhet.
I grafit, som används som smörjmedel och i blyertspenna, binds kolatomer i plan som kan glida över varandra.

Många viktiga polymerer innehåller syre- eller kväveatomer såväl som kolatomer i ryggraden. Sådana makromolekylära material med syreatomer inkluderar polyacetaler.

Den enklaste polyacetalen är polyformaldehyd. Den har hög smältpunkt, är kristallin, nötningsbeständig ochverkan av lösningsmedel. Acetalhartser är mer metallliknande än någon annan plast och används vid tillverkning av maskindelar som växlar och lager.

Ämnen som erhållits på konstgjord väg

Syntetiska makromolekylära föreningar produceras i olika typer av reaktioner:

Många enkla kolväten som eten och propen kan omvandlas till polymerer genom att tillsätta en monomer efter den andra i den växande kedjan.
Polyeten, som består av upprepade etenmonomerer, är en additiv polymer. Den kan ha upp till 10 000 monomerer kopplade i långa spiralformade kedjor. Polyeten är kristallint, genomskinligt och termoplastiskt, vilket betyder att det mjuknar när det värms upp. Den används för beläggningar, förpackningar, gjutna delar och flaskor och behållare.
Polypropen är också kristallint och termoplastiskt, men hårdare än polyeten. Dess molekyler kan bestå av 50 000-200 000 monomerer.

Denna blandning används inom textilindustrin och för formning.

Andra tillsatspolymerer inkluderar:

polybutadien;
polyisopren;
polykloropren.

Alla är viktiga vid tillverkning av syntetiska gummin. Vissa polymerer, såsom polystyren, är glasartade och genomskinliga vid rumstemperatur och är även termoplastiska:

Polystyren kan färgas i vilken färg som helst och används vid tillverkning av leksaker och annan plastobjekt.
När en väteatom i eten ersätts med en kloratom, bildas vinylklorid.
Det polymeriseras till polyvinylklorid (PVC), ett färglöst, hårt, styvt, termoplastiskt material som kan göras till många former, inklusive skum, filmer och fibrer.
Vinylacetat, framställt genom reaktionen mellan eten och ättiksyra, polymeriseras till amorfa, mjuka hartser som används som beläggningar och lim.
Den sampolymeriserar med vinylklorid för att bilda en stor familj av termoplastiska material.

En linjär polymer som kännetecknas av upprepning av estergrupper längs huvudkedjan kallas en polyester. Öppen kedja polyestrar är färglösa, kristallina, termoplastiska material. De syntetiska makromolekylära föreningarna som har en hög molekylvikt (från 10 000 till 15 000 molekyler) används vid produktion av filmer.

Sällsynta syntetiska polyamider

Polyamider inkluderar de naturligt förekommande kaseinproteinerna som finns i mjölk och zein som finns i majs, som används för att tillverka plast, fibrer, lim och beläggningar. Värt att notera:

Syntetiska polyamider inkluderar urea-formaldehydhartser, som är värmehärdande. De används för att tillverka gjutna föremål och som lim och beläggningar för textilier och papper.
Polyamidhartser som kallas nylon är också viktiga. Dom ärhållbar, resistent mot värme och nötning, giftfri. De kan färgas. Dess mest kända användning är som textilfibrer, men de har många andra användningsområden.

En annan viktig familj av syntetiska högmolekylära kemiska föreningar består av linjära upprepningar av uretangruppen. Polyuretaner används vid tillverkning av elastomera fibrer som kallas spandex och vid tillverkning av baslacker.

En annan klass av polymerer är blandade organiska-oorganiska föreningar:

De viktigaste representanterna för denna familj av polymerer är silikoner. Högmolekylära föreningar innehåller alternerande kisel- och syreatomer med organiska grupper bundna till var och en av kiselatomerna.
Lågmolekylära silikoner är oljor och fetter.
Arter med högre molekylvikt är mångsidiga elastiska material som förblir mjuka även vid mycket låga temperaturer. De är också relativt stabila vid höga temperaturer.

Polymer kan vara tredimensionell, tvådimensionell och enkel. De återkommande enheterna består ofta av kol och väte, och ibland syre, kväve, svavel, klor, fluor, fosfor och kisel. För att skapa en kedja är många enheter kemiskt sammanlänkade eller polymeriserade, vilket förändrar egenskaperna hos föreningar med hög molekylvikt.

Vilka egenskaper har makromolekylära ämnen?

