Makromolekulární sloučenina je Definice, složení, charakteristiky, vlastnosti

2024 Autor: Angel Austin | [email protected]. Naposledy změněno: 2024-01-02 17:43

Sloučeniny s vysokou molekulovou hmotností jsou polymery, které mají velkou molekulovou hmotnost. Mohou to být organické a anorganické sloučeniny. Rozlišujte mezi amorfními a krystalickými látkami, které se skládají z monomerních kruhů. Posledně jmenované jsou makromolekuly spojené chemickými a koordinačními vazbami. Zjednodušeně řečeno, vysokomolekulární sloučenina je polymer, tedy monomerní látky, které nemění svou hmotnost, když se na ně naváže stejná „těžká“látka. Jinak budeme mluvit o oligomeru.

Co studuje věda o makromolekulárních sloučeninách?

Chemie makromolekulárních polymerů je studium molekulárních řetězců sestávajících z monomerních podjednotek. To pokrývá obrovskou oblast výzkumu. Mnoho polymerů má významný průmyslový a komerční význam. V Americe byl spolu s objevem zemního plynu zahájen velký projekt výstavby závodu na výrobu polyetylenu. Ethan ze zemního plynu se přeměňujena ethylen, monomer, ze kterého lze vyrobit polyethylen.

Polymer jako makromolekulární sloučenina je:

• Jakákoli z třídy přírodních nebo syntetických látek složených z velmi velkých molekul nazývaných makromolekuly.
• Mnoho jednodušších chemických jednotek zvaných monomery.
• Polymery tvoří mnoho materiálů v živých organismech, včetně například proteinů, celulózy a nukleových kyselin.
• Navíc tvoří základ nerostů, jako je diamant, křemen a živec, stejně jako umělých materiálů, jako je beton, sklo, papír, plasty a pryže.

Slovo „polymer“označuje neurčitý počet monomerních jednotek. Když je množství monomerů velmi vysoké, sloučenina je někdy označována jako vysoký polymer. Není omezen na monomery se stejným chemickým složením nebo molekulovou hmotností a strukturou. Některé přírodní vysokomolekulární organické sloučeniny se skládají z jediného typu monomeru.

Většina přírodních a syntetických polymerů je však tvořena ze dvou nebo více různých typů monomerů; takové polymery jsou známé jako kopolymery.

Přírodní látky: jaká je jejich role v našich životech?

Organické organické sloučeniny s vysokou molekulovou hmotností hrají v životě lidí zásadní roli, poskytují základní konstrukční materiály a účastní se životně důležitých procesů.

• Například pevné části všech rostlin se skládají z polymerů. Patří mezi ně celulóza, lignin a různé pryskyřice.
• Pulp jepolysacharid, polymer složený z molekul cukru.
• Lignin se tvoří ze složité trojrozměrné sítě polymerů.
• Stromové pryskyřice jsou polymery jednoduchého uhlovodíku, isoprenu.
• Další známý izoprenový polymer je pryž.

Další důležité přírodní polymery zahrnují proteiny, což jsou polymery aminokyselin, a nukleové kyseliny. Jsou to typy nukleotidů. Jedná se o složité molekuly složené ze zásad obsahujících dusík, cukry a kyselinu fosforečnou.

Nukleové kyseliny nesou genetickou informaci v buňce. Škroby, důležitý zdroj dietní energie z rostlin, jsou přírodní polymery tvořené glukózou.

Chemie makromolekulárních sloučenin uvolňuje anorganické polymery. Nacházejí se také v přírodě, včetně diamantu a grafitu. Oba jsou vyrobeny z karbonu. Stojí za to vědět:

• V diamantu jsou atomy uhlíku spojeny do trojrozměrné sítě, která dodává materiálu jeho tvrdost.
• V grafitu, který se používá jako mazivo a v tužkách, se atomy uhlíku spojují v rovinách, které po sobě mohou klouzat.

