A makromolekuláris vegyület Definíció, összetétel, jellemzők, tulajdonságok

2024 Szerző: Angel Austin | [email protected]. Utoljára módosítva: 2024-01-02 17:48

A nagy molekulatömegű vegyületek nagy molekulatömegű polimerek. Lehetnek szerves és szervetlen vegyületek. Különbséget kell tenni amorf és kristályos anyagok között, amelyek monomer gyűrűkből állnak. Ez utóbbiak kémiai és koordinációs kötésekkel összekapcsolt makromolekulák. Leegyszerűsítve a nagy molekulatömegű vegyület egy polimer, azaz olyan monomer anyagok, amelyek nem változtatják meg tömegüket, ha ugyanazt a "nehéz" anyagot kötik hozzájuk. Ellenkező esetben az oligomerről fogunk beszélni.

Mit vizsgál a makromolekuláris vegyületek tudománya?

A makromolekuláris polimerek kémiája a monomer alegységekből álló molekulaláncok tanulmányozása. Ez a kutatás hatalmas területét fedi le. Számos polimer jelentős ipari és kereskedelmi jelentőséggel bír. Amerikában a földgáz felfedezésével együtt nagy projekt indult egy polietiléngyártó üzem felépítésére. A földgázból származó etán átalakuletilénbe, a monomerbe, amelyből polietilén állítható elő.

A polimer mint makromolekuláris vegyület:

• A természetes vagy szintetikus anyagok bármelyike, amely nagyon nagy molekulákból, úgynevezett makromolekulákból áll.
• Sok egyszerűbb kémiai egység, úgynevezett monomer.
• A polimerek számos anyagot alkotnak az élő szervezetekben, beleértve például a fehérjéket, a cellulózt és a nukleinsavakat.
• Ezenkívül olyan ásványok alapját képezik, mint a gyémánt, kvarc és földpát, valamint olyan mesterséges anyagok, mint a beton, üveg, papír, műanyagok és gumik.

A „polimer” szó meghatározatlan számú monomer egységet jelöl. Ha a monomerek mennyisége nagyon magas, a vegyületet néha nagy polimernek nevezik. Nem korlátozódik az azonos kémiai összetételű vagy molekulatömegű és szerkezetű monomerekre. Néhány természetes nagy molekulatömegű szerves vegyület egyetlen típusú monomerből áll.

A legtöbb természetes és szintetikus polimer azonban két vagy több különböző típusú monomerből készül; az ilyen polimereket kopolimereknek nevezzük.

Természetes anyagok: mi a szerepük az életünkben?

A nagy molekulatömegű szerves vegyületek döntő szerepet játszanak az emberek életében, alapvető szerkezeti anyagokat biztosítanak, és részt vesznek a létfontosságú folyamatokban.

• Például minden növény szilárd részei polimerekből állnak. Ide tartozik a cellulóz, lignin és különféle gyanták.
• Pép vanpoliszacharid, cukormolekulákból álló polimer.
• A lignin polimerek összetett, háromdimenziós hálózatából képződik.
• A fagyanták egy egyszerű szénhidrogén, az izoprén polimerei.
• Egy másik ismerős izoprén polimer a gumi.

További fontos természetes polimerek közé tartoznak a fehérjék, amelyek aminosavak és nukleinsavak polimerei. Ezek a nukleotidok típusai. Ezek összetett molekulák, amelyek nitrogéntartalmú bázisokból, cukrokból és foszforsavból állnak.

A nukleinsavak hordozzák a genetikai információt a sejtben. A keményítők, amelyek fontos növényi táplálék-energiaforrás, glükózból álló természetes polimerek.

A makromolekuláris vegyületek kémiája szervetlen polimereket bocsát ki. A természetben is megtalálhatók, beleértve a gyémántot és a grafitot. Mindkettő karbonból készült. Érdemes tudni:

• A gyémántban a szénatomok háromdimenziós hálózatba kapcsolódnak, amely megadja az anyag keménységét.
• A kenőanyagként használt grafitban és a ceruza "vezetékekben" a szénatomok olyan síkban kötődnek, amelyek egymáson csúszhatnak.