De flesta polymerer som tillverkas är termoplastiska. Efterpolymeren bildas kan den värmas upp och omdanas igen. Denna egenskap gör den lätt att hantera. En annan grupp härdplaster kan inte smältas om: när polymererna väl har bildats kommer återuppvärmningen att sönderdelas men inte smälta.

Karakteristika för makromolekylära polymerföreningar i exemplet med förpackningar:

Kan vara mycket resistent mot kemikalier. Tänk på alla rengöringsvätskor i ditt hem som är förpackade i plast. Beskrev alla konsekvenser av kontakt med ögonen, men huden. Detta är en farlig kategori av polymerer som löser upp allt.
Medan vissa plaster lätt deformeras av lösningsmedel, placeras andra plaster i okrossbara förpackningar för aggressiva lösningsmedel. De är inte farliga, men kan bara skada människor.
Lösningar av makromolekylära föreningar tillhandahålls oftast i enkla plastpåsar för att minska andelen av deras interaktion med ämnen inuti behållaren.

Som en allmän regel är polymerer mycket lätta i vikt med en betydande grad av styrka. Tänk på en rad användningsområden, från leksaker till ramstrukturen på rymdstationer, eller från tunn nylonfiber i strumpbyxor till kevlar som används i kroppsskydd. Vissa polymerer flyter i vatten, andra sjunker. Jämfört med densiteten hos sten, betong, stål, koppar eller aluminium är all plast lättviktsmaterial.

Egenskaperna hos makromolekylära föreningar är olika:

Polymerer kan fungera som termiska och elektriska isolatorer: apparater, sladdar, eluttag och ledningar som är gjorda eller belagda med polymermaterial.
Värmebeständiga köksmaskiner med handtag av harts till kastruller och pannor, handtag för kaffekanna, kyl- och frysskum, isolerade koppar, kylare och mikrovågssäkra redskap.
De termiska underkläderna som många skidåkare bär är gjorda av polypropen, medan fibrerna i vinterjackor är gjorda av akryl och polyester.

Högmolekylära föreningar är ämnen med ett obegränsat utbud av egenskaper och färger. De har många egenskaper som kan förbättras ytterligare med ett brett utbud av tillsatser för att utöka applikationen. Polymerer kan tjäna som grund för att imitera bomull, siden och ull, porslin och marmor, aluminium och zink. Inom livsmedelsindustrin används de för att ge svampar ätliga egenskaper. Till exempel dyr ädelost. Den kan ätas säkert tack vare polymerbearbetning.

Bearbetning och applicering av polymerstrukturer

Polymerer kan bearbetas på olika sätt:

Extrudering tillåter produktion av tunna fibrer eller tunga massiva rör, filmer, matflaskor.
Formsprutning gör det möjligt att skapa komplexa delar, såsom stora karossdelar.
Plast kan gjutas i fat eller blandas med lösningsmedel för att bli limbas eller färg.
Elastomerer och vissa plaster är töjbara och flexibla.
Vissa plaster expanderar under bearbetningen för att behålla sin form, till exempel dricksvattenflaskor.
Andra polymerer kan skummas, såsom polystyren, polyuretan och polyeten.

Egenskaperna hos makromolekylära föreningar varierar beroende på den mekaniska verkan och metoden för att erhålla ämnet. Detta gör det möjligt att tillämpa dem i olika branscher. De huvudsakliga makromolekylära föreningarna har ett bredare spektrum av syften än de som skiljer sig i speciella egenskaper och framställningsmetoder. Universella och "nycker" "finner sig själva" inom livsmedels- och byggsektorerna:

Högmolekylära föreningar består av olja, men inte alltid.
Många polymerer är gjorda av återkommande enheter som tidigare bildats av naturgas, kol eller råolja.
Vissa byggmaterial är tillverkade av förnybara material som polymjölksyra (från majs eller cellulosa och bomullslinters).

Det är också intressant att de är nästan omöjliga att ersätta:

Polymerer kan användas för att tillverka föremål som inte har några andra material alternativ.
De är gjorda till transparenta vattentäta filmer.
PVC används för att tillverka medicinska slangar och blodpåsar som förlänger hållbarheten för produkten och dess derivat.
PVC levererar brandfarligt syre på ett säkert sätt till icke brandfarliga flexibla slangar.
Och antitrombogent material som heparin kan inkluderas i kategorin flexibla PVC-katetrar.

Många medicinska produkter fokuserar på strukturella egenskaper hos makromolekylära föreningar för att säkerställa effektiv funktion.

Lösningar av makromolekylära ämnen och deras egenskaper

Eftersom storleken på den dispergerade fasen är svår att mäta och kolloider är i form av lösningar, identifierar och karakteriserar de ibland fysikalisk-kemiska och transportegenskaper.