Mnoho důležitých polymerů obsahuje v páteři atomy kyslíku nebo dusíku a také atomy uhlíku. Mezi takové makromolekulární materiály s atomy kyslíku patří polyacetaly.

Nejjednodušším polyacetalem je polyformaldehyd. Má vysoký bod tání, je krystalický, otěruvzdorný apůsobením rozpouštědel. Acetalové pryskyřice jsou kovovější než jakékoli jiné plasty a používají se při výrobě součástí strojů, jako jsou ozubená kola a ložiska.

Látky získané uměle

Syntetické makromolekulární sloučeniny vznikají v různých typech reakcí:

1. Mnoho jednoduchých uhlovodíků, jako je etylen a propylen, lze převést na polymery přidáváním jednoho monomeru za druhým do rostoucího řetězce.
2. Polyethylen, složený z opakujících se ethylenových monomerů, je aditivní polymer. Může mít až 10 000 monomerů spojených v dlouhých spirálových řetězcích. Polyethylen je krystalický, průsvitný a termoplastický, což znamená, že při zahřívání měkne. Používá se pro nátěry, obaly, lisované díly a lahve a nádoby.
3. Polypropylen je také krystalický a termoplastický, ale tvrdší než polyethylen. Jeho molekuly se mohou skládat z 50 000-200 000 monomerů.

Tato směs se používá v textilním průmyslu a pro lisování.

Další aditivní polymery zahrnují:

• polybutadien;
• polyisopren;
• polychloropren.

Všechny jsou důležité při výrobě syntetických kaučuků. Některé polymery, jako je polystyren, jsou při pokojové teplotě sklovité a průhledné a jsou také termoplastické:

1. Polystyren lze barvit na jakoukoli barvu a používá se při výrobě hraček a jiných plastůpoložky.
2. Když je jeden atom vodíku v ethylenu nahrazen atomem chloru, vzniká vinylchlorid.
3. Polymerizuje na polyvinylchlorid (PVC), bezbarvý, tvrdý, tuhý, termoplastický materiál, který lze vyrobit do mnoha forem, včetně pěn, filmů a vláken.
4. Vinylacetát, vyrobený reakcí mezi ethylenem a kyselinou octovou, polymeruje na amorfní, měkké pryskyřice používané jako nátěry a lepidla.
5. Kopolymerizuje s vinylchloridem za vzniku velké rodiny termoplastických materiálů.

Lineární polymer charakterizovaný opakováním esterových skupin podél hlavního řetězce se nazývá polyester. Polyestery s otevřeným řetězcem jsou bezbarvé, krystalické, termoplastické materiály. Při výrobě filmů se používají ty syntetické makromolekulární sloučeniny, které mají vysokou molekulovou hmotnost (od 10 000 do 15 000 molekul).

Vzácné syntetické polyamidy

Polyamidy zahrnují přirozeně se vyskytující kaseinové proteiny nacházející se v mléce a zein nacházející se v kukuřici, které se používají k výrobě plastů, vláken, lepidel a nátěrů. Za zmínku:

• Syntetické polyamidy zahrnují močovino-formaldehydové pryskyřice, které jsou termosetové. Používají se k výrobě lisovaných předmětů a jako lepidla a povlaky na textil a papír.
• Důležité jsou také polyamidové pryskyřice známé jako nylon. Oni jsouodolný, odolný vůči teplu a oděru, netoxický. Lze je barvit. Jeho nejznámější použití je jako textilní vlákna, ale mají mnoho dalších využití.

Další důležitá skupina syntetických chemických sloučenin s vysokou molekulovou hmotností se skládá z lineárních opakování uretanové skupiny. Polyuretany se používají při výrobě elastomerních vláken známých jako spandex a při výrobě základních nátěrů.