Sok fontos polimer tartalmaz oxigén- vagy nitrogénatomokat, valamint szénatomokat a gerincben. Az oxigénatomokat tartalmazó makromolekuláris anyagok közé tartoznak a poliacetálok.

A legegyszerűbb poliacetál a poliformaldehid. Magas olvadáspontú, kristályos, kopásálló ésaz oldószerek hatása. Az acetálgyanták fémszerűbbek, mint bármely más műanyag, és gépalkatrészek, például fogaskerekek és csapágyak gyártásához használják.

Mesterségesen nyert anyagok

Szintetikus makromolekuláris vegyületek különböző típusú reakciókban keletkeznek:

1. Sok egyszerű szénhidrogén, például az etilén és a propilén polimerekké alakítható, ha egyik monomert a másik után adják a növekvő lánchoz.
2. Az ismétlődő etilén monomerekből álló polietilén adalék polimer. Akár 10 000 monomert is tartalmazhat, amelyek hosszú spirális láncokba kapcsolódnak. A polietilén kristályos, áttetsző és hőre lágyuló, ami azt jelenti, hogy melegítés közben meglágyul. Bevonatokhoz, csomagolásokhoz, öntött alkatrészekhez, valamint palackokhoz és tartályokhoz használják.
3. A polipropilén szintén kristályos és hőre lágyuló, de keményebb, mint a polietilén. Molekulái 50 000-200 000 monomerből állhatnak.

Ezt a keveréket a textiliparban és fröccsöntésre használják.

Egyéb adalék polimerek közé tartozik:

• polibutadién;
• poliizoprén;
• polikloroprén.

Minden fontos a szintetikus gumik gyártásában. Egyes polimerek, például a polisztirol, szobahőmérsékleten üvegesek és átlátszóak, valamint hőre lágyulóak:

1. A polisztirol bármilyen színre festhető, és játékok és egyéb műanyagok gyártásához használjáktételek.
2. Ha az etilénben egy hidrogénatomot klóratommal helyettesítünk, vinil-klorid képződik.
3. Polimerizálódik polivinil-kloriddá (PVC), egy színtelen, kemény, merev, hőre lágyuló anyaggá, amely számos formát, például habot, filmet és szálat készíthet.
4. Etilén és ecetsav reakciójával keletkező vinil-acetát amorf, lágy gyantákká polimerizálódik, amelyeket bevonatként és ragasztóként használnak.
5. Vinil-kloriddal kopolimerizálódik, így hőre lágyuló anyagok nagy családját alkotja.

Egy lineáris polimert, amelyet az észtercsoportok ismétlődése jellemez a főlánc mentén, poliészternek nevezzük. A nyitott láncú poliészterek színtelen, kristályos, hőre lágyuló anyagok. A nagy molekulatömegű (10 000 és 15 000 molekula közötti) szintetikus makromolekuláris vegyületeket a filmek előállításához használják.

Ritka szintetikus poliamidok

A poliamidok közé tartoznak a tejben és a kukoricában található zeinben előforduló, természetesen előforduló kazeinfehérjék, amelyeket műanyagok, rostok, ragasztók és bevonatok készítésére használnak. Érdemes megjegyezni:

• A szintetikus poliamidok közé tartoznak a karbamid-formaldehid gyanták, amelyek hőre keményednek. Öntött tárgyak készítésére, valamint textil- és papírragasztóként és bevonatként használják.
• Szintén fontosak a nejlonként ismert poliamid gyanták. Őktartós, ellenáll a hőnek és a kopásnak, nem mérgező. Színezhetők. Leghíresebb felhasználása textilszál, de sok más felhasználási terület is van.

A szintetikus nagy molekulatömegű kémiai vegyületek másik fontos családja az uretáncsoport lineáris ismétlődéseiből áll. A poliuretánokat spandexként ismert elasztomer szálak és alapbevonatok gyártásához használják.