Kolloidfas	Hard	Ren lösning	Dimensionsindikatorer
	Om kolloiden består av en fast fas dispergerad i en vätska, kommer de fasta partiklarna inte att diffundera genom membranet.	Upplösta joner eller molekyler kommer att diffundera genom membranet vid full diffusion.	På grund av storleksuteslutning kan kolloidala partiklar inte passera genom UF-membranporer som är mindre än deras egen storlek.
Koncentration i sammansättningen av lösningar av makromolekylära föreningar	Den exakta koncentrationen av det faktiska lösta ämnet kommer att bero på de experimentella förhållanden som används för att separera det från kolloidala partiklar som också är dispergerade i vätskan.	Beroer på reaktionen mellan makromolekylära föreningar när man utför löslighetsstudier för lätt hydrolyserade ämnen som Al, Eu, Am, Cm.	Ju mindre porstorleken på ultrafiltreringsmembranet är, desto lägre koncentrationdispergerade kolloidala partiklar kvar i den ultrafiltrerade vätskan.

En hydrokolloid definieras som ett kolloid alt system där partiklar av makromolekylära molekyler är hydrofila polymerer dispergerade i vatten.

Vattenberoende	Värmeberoende	Beroende av produktionsmetod
Hydrokolloid är kolloidala partiklar dispergerade i vatten. I detta fall påverkar förhållandet mellan de två komponenterna polymerens form - gel, aska, flytande tillstånd.	Hydrokolloider kan vara irreversibla (i ett tillstånd) eller reversibla. Till exempel kan agar, en reversibel hydrokolloid av tångextrakt, existera i gel och fast tillstånd, eller växla mellan tillstånd med tillsats eller avlägsnande av värme.	Att erhålla makromolekylära föreningar, som hydrokolloider, beror på naturliga källor. Till exempel extraheras agar-agar och karragenan från tång, gelatin erhålls genom hydrolys av nötkreaturs- och fiskproteiner och pektin extraheras från citrusskal och äppelrester.
Gelatindesserter, gjorda av pulver, har en annan hydrokolloid i sin sammansättning. Han är utrustad med mindre vätska.	Hydrokolloider används i livsmedel främst för att påverka textur eller viskositet (t.ex. sås). Konsistensen beror dock redan på värmebehandlingsmetoden.	Hydrokolloidbaserade medicinska förband används för att behandla hud och sår. PÅtillverkningen bygger på en helt annan teknik och samma polymerer används.

Andra huvudsakliga hydrokolloider är xantangummi, gummi arabicum, guargummi, johannesbrödmjöl, cellulosaderivat som karboximetylcellulosa, alginat och stärkelse.

Interaktion mellan makromolekylära ämnen och andra partiklar

Följande krafter spelar en viktig roll i samspelet mellan kolloidala partiklar:

Repulsion utan hänsyn till volym: detta hänvisar till bristen på överlappning mellan fasta partiklar.
Elektrostatisk interaktion: Kolloidala partiklar bär ofta en elektrisk laddning och attraherar eller stöter bort varandra. Laddningen av både den kontinuerliga och dispergerade fasen, såväl som fasens rörlighet, är faktorer som påverkar denna interaktion.
Van der Waals-krafter: Detta beror på interaktionen mellan två dipoler, som antingen är permanenta eller inducerade. Även om partiklarna inte har en permanent dipol, resulterar fluktuationer i elektrondensitet i en tillfällig dipol i partikeln.
Entropikrafter. Enligt termodynamikens andra lag går systemet in i ett tillstånd där entropin är maximerad. Detta kan leda till att effektiva krafter skapas även mellan hårda sfärer.
Steriska krafter mellan polymerbelagda ytor eller i lösningar som innehåller en icke-adsorberande analog kan modulera interpartikelkrafter, vilket skapar en ytterligare sterisk repulsiv kraft somär övervägande entropisk till sin natur, eller en utarmningskraft däremellan.

Den senare effekten eftersträvas med specialformulerade supermjukgörare utformade för att öka betongens bearbetbarhet och minska dess vattenh alt.

Polymerkristaller: var finns de, hur ser de ut?

Högmolekylära föreningar inkluderar jämna kristaller, som ingår i kategorin kolloidala ämnen. Detta är en högordnad uppsättning partiklar som bildas på ett mycket stort avstånd (vanligtvis i storleksordningen några millimeter till en centimeter) och som liknar deras atomära eller molekylära motsvarigheter.

