Министерство образования Российской Федерации

Санкт-Петербургский Государственный Горный Институт

(Технический Университет)

Кафедра общей и физической химии.

РЕФЕРАТ

Высокомолекулярные соединения, их свойства и применение.

Выполнили:

студенты гр. ИЗ-99-1

Борисов Д.В.

Брук Б.М.

Проверил:

Григорьева Л.В.

Санкт-Петербург

2001г.

Оглавление.

1. Введение.

2. Органические и неорганические ВМС.

3. Общие свойства ВМС.

4. Молекулярный вес полимеров.

5. Дробное поведение макромолекул.

6. Геометрическая форма макромолекул.

7. Особенности реакций полимеров.

8. Полиминералогичные превращения.

9. Роль ВМС в природе.

10. Значения ВМС в технике.

11. Использованная литература.

Введение.

Среди многочисленных веществ, встречающихся в природе, резко выделяется группа соединений, отличающихся от других особыми физическими свойствами, высокой вязкостью растворов, способностью образовывать волокна, пленки и т.д. К этим веществам относятся целлюлоза, лигпин, пентозаны, крахмал, белки и нуклеиновые кислоты, широко распространенные в растительном и животном мире, где они образуются в результате жизнедеятельности организмов.

Высокомолекулярные соединения получили свое название вследствие большой величины их молекулярного веса, отличающие их от низкомолекулярных веществ, молекулярный вес которых лишь сравнительно редко достигает нескольких сотен. В настоящее время принято относить к ВМС вещества с молекулярным весом более 5000.

Молекулы ВМС называют макромолекулами, а химию ВМС – химией макромолекул и макромолекулярной химией.

В результате многочисленных соединений, осуществленных огромной армией химиков, физиков и технологов, было установлено не только строение некоторых природных ВМС, но и найдены пути синтеза их заменителей из доступных видов сырья. Возникли новые виды промышленности, началось производство синтетического каучука, искусственных синтетических волокон, пластических масс, лаков и красок, заменителей кожи и т.д. На первых парах синтетические материалы носили характер заменителей природных материалов. В настоящее время в результате успехов в химии и физике ВМС и усовершенствования технологий их производства, благодаря принципиальной возможности сочетать в одном веществе любые желаемые свойства, синтетические ВМС постепенно проникают во все области промышленности, где они становятся совершенно незаменимыми конструкционными и антикоррозийными материалами.

Органические и неорганические ВМС.

Органические ВМС являются основой живой природы входящие в состав растений, - полисахариды, лигпин, белки, пектиновые вещества – высокомолекулярны. Ценные механические свойства древесины, хлопка, льны обусловлены значительным содержанием в них высокомолекулярного полисахарида – целлюлозы. Главной составной частью картофеля, пшеницы, ржи, овса, риса, кукурузы, ячменя являются другой высокомолекулярный полисахарид – крахмал. Торф, бурый уголь, каменные угли представляют собой продукты геологического превращения растительных тканей, главным образом целлюлозы и лигнина, а также должны быть отнесены к высокомолекулярным соединениям.

В основе живого мира также лежат ВМС – белки, являющиеся главной составной частью почти всех веществ животного происхождения. Мышцы, соединительные ткани, мозг, кровь, кожа, волосы, шерсть, рог состоят в основном из высокомолекулярных белковых веществ.

Неорганические высокомолекулярные соединения играют такую же большую роль и так же распространены в минеральном мире, как органические ВМП в живой природе.

Основная часть земной коры состоит из окислов кремния, алюминия и других многовалентных элементов, соединенных, по-видимому, в макромолекулы. Наиболее распространен среди этих окислов кремниевый ангидрид [SiO₂]_n, являющийся, бесспорно, высокомолекулярным соединением. Более 50% всей массы земного шара состоит из кремниевого ангидрида, а в наружной части земной коры содержание его достигает 60%. Наиболее распространенной модификацией кремниевого ангидрида является кварц – важнейшая составная часть большинства горных пород и песка.

Общие свойства ВМС.

Для высокомолекулярных соединений характерны некоторые общие свойства, которые позволяют выделить химию высоко­молекулярных соединений в самостоятельную науку. Эти свойства не могут быть описаны с помощью представлений классической химии. Для рассмотрения свойств высокомолекулярных соединений необходимо ввести принципиально новые понятия, общие для всего класса соединений.

Молекулярный вес полимеров.

Первой особенностью химии высокомолекулярных соединений является совершенно новое понятие молекулярного веса.

Для низкомолекулярных соединений величина молекулярного веса — это константа, характеризующая индивидуальность химиче­ского соединения. Изменение молекулярного веса всегда свидетель­ствует о переходе к другому веществу и сопровождается заметным изменением свойств. С переходом от одного представителя гомо­логического ряда к другому (т. е. с изменением величины молеку­лярного веса) физические свойства веществ изменяются настолько, что, пользуясь этим изменением, удается отделить гомологи друг от друга.