A polimerek másik osztálya a kevert szerves-szervetlen vegyületek:

1. E polimercsalád legfontosabb képviselői a szilikonok. A nagy molekulatömegű vegyületek váltakozó szilícium- és oxigénatomokat tartalmaznak, amelyek mindegyikéhez szerves csoportok kapcsolódnak.
2. Az alacsony molekulatömegű szilikonok olajok és zsírok.
3. A nagyobb molekulatömegű anyagok sokoldalú rugalmas anyagok, amelyek még nagyon alacsony hőmérsékleten is puhák maradnak. Magas hőmérsékleten is viszonylag stabilak.

A polimer lehet háromdimenziós, kétdimenziós és szimpla. Az ismétlődő egységek gyakran szénből és hidrogénből, néha oxigénből, nitrogénből, kénből, klórból, fluorból, foszforból és szilíciumból állnak. A lánc létrehozásához sok egységet kémiailag összekapcsolnak vagy polimerizálnak egymással, ami megváltoztatja a nagy molekulatömegű vegyületek jellemzőit.

Milyen tulajdonságokkal rendelkeznek a makromolekuláris anyagok?

Az előállított polimerek többsége hőre lágyuló műanyag. Utána polimer képződik, melegíthető és újra reformálható. Ez a tulajdonság megkönnyíti a kezelést. A hőre keményedők egy másik csoportja nem olvasztható újra: a polimerek kialakulása után az újramelegítés lebomlik, de nem olvad meg.

Polimerek makromolekuláris vegyületeinek jellemzői a csomagok példáján:

1. Vegyi anyagokkal szemben nagyon ellenálló lehet. Vegye figyelembe otthonában az összes műanyagba csomagolt tisztítófolyadékot. Leírta a szemmel való érintkezés minden következményét, de a bőrt. Ez a polimerek veszélyes kategóriája, amely mindent felold.
2. Míg egyes műanyagok könnyen deformálódnak az oldószerek hatására, más műanyagokat törhetetlen csomagolásokba helyeznek az agresszív oldószerek számára. Nem veszélyesek, de csak árthatnak az embereknek.
3. A makromolekuláris vegyületek oldatait leggyakrabban egyszerű műanyag zacskókban szállítják, hogy csökkentsék a tartályban lévő anyagokkal való kölcsönhatásuk százalékos arányát.

Általános szabály, hogy a polimerek nagyon könnyűek és jelentős szilárdságúak. Fontolja meg a felhasználási lehetőségek széles skáláját, a játékoktól az űrállomások vázszerkezetéig, vagy a vékony nejlonszáltól a harisnyanadrágban a kevlarig, amelyet a testpáncélban használnak. Egyes polimerek lebegnek a vízben, mások elsüllyednek. A kő, beton, acél, réz vagy alumínium sűrűségéhez képest minden műanyag könnyű anyag.

A makromolekuláris vegyületek tulajdonságai eltérőek:

1. A polimerek hő- és elektromos szigetelőként szolgálhatnak: készülékek, vezetékek, elektromos aljzatok és polimer anyagokkal bevont vezetékek.
2. Hőálló konyhai készülékek gyantás edény és serpenyő fogantyúkkal, kávéfőző fogantyúkkal, hűtő- és fagyasztóhabbal, hőszigetelt csészékkel, hűtőkkel és mikrohullámú sütőben használható edényekkel.
3. A sok síelő által viselt hővédő alsónemű polipropilénből, míg a téli kabátok szálai akrilból és poliészterből készülnek.

A nagy molekulatömegű vegyületek olyan anyagok, amelyek korlátlan számú jellemzővel és színnel rendelkeznek. Számos olyan tulajdonsággal rendelkeznek, amelyek az adalékanyagok széles választékával tovább javíthatók az alkalmazás bővítése érdekében. A polimerek alapul szolgálhatnak a pamut, selyem és gyapjú, porcelán és márvány, alumínium és cink utánzásához. Az élelmiszeriparban a gombák ehető tulajdonságainak biztosítására használják. Például drága kék sajt. A polimer feldolgozásnak köszönhetően biztonságosan fogyasztható.