Další třídou polymerů jsou smíšené organicko-anorganické sloučeniny:

1. Nejdůležitějšími zástupci této rodiny polymerů jsou silikony. Sloučeniny s vysokou molekulovou hmotností obsahují střídající se atomy křemíku a kyslíku s organickými skupinami připojenými ke každému z atomů křemíku.
2. Silikony s nízkou molekulovou hmotností jsou oleje a tuky.
3. Druhy s vyšší molekulovou hmotností jsou všestranné elastické materiály, které zůstávají měkké i při velmi nízkých teplotách. Jsou také relativně stabilní při vysokých teplotách.

Polymer může být trojrozměrný, dvourozměrný a jednoduchý. Opakující se jednotky jsou často tvořeny uhlíkem a vodíkem a někdy kyslíkem, dusíkem, sírou, chlorem, fluorem, fosforem a křemíkem. K vytvoření řetězce je mnoho jednotek chemicky spojeno nebo polymerizováno dohromady, čímž se mění vlastnosti sloučenin s vysokou molekulovou hmotností.

Jaké vlastnosti mají makromolekulární látky?

Většina vyrobených polymerů je termoplast. Popolymer se vytvoří, lze jej zahřát a znovu reformovat. Tato vlastnost usnadňuje manipulaci. Další skupinu termosetů nelze přetavit: jakmile se vytvoří polymery, opětovné zahřátí se rozloží, ale nerozpustí se.

Charakteristiky makromolekulárních sloučenin polymerů na příkladu obalů:

1. Může být velmi odolný vůči chemikáliím. Zvažte všechny čisticí kapaliny ve vaší domácnosti, které jsou balené v plastu. Popsal všechny následky kontaktu s očima, ale kůží. Toto je nebezpečná kategorie polymerů, která rozpouští vše.
2. Zatímco některé plasty se rozpouštědly snadno deformují, jiné plasty jsou umístěny v nerozbitných obalech pro agresivní rozpouštědla. Nejsou nebezpečné, ale mohou ublížit pouze lidem.
3. Roztoky makromolekulárních sloučenin se nejčastěji dodávají v jednoduchých plastových sáčcích, aby se snížilo procento jejich interakce s látkami uvnitř nádoby.

Obecným pravidlem je, že polymery jsou velmi lehké a mají značný stupeň pevnosti. Zvažte řadu použití, od hraček po konstrukci rámu vesmírných stanic nebo od tenkých nylonových vláken v punčocháčích až po kevlar používaný v neprůstřelných vesty. Některé polymery plavou ve vodě, jiné klesají. Ve srovnání s hustotou kamene, betonu, oceli, mědi nebo hliníku jsou všechny plasty lehkými materiály.

Vlastnosti makromolekulárních sloučenin jsou různé:

1. Polymery mohou sloužit jako tepelné a elektrické izolátory: spotřebiče, kabely, elektrické zásuvky a elektroinstalace, které jsou vyrobeny nebo potaženy polymerními materiály.
2. Žáruvzdorné kuchyňské spotřebiče s pryskyřičnými držadly hrnců a pánví, držadly kávových konvic, pěnou z lednice a mrazničky, izolovanými šálky, chladiči a nádobím vhodným do mikrovlnné trouby.
3. Termoprádlo, které nosí mnoho lyžařů, je vyrobeno z polypropylenu, zatímco vlákna v zimních bundách jsou vyrobena z akrylu a polyesteru.

Sloučeniny s vysokou molekulovou hmotností jsou látky s neomezeným rozsahem vlastností a barev. Mají mnoho vlastností, které lze dále zlepšovat širokou škálou aditiv pro rozšíření aplikace. Polymery mohou sloužit jako základ pro imitaci bavlny, hedvábí a vlny, porcelánu a mramoru, hliníku a zinku. V potravinářském průmyslu se používají k tomu, aby houby měly jedlé vlastnosti. Například drahý modrý sýr. Díky zpracování polymeru se dá bezpečně jíst.