Namn på den transformerade kolloiden	Beställningsexempel	Produktion
Precious Opal	Ett av de bästa naturliga exemplen på detta fenomen finns i stenens rena spektrala färg	Detta är resultatet av täta nischer av amorfa kolloidala kiseldioxidsfärer (SiO2)

Dessa sfäriska partiklar deponeras i reservoarer med hög kiselh alt. De bildar högt ordnade massiv efter år av sedimentering och kompression under inverkan av hydrostatiska och gravitationskrafter. Periodiska arrayer av submikrometer sfäriska partiklar tillhandahåller liknande interstitella tomrumsarrayer som fungerar som ett naturligt diffraktionsgitter för synliga ljusvågor, särskilt när interstitialavståndet är av samma storleksordning som den infallande ljusvågen.

Därmed konstaterades det att på grund av motbjudandeCoulomb-interaktioner, elektriskt laddade makromolekyler i ett vattenh altigt medium kan uppvisa långväga kristallliknande korrelationer med avstånd mellan partiklar som ofta är mycket större än diametern hos enskilda partiklar.

I alla dessa fall har kristallerna i en naturlig makromolekylär förening samma lysande iriserande (eller färgspel), vilket kan tillskrivas diffraktion och konstruktiv interferens av synliga ljusvågor. De uppfyller Braggs lag.

Ett stort antal experiment för att studera de så kallade "kolloidala kristallerna" uppstod som ett resultat av relativt enkla metoder som utvecklats under de senaste 20 åren för att erhålla syntetiska monodispersa kolloider (både polymera och mineraliska). Genom olika mekanismer realiseras och bevaras bildandet av en långvägsordning.

Bestämning av molekylvikt

Reaktioner av makromolekylära föreningar

Molekylvikt är en kritisk egenskap hos en kemikalie, särskilt för polymerer. Beroende på materialet i provet väljs olika metoder:

Molekylvikt såväl som molekylstrukturen hos molekyler kan bestämmas med masspektrometri. Med hjälp av direktinfusionsmetoden kan prover injiceras direkt i detektorn för att bekräfta värdet av ett känt material eller ge strukturell karaktärisering av ett okänt.
Molekylviktsinformationen för polymerer kan bestämmas med hjälp av en metod som storleksexklusionskromatografi för viskositet och storlek.
FörAtt bestämma molekylvikten för polymerer kräver förståelse av lösligheten för en given polymer.

Den totala massan av en förening är lika med summan av de individuella atommassorna för varje atom i molekylen. Proceduren utförs enligt formeln:

Bestämma molekylformeln för molekylen.
Använd det periodiska systemet för att hitta atommassan för varje grundämne i en molekyl.
Multiplicera atommassan för varje element med antalet atomer av det elementet i molekylen.
Det resulterande talet representeras av en nedsänkt text bredvid elementsymbolen i molekylformeln.
Koppla ihop alla värden för varje enskild atom i molekylen.

Ett exempel på en enkel beräkning med låg molekylvikt: För att hitta molekylvikten för NH_{3, är det första steget att hitta atommassorna för kväve (N) och väte (H). Så, H=1, 00794N=14, 0067.}

Multiplicera sedan atommassan för varje atom med antalet atomer i föreningen. Det finns en kväveatom (ingen subskript ges för en atom). Det finns tre väteatomer, som indikeras av nedskrivningen. Så:

Molekylvikt för ett ämne=(1 x 14,0067) + (3 x 1,00794)
Molekylvikter=14,0067 + 3,02382
Resultat=17, 0305

Ett exempel på beräkning av den komplexa molekylvikten Ca₃(PO₄)_{2 är ett mer komplext beräknings alternativ:}

Karakterisering av makromolekylära föreningar

Från det periodiska systemet, atommassorna för varje grundämne:

Ca=40, 078.
P=30, 973761.
O=15,9994.

Den knepiga delen är att räkna ut hur många av varje atom som finns i föreningen. Det finns tre kalciumatomer, två fosforatomer och åtta syreatomer. Om sammanfogningsdelen är inom parentes, multiplicera nedsänkningen omedelbart efter elementtecknet med det nedsänkta som stänger parentesen. Så:

molekylvikt för ett ämne=(40,078 x 3) + (30,97361 x 2) + (15,9994 x 8).
Molekylvikt efter beräkning=120, 234 + 61, 94722 + 127, 9952.
Resultat=310, 18.

Komplexa former av element beräknas analogt. Vissa av dem består av hundratals värden, så automatiserade maskiner används nu med en databas med alla g/mol-värden.