Polimer szerkezetek feldolgozása és alkalmazása

A polimerek többféleképpen feldolgozhatók:

• Az extrudálás lehetővé teszi vékony szálak vagy nehéz, masszív csövek, fóliák, élelmiszer-palackok előállítását.
• A fröccsöntés lehetővé teszi összetett alkatrészek, például nagy karosszériaelemek készítését.
• A műanyagokat hordókba önthetjük, vagy oldószerekkel keverhetjük, hogy ragasztóalapot vagy festéket kapjanak.
• Az elasztomerek és egyes műanyagok nyújthatók és rugalmasak.
• Egyes műanyagok a feldolgozás során kitágulnak, hogy megtartsák alakjukat, például az ivóvizes palackok.
• Más polimerek is habosíthatók, például polisztirol, poliuretán és polietilén.

A makromolekuláris vegyületek tulajdonságai a mechanikai hatástól és az anyag előállítási módjától függően változnak. Ez lehetővé teszi a különböző iparágakban történő alkalmazásukat. A főbb makromolekuláris vegyületek céljai szélesebbek, mint azok, amelyek különleges tulajdonságaikban és előállítási módjukban különböznek egymástól. Univerzális és "szeszélyes" "találják magukat" az élelmiszer- és építőiparban:

1. A nagy molekulatömegű vegyületek olajból állnak, de nem mindig.
2. Sok polimert ismétlődő egységekből állítanak elő, amelyeket korábban földgázból, szénből vagy nyersolajból alakítottak ki.
3. Egyes építőanyagok megújuló anyagokból, például tejsavból készülnek (kukoricából vagy cellulózból és pamutszálakból).

Az is érdekes, hogy szinte lehetetlen cserélni:

• A polimerek olyan tárgyak készítésére használhatók, amelyeknek nincs más anyaga.
• Átlátszó vízálló fóliákká készülnek.
• A PVC-t orvosi csövek és vértasakok készítésére használják, amelyek meghosszabbítják a termék és származékai eltarthatóságát.
• A PVC biztonságosan szállít gyúlékony oxigént a nem gyúlékony hajlékony csövekhez.
• És az antitrombogén anyagok, például a heparin a rugalmas PVC katéterek kategóriájába sorolhatók.

Sok orvosi eszköz a makromolekuláris vegyületek szerkezeti jellemzőire összpontosít a hatékony működés érdekében.

Makromolekuláris anyagok megoldásai és tulajdonságaik

Mivel a diszpergált fázis mérete nehezen mérhető, és a kolloidok oldatok formájában vannak, néha azonosítják és jellemzik a fizikai-kémiai és transzport tulajdonságait.

kolloid fázis	Kemény	Tiszta megoldás	Méretjelzők
	Ha a kolloid egy folyadékban diszpergált szilárd fázisból áll, a szilárd részecskék nem diffundálnak át a membránon.	Az oldott ionok vagy molekulák teljes diffúzióval átdiffundálnak a membránon.	A méretkizárás miatt a kolloid részecskék nem tudnak átjutni a saját méretüknél kisebb UF membránpórusokon.
Koncentráció a makromolekuláris vegyületek oldatainak összetételében	A tényleges oldott anyag pontos koncentrációja azoktól a kísérleti körülményektől függ, amelyeket a folyadékban szintén diszpergált kolloid részecskéktől való elválasztására használnak.	A makromolekuláris vegyületek reakciójától függ, amikor oldhatósági vizsgálatokat végeznek könnyen hidrolizálódó anyagokkal, például Al, Eu, Am, Cm.	Minél kisebb az ultraszűrő membrán pórusmérete, annál alacsonyabb a koncentrációaz ultraszűrt folyadékban visszamaradt diszpergált kolloid részecskék.

A hidrokolloid olyan kolloid rendszer, amelyben a makromolekuláris molekulák részecskéi vízben diszpergált hidrofil polimerek.