Zpracování a aplikace polymerních struktur

Polymery lze zpracovat různými způsoby:

• Extruze umožňuje výrobu tenkých vláken nebo těžkých masivních trubek, fólií, lahví na potraviny.
• Vstřikování umožňuje vytvářet složité díly, jako jsou velké díly karoserie automobilů.
• Plasty lze odlévat do sudů nebo smíchat s rozpouštědly, aby se staly lepicími základy nebo barvami.
• Elastomery a některé plasty jsou roztažitelné a flexibilní.
• Některé plasty se během zpracování roztahují, aby si udržely svůj tvar, jako jsou láhve na pitnou vodu.
• Jiné polymery mohou být napěněny, jako je polystyren, polyuretan a polyethylen.

Vlastnosti makromolekulárních sloučenin se liší v závislosti na mechanickém působení a způsobu získání látky. To umožňuje jejich uplatnění v různých průmyslových odvětvích. Hlavní makromolekulární sloučeniny mají širší spektrum účelů než ty, které se liší speciálními vlastnostmi a způsoby přípravy. Univerzální a „rozmarné“se „najdou“v potravinářském a stavebním sektoru:

1. Sloučeniny s vysokou molekulovou hmotností se skládají z ropy, ale ne vždy.
2. Mnoho polymerů je vyrobeno z opakujících se jednotek dříve vytvořených ze zemního plynu, uhlí nebo ropy.
3. Některé stavební materiály jsou vyrobeny z obnovitelných materiálů, jako je kyselina polymléčná (z kukuřice nebo celulózy a bavlny).

Je také zajímavé, že je téměř nelze nahradit:

• Polymery lze použít k výrobě předmětů, které nemají žádné jiné materiálové alternativy.
• Vyrábí se z nich průhledné voděodolné fólie.
• PVC se používá k výrobě lékařských hadiček a krevních vaků, které prodlužují trvanlivost produktu a jeho derivátů.
• PVC bezpečně dodává hořlavý kyslík do nehořlavých flexibilních hadic.
• A antitrombogenní materiál, jako je heparin, lze zařadit do kategorie flexibilních PVC katétrů.

Mnoho lékařských přístrojů se zaměřuje na strukturální vlastnosti makromolekulárních sloučenin, aby bylo zajištěno efektivní fungování.

Roztoky makromolekulárních látek a jejich vlastnosti

Vzhledem k tomu, že velikost dispergované fáze je obtížně měřitelná a koloidy jsou ve formě roztoků, někdy identifikují a charakterizují fyzikálně-chemické a transportní vlastnosti.

Koloidní fáze	Tvrdý	Čisté řešení	Rozměrové ukazatele
	Pokud se koloid skládá z pevné fáze dispergované v kapalině, pevné částice nebudou difundovat přes membránu.	Rozpuštěné ionty nebo molekuly budou difundovat membránou při plné difúzi.	Kvůli vyloučení velikosti nemohou koloidní částice projít póry UF membrány menšími, než je jejich vlastní velikost.
Koncentrace ve složení roztoků makromolekulárních sloučenin	Přesná koncentrace skutečné rozpuštěné látky bude záviset na experimentálních podmínkách použitých k jejímu oddělení od koloidních částic také rozptýlených v kapalině.	Závisí na reakci makromolekulárních sloučenin při provádění studií rozpustnosti pro snadno hydrolyzovatelné látky, jako jsou Al, Eu, Am, Cm.	Čím menší je velikost pórů ultrafiltrační membrány, tím nižší je koncentracerozptýlené koloidní částice zbývající v ultrafiltrované kapalině.

Hydrokoloid je definován jako koloidní systém, ve kterém jsou částice makromolekulárních molekul hydrofilní polymery rozptýlené ve vodě.