Рис. 1. Кривые распределения по молекулярным весам.

Молекулярный Вес

На рис. 1 показаны кривые распределения по молекулярному весу двух полимеров с одинаковой средней степенью полимеризации, но с различной полидисперсностью. Полимер, который характери­зуется кривой 1, более однороден по молекулярному весу, чем поли­мер с кривой распределения 2.

Степень полидисперсности является не менее важной характе­ристикой полимера, чем средний молекулярный вес.

С изменением физических свойств по мере увеличения молекуляр­ного веса непосредственно связана еще одна особенность высокомо­лекулярных соединений. С увеличением молекулярного веса давление паров химических соединений уменьшается и задолго до достиже­ния значений молекулярных весов, характерных для высокомолеку­лярных соединений, падает практически до нуля. При нагревании высокомолекулярных соединений не наблюдается заметной летучести, а при определенной температуре наступает термическое разложение вещества с разрывом химических связей и перегруппировкой атомов. Высокомолекулярные соединения практически нелетучи и не могут быть переведены в газообразное состояние.

В отличие от низкомолекулярных соединений, для которых изве­стны три агрегатных состояния: твердое тело, жидкость, газ, — для высокомолекулярных соединений известны только два агрегатных состояния: твердое тело, жидкость.

Дробное поведение макромолекул.

Характерной особенностью химии высокомолекулярных соеди­нений является то, что наименьшей «частицей», участвующей в реак­ции или физико-химическом процессе, является не молекула, как в классической химии, а элементарное звено (при химических реакциях) или участок цепи (при физико-химических и физико-механических процессах).

Такое поведение молекул высокомолекулярных соединений в физико-химических и физико-механических процессах связано с гибкостью макромолекул. Молекулярные цепи разных полиме­ров обладают различной гибкостью, которая определяется величи­ной потенциального барьера свободного вращения атомов относи­тельно друг друга. Величина потенциального барьера в свою очередь зависит от химического строения полимера и характера функ­циональных групп, имеющихся в цепи.

Макромолекулы линейных полимеров характеризуются высокой степенью асимметрии. Поэтому отдельные участки вытянутой моле­кулярной цепи настолько удалены друг от друга, что взаимное влия­ние становится ничтожно малым. Вследствие этого некоторые участ­ки молекулярной цепи при растворении (когда подвижность и гиб­кость цепи возрастает) и в процессах деформации полимеров ведут себя как кинетически самостоятельные единицы. Такие участки моле­кулярной цепи называют сегментами. Величина участка моле­кулярной цепи, проявляющего кинетическую независимость (сегмен­та), не является постоянной и зависит от условий, в которых находится полимер (температура и концентрация раствора, природа растворителя, температура, величина и скорость приложения на­грузки при деформации). Это приводит к появлению некоторых осо­бенностей в свойствах растворов и в процессах деформации поли­меров.

Простейшей «частицей», самостоятельно участвующей в химиче­ских реакциях, является элементарное звено макромолекулы поли­мера. Следовательно, реакции функциональных групп полимеров — это химические реакции элементарных звеньев.

Следует отметить, что под функциональными группами полиме­ра обычно подразумевают функциональные группы, входящие в со­став элементарных звеньев цепи. В макромолекулах большинства полимеров имеются также концевые функциональные группы, как правило отличающиеся от функциональных групп элементар­ных звеньев. Однако при большом молекулярном весе полимера и малом числе концевых групп реакциями концевых групп в подавляю­щем большинстве химических превращений полимеров можно пре­небречь.

В классической химии полноту протекания химической реакции обычно характеризуют числом молей превращенного вещества или выходом продуктов реакции, причем под «молем» понимают вполне определенную величину — молекулярный вес вещества, выраженный в конкретных весовых единицах.

Иначе обстоит дело в химии высокомолекулярных соединений. Так, при этерификации поливинилового спирта один моль уксусного ангидрида расходуется на одно элементарное звено полимера, и понятие «моль» становится условным. В химии высокомолекулярных соединений молем* называют молекуляр­ный вес элементарного звена полимера, выраженный в конкретных весовых единицах.

Соответственно полноту химической реакции характеризуют числом прореагировавших элементарных звеньев. Поскольку эти звенья находятся в одной молекулярной цепи, число элементарных звеньев, участвующих в реакции, показывает не выход конечного продукта реакции, как в реакциях низкомолекулярных соединений, а степень химического превращения высокомолекуляр­ного соединения. К тому же исходные и конечные продукты реак­ции объединены в одной молекулярной цепи, что меняет представле­ния «классической» химии о чистом веществе. Поэтому результаты химических превращений высокомолекулярных соединений прихо­дится оценивать статистически.