Vízfüggőség	Hőfüggőség	A gyártási módszertől való függés
A hidrokolloidok vízben diszpergált kolloid részecskék. Ebben az esetben a két komponens aránya befolyásolja a polimer formáját - gél, hamu, folyékony halmazállapotú.	A hidrokolloidok lehetnek irreverzibilisek (egy állapotban) vagy reverzibilisek. Például az agar, a hínárkivonat reverzibilis hidrokolloidja, létezhet zselés és szilárd halmazállapotban, vagy hő hozzáadásával vagy eltávolításával váltakozva alakulhat ki.	A makromolekuláris vegyületek, például a hidrokolloidok kinyerése természetes forrásoktól függ. Például az agar-agart és a karragént hínárból vonják ki, a zselatint szarvasmarha- és halfehérjék hidrolízisével, a pektint pedig citrusfélék héjából és almatörkölyből vonják ki.
A porból készült zselatin desszertek összetétele eltérő hidrokolloidot tartalmaz. Kevesebb folyadékkal van felruházva.	A hidrokolloidokat az élelmiszerekben elsősorban az állag vagy a viszkozitás befolyásolására használják (pl. szósz). A konzisztencia azonban már a hőkezelés módjától is függ.	A hidrokolloid alapú orvosi kötszereket a bőr és a sebek kezelésére használják. NÁL NÉLA gyártás teljesen más technológián alapul, és ugyanazokat a polimereket használják.

További fő hidrokolloidok a xantángumi, gumiarábikum, guargumi, szentjánoskenyérgumi, cellulózszármazékok, például karboxi-metil-cellulóz, alginát és keményítő.

Makromolekuláris anyagok kölcsönhatása más részecskékkel

A következő erők játszanak fontos szerepet a kolloid részecskék kölcsönhatásában:

• Taszítás a térfogattól függetlenül: ez a szilárd részecskék közötti átfedés hiányára utal.
• Elektrosztatikus kölcsönhatás: A kolloid részecskék gyakran hordoznak elektromos töltést, ezért vonzzák vagy taszítják egymást. Mind a folytonos, mind a szórt fázis töltése, valamint a fázisok mobilitása befolyásolja ezt a kölcsönhatást.
• Van der Waals erők: Ez két dipólus közötti kölcsönhatásnak köszönhető, amelyek állandóak vagy indukáltak. Még ha a részecskéknek nincs is állandó dipólusa, az elektronsűrűség-ingadozások ideiglenes dipólust eredményeznek a részecskében.
• Entrópiaerők. A termodinamika második főtétele szerint a rendszer olyan állapotba kerül, amelyben az entrópia maximalizált. Ez hatékony erők létrejöttéhez vezethet még kemény szférák között is.
• A polimerrel bevont felületek között vagy a nem adszorbens analógot tartalmazó oldatokban fellépő sztérikus erők modulálhatják a részecskék közötti erőket, további sztérikus taszító erőt hozva létre, amelytúlnyomórészt entrópiás természetű, vagy közben kimerítő erő.

Ez utóbbi hatásra törekszünk a speciálisan kialakított szuperlágyítókkal, amelyek célja a beton megmunkálhatóságának növelése és víztartalmának csökkentése.

Polimer kristályok: hol találhatók, hogyan néznek ki?

A nagy molekulatömegű vegyületek közé tartoznak még a kristályok is, amelyek a kolloid anyagok kategóriájába tartoznak. Ez a részecskék rendkívül rendezett tömbje, amelyek nagyon nagy távolságban (általában néhány millimétertől egy centiméterig terjedő nagyságrendűek) képződnek, és hasonlóak atomi vagy molekuláris megfelelőikhez.

A transzformált kolloid neve	Rendelési példa	Gyártás
Precious Opal	Ennek a jelenségnek az egyik legjobb természetes példája a kő tiszta spektrális színében található	Ez az amorf kolloid szilícium-dioxid (SiO2) gömbök egymáshoz közeli réseinek eredménye

Ezek a gömb alakú részecskék erősen szilíciumtartalmú tartályokban rakódnak le. A hidrosztatikus és gravitációs erők hatására évekig tartó ülepedés és összenyomódás után erősen rendezett tömegeket alkotnak. A szubmikrométeres gömb alakú részecskék periodikus tömbjei hasonló intersticiális üregtömböket biztosítanak, amelyek természetes diffrakciós rácsként működnek a látható fényhullámok számára, különösen akkor, ha az intersticiális térköz ugyanolyan nagyságrendű, mint a beeső fényhullám.