Závislost na vodě	Závislost na teple	Závislost na způsobu výroby
Hydrokoloid jsou koloidní částice rozptýlené ve vodě. V tomto případě poměr dvou složek ovlivňuje formu polymeru - gel, popel, kapalné skupenství.	Hydrokoloidy mohou být nevratné (v jednom stavu) nebo reverzibilní. Například agar, reverzibilní hydrokoloid extraktu z mořských řas, může existovat v gelu a pevném stavu, nebo se mezi stavy střídat s přidáváním nebo odebíráním tepla.	Získávání makromolekulárních sloučenin, jako jsou hydrokoloidy, závisí na přírodních zdrojích. Například agar-agar a karagenan se extrahují z mořských řas, želatina se získává hydrolýzou hovězích a rybích bílkovin a pektin se extrahuje z citrusových slupek a jablečných výlisků.
Želatinové dezerty vyrobené z prášku mají ve svém složení jiný hydrokoloid. Je obdařen méně tekutinami.	Hydrokoloidy se v potravinách používají hlavně k ovlivnění textury nebo viskozity (např. omáčka). Konzistence však již závisí na způsobu tepelné úpravy.	Lékařské obvazy na bázi hydrokoloidů se používají k léčbě kůže a ran. Vvýroba je založena na zcela jiné technologii a jsou použity stejné polymery.

Další hlavní hydrokoloidy jsou xantanová guma, arabská guma, guarová guma, karubová guma, deriváty celulózy, jako je karboxymethylcelulóza, alginát a škrob.

Interakce makromolekulárních látek s jinými částicemi

V interakci koloidních částic hrají důležitou roli následující síly:

• Odpuzování bez ohledu na objem: to se týká chybějícího překrývání mezi pevnými částicemi.
• Elektrostatická interakce: Koloidní částice často nesou elektrický náboj, a proto se navzájem přitahují nebo odpuzují. Náboj jak spojité, tak rozptýlené fáze, stejně jako pohyblivost fází, jsou faktory ovlivňující tuto interakci.
• Van der Waalsovy síly: To je způsobeno interakcí mezi dvěma dipóly, které jsou buď trvalé, nebo indukované. I když částice nemají trvalý dipól, kolísání hustoty elektronů má za následek dočasný dipól v částici.
• Síly entropie. Podle druhého zákona termodynamiky přechází systém do stavu, kdy je entropie maximalizována. To může vést k vytvoření účinných sil i mezi tvrdými koulemi.
• Stérické síly mezi povrchy potaženými polymerem nebo v roztocích obsahujících neadsorbující analog mohou modulovat mezičásticové síly a vytvářet další sterickou odpudivou sílu, kteráje převážně entropické povahy, nebo síla vyčerpání mezi tím.

Posledně jmenovaný efekt je hledán pomocí speciálně vytvořených superplastifikátorů určených ke zvýšení zpracovatelnosti betonu a snížení jeho obsahu vody.

Polymerové krystaly: kde se nacházejí, jak vypadají?

Mezi vysokomolekulární sloučeniny patří sudé krystaly, které jsou řazeny do kategorie koloidních látek. Jedná se o vysoce uspořádané pole částic, které se tvoří ve velmi velké vzdálenosti (obvykle v řádu několika milimetrů až jednoho centimetru) a vypadají podobně jako jejich atomové nebo molekulární protějšky.

Název transformovaného koloidu	Příklad objednávky	Produkce
Precious Opal	Jeden z nejlepších přírodních příkladů tohoto jevu se nachází v čisté spektrální barvě kamene	Toto je výsledek těsně uzavřených výklenků kuliček amorfního koloidního oxidu křemičitého (SiO2)

Tyto sférické částice se ukládají ve vysoce křemičitých zásobnících. Tvoří vysoce uspořádané masivy po letech sedimentace a stlačování působením hydrostatických a gravitačních sil. Periodická pole submikrometrických sférických částic poskytují podobná pole intersticiálních dutin, která fungují jako přirozená difrakční mřížka pro vlny viditelného světla, zvláště když je vzdálenost mezi mezerami stejného řádu velikosti jako dopadající světelná vlna.