В тех случаях, когда в результате реакции достигнута исчерпы­вающая полнота превращения всех функциональных групп, полученный продукт, согласно понятиям классической химии, все равно не является чистым веществом вследствие неоднородности полимера по молекулярному весу. Таким образом, вводятся новые понятия: однородность вещества по молекулярному весу и однородность вещества по химическому составу.

Наряду с реакциями элементарных звеньев очень важное значе­ние имеют макромолекулярные реакции полимеров. В этих реакциях макромолекула ведет себя как единое целое и поэтому стехиометрические соотношения реагирующих веществ резко отли­чаются от стехиометрических соотношении веществ в реакциях эле­ментарных звеньев полимеров.

К макромолекулярным реакциям полимеров относятся межмо­лекулярные реакции, в результате которых между макромолекулами образуются химические связи и линейные полимеры превращаются в пространственные, а также реакции химической деструкции поли­меров, протекающие под влиянием химических реагентов.

В реакциях элементарных звеньев полимера, вследствие соизме­римости молекулярных весов элементарного звена и реагирующего с ним низкомолекулярного вещества, участвуют обычно соизмеримые количества полимера и низкомолекулярного соединения. При обра­зовании же межмолекулярных связей в реакции участвует, с одной стороны, макромолекула полимера, а с другой — молекула низко* молекулярного соединения, молекулярный вес которого в сотни или тысячи раз меньше молекулярного веса полимера. Например, для обра­зования химической связи между двумя макромолекулами полиакриловой кислоты достаточно одного атома двухвалентного металла:

При этом макромолекулы полиакриловой кислоты теряют свою кинетическую самостоятельность, полимер приобретает пространст­венное строение, в результате чего резко изменяются физические свойства системы.

Весовая доля низкомолекулярного вещества, участвующего в макромолекулярной реакции, ничтожно мала, так как она опреде­ляется соотношением молекулярных весов низкомолекулярного со­единения и полимера. Этим обусловлена одна из важных особенно­стей высокомолекулярных соединений — резкое изменение свойств под влиянием малых добавок некоторых веществ.

При реакциях химической деструкции полимеров на разрыв од­ной связи в полимере расходуется одна молекула низкомолекуляр­ного вещества. Например, при гидролизе полиамидов для омыления одной амидной связи требуется одна молекула воды:

Геометрическая форма макромолекул.

Третья особенность химии высокомолекулярных соедине­ний — это резкая зависимость свойств полимеров от геометрической формы макромолекул. В химии низкомолекулярных соединений от геометрии молекулы зависят лишь свойства отдельных ее атомов. Физико-химические свойства низкомолекулярных соединений, как правило, не рассматриваются в связи с формой молекулы.

В химии высокомолекулярных соединений форма макромолекулы приобретает очень важное значение. Так, макромолекула линей­ного полимера в зависимости от геометрии элементарных звеньев и порядка их чередования (если они различаются по химическому со­ставу и стереометрии) может по своей форме приближаться к жест­кой палочке (полифенилены, полиацетилены), свертываться в спираль (амилоза, нуклеиновые кислоты, пептиды) или в клубок (глобуляр­ные белки). В зависимости от формы макромолекулы линейные полимеры могут значительно различаться по свойствам. Но в то же время они имеют ряд общих свойств, характерных именно для •линейных полимеров, которые отличают их от полимеров с иной гео­метрической формой молекул.

Все линейные полимеры принципиально могут быть переведены в раствор. Растворы линейных полимеров даже при относительно небольших концентрациях обладают высокой вязкостью, в десятки и сотни раз превышающей вязкость соответствующих растворов низко­молекулярных соединений. Многие линейные полимеры могут пла­виться без разложения, причем их расплавы также обладают очень высокой вязкостью. Линейные полимеры, отличаются хорошими физи­ко-механическими свойствами: большой прочностью и эластич­ностью. Гибкость макромолекулы линейных полимеров способствует их растворению и плавлению, а способность гибкой макромолекулы изменять форму под влиянием внешних усилий обусловливает высо­кие эластические свойства. Значительная разрывная прочность ли­нейных полимеров объясняется главным образом тем, что линейные макромолекулы могут достигать высокой степени ориентации отно­сительно друг друга и иметь большую плотность упаковки, что приводит к возникновению многочисленных межмолекулярных связей с высокой суммарной энергией.

Эти особенности свойств линейных полимеров вытекают из их строения. Наличие двух типов связей (химических валентных свя­зей и физических межмолекулярных взаимодействий), различающихся по энергетической характеристике, определяет возможность растворения и плавления линейных полимеров. Высокой степенью асимметрии макромолекул обусловлена высокая вязкость растворов и расплавов линейных полимеров.

Разветвленные полимеры также могут быть переведены в рас­твор, причем при одинаковом химическом составе и молекулярном весе растворимость разветвленных полимеров выше растворимости линейных полимеров.