Így kiderült, hogy a visszataszító miattA Coulomb-kölcsönhatások, az elektromosan töltött makromolekulák vizes közegben nagy hatótávolságú kristályszerű korrelációt mutathatnak a részecskék közötti távolságokkal, amelyek gyakran sokkal nagyobbak, mint az egyes részecskék átmérője.

Mindegyik esetben a természetes makromolekuláris vegyület kristályai ugyanolyan ragyogó szivárgást (vagy színjátékot) mutatnak, ami a látható fényhullámok diffrakciójának és konstruktív interferenciájának tulajdonítható. Megfelelnek Bragg törvényének.

Az úgynevezett "kolloidkristályok" tanulmányozásával kapcsolatos kísérletek nagy száma az elmúlt 20 évben szintetikus monodiszperz kolloidok (polimerek és ásványi anyagok) előállítására kidolgozott viszonylag egyszerű módszerek eredményeként született meg. Különféle mechanizmusok révén valósul meg és marad meg egy hosszú távú rend kialakulása.

A molekulatömeg meghatározása

A molekulatömeg a vegyi anyagok kritikus tulajdonsága, különösen a polimerek esetében. A minta anyagától függően különböző módszereket választanak ki:

1. A molekulák molekulatömege, valamint molekulaszerkezete tömegspektrometriával határozható meg. A közvetlen infúziós módszerrel a minták közvetlenül a detektorba fecskendezhetők, hogy megerősítsék egy ismert anyag értékét, vagy biztosítsák az ismeretlen anyag szerkezeti jellemzését.
2. A polimerek molekulatömegére vonatkozó információ olyan módszerrel határozható meg, mint például méretkizárásos kromatográfia a viszkozitás és a méret meghatározására.
3. AzértA polimerek molekulatömegének meghatározásához meg kell érteni egy adott polimer oldhatóságát.

Egy vegyület össztömege megegyezik a molekulában lévő egyes atomok egyedi atomtömegeinek összegével. Az eljárást a következő képlet szerint hajtjuk végre:

1. Határozza meg a molekula molekulaképletét.
2. A periódusos rendszer segítségével keresse meg a molekulában lévő egyes elemek atomtömegét.
3. Szorozza meg az egyes elemek atomtömegét az adott elem atomjainak számával a molekulában.
4. A kapott számot a molekulaképlet elemszimbóluma melletti alsó index jelzi.
5. Összekapcsolja az összes értéket a molekula minden egyes atomjára vonatkozóan.

Példa egy egyszerű kis molekulatömeg-számításra: Az NH_{3 molekulatömegének meghatározásához az első lépés a nitrogén (N) és a hidrogén atomtömegének meghatározása (H). Tehát H=1, 00794N=14, 0067.}

Ezután szorozd meg az egyes atomok tömegét a vegyületben lévő atomok számával. Egy nitrogénatom van (egy atomhoz nincs alsó index megadva). Három hidrogénatom van, amint azt az alsó index jelzi. Tehát:

• Egy anyag molekulatömege=(1 x 14,0067) + (3 x 1,00794)
• Molekulatömeg=14,0067 + 3,02382
• Eredmény=17, 0305

Példa a komplex molekulatömeg kiszámítására Ca₃(PO₄)_{2 bonyolultabb számítási lehetőség:}

A periódusos rendszerből az egyes elemek atomtömege:

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

A trükkös rész az, hogy kitaláljuk, hány atom van a vegyületben. Három kalciumatom, két foszforatom és nyolc oxigénatom van. Ha az összekapcsolási rész zárójelben van, akkor az elem karakterét közvetlenül követő alsó indexet szorozza meg a zárójelet záró alsó indexszel. Tehát:

• Egy anyag molekulatömege=(40,078 x 3) + (30,97361 x 2) + (15,9994 x 8).
• Molekulatömeg a számítás után=120, 234 + 61, 94722 + 127, 9952.
• Eredmény=310, 18.

Az elemek összetett alakzatait analógia útján számítjuk ki. Némelyikük több száz értékből áll, így az automatizált gépeket ma már az összes g/mol értéket tartalmazó adatbázissal használják.