Bylo tedy zjištěno, že kvůli odpudivémuCoulombovy interakce, elektricky nabité makromolekuly ve vodném prostředí mohou vykazovat korelace podobné krystalům na dlouhé vzdálenosti se vzdálenostmi mezi částicemi často mnohem většími, než je průměr jednotlivých částic.

Ve všech těchto případech mají krystaly přírodní makromolekulární sloučeniny stejnou brilantní iridescenci (neboli hru barev), kterou lze přičíst difrakci a konstruktivní interferenci vln viditelného světla. Splňují Braggův zákon.

Velký počet experimentů o studiu takzvaných „koloidních krystalů“vznikl jako výsledek relativně jednoduchých metod vyvinutých během posledních 20 let k získání syntetických monodisperzních koloidů (jak polymerních, tak minerálních). Prostřednictvím různých mechanismů je utváření řádu na dlouhé vzdálenosti realizováno a zachováno.

Určení molekulové hmotnosti

Molekulová hmotnost je kritickou vlastností chemikálie, zejména u polymerů. V závislosti na materiálu vzorku se volí různé metody:

1. Molekulovou hmotnost i molekulární strukturu molekul lze určit pomocí hmotnostní spektrometrie. Pomocí metody přímé infuze lze vzorky vstřikovat přímo do detektoru, aby se potvrdila hodnota známého materiálu nebo poskytla strukturní charakterizace neznámého.
2. Informaci o molekulové hmotnosti polymerů lze určit pomocí metody, jako je vylučovací chromatografie pro viskozitu a velikost.
3. ProUrčení molekulové hmotnosti polymerů vyžaduje pochopení rozpustnosti daného polymeru.

Celková hmotnost sloučeniny se rovná součtu jednotlivých atomových hmotností každého atomu v molekule. Postup se provádí podle vzorce:

1. Určete molekulární vzorec molekuly.
2. Použijte periodickou tabulku k nalezení atomové hmotnosti každého prvku v molekule.
3. Vynásobte atomovou hmotnost každého prvku počtem atomů tohoto prvku v molekule.
4. Výsledné číslo je reprezentováno dolním indexem vedle symbolu prvku v molekulárním vzorci.
5. Propojte všechny hodnoty pro každý jednotlivý atom v molekule dohromady.

Příklad jednoduchého výpočtu nízké molekulové hmotnosti: Chcete-li zjistit molekulovou hmotnost NH_{3, prvním krokem je najít atomové hmotnosti dusíku (N) a vodíku (H). Takže H=1,00794N=14,0067.}

Poté vynásobte atomovou hmotnost každého atomu počtem atomů ve sloučenině. Existuje jeden atom dusíku (pro jeden atom není uveden dolní index). Existují tři atomy vodíku, jak je naznačeno dolním indexem. Takže:

• Molekulová hmotnost látky=(1 x 14,0067) + (3 x 1,00794)
• Molekulární hmotnosti=14,0067 + 3,02382
• Výsledek=17, 0305

Příklad výpočtu komplexní molekulové hmotnosti Ca₃(PO₄)_{2 je složitější možnost výpočtu:}

Z periodické tabulky, atomové hmotnosti každého prvku:

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

Složitá část je zjistit, kolik atomů je ve sloučenině. Existují tři atomy vápníku, dva atomy fosforu a osm atomů kyslíku. Pokud je spojovací část v závorkách, vynásobte dolní index bezprostředně za znakem prvku dolním indexem, který závorky uzavírá. Takže:

• Molekulová hmotnost látky=(40,078 x 3) + (30,97361 x 2) + (15,9994 x 8).
• Molekulární hmotnost po výpočtu=120, 234 + 61, 94722 + 127, 9952.
• Výsledek=310, 18.

Složité tvary prvků se počítají analogicky. Některé z nich se skládají ze stovek hodnot, takže se nyní používají automatizované stroje s databází všech hodnot g/mol.