Полимери: история, полимеризация, типове, свойства и примери

Полимерите са молекулни съединения, които се характеризират с висока моларна маса (варираща от хиляда до милиони) и се състоят от голям брой единици, наречени мономери, които се повтарят.

Тъй като те имат характеристиката да са големи молекули, тези видове се наричат ​​макромолекули, които им придават уникални качества и са много различни от наблюдаваните в по-малките, които се дължат само на този тип вещества, като склонността им да имат съответстващи на стъклените конструкции.

По същия начин, тъй като те принадлежат към много голяма група молекули, възникна необходимостта да им се даде класификация, поради което те са разделени на два типа: полимери с естествен произход, като протеини и нуклеинови киселини; и тези от синтетично производство, като найлон или луцит (по-известен като плексиглас).

Учените започнаха изследванията на науката, която съществува зад полимерите през 20-те години, когато с любопитство и недоумение наблюдаваха как някои вещества се държат като дърво или каучук. Тогава учените от това време се посветили да анализират тези съединения, които присъстват във всекидневния живот.

Чрез достигане на определено ниво на разбиране за естеството на тези видове, ние можем да разберем тяхната структура и напредък в създаването на макромолекули, които биха могли да улеснят развитието и подобряването на съществуващите материали, както и производството на нови материали.

Също така е известно, че многобройни значими полимери съдържат в тяхната структура азотни или кислородни атоми, свързани с въглеродните атоми, образуващи част от основната верига на молекулата.

В зависимост от основните функционални групи, които са част от мономерите, те ще бъдат назовани; например, ако мономерът се образува от естер, се получава полиестер.

История на полимерите

Историята на полимерите трябва да бъде разгледана, като се започне с

По този начин някои материали от естествен произход, които са били широко използвани от древни времена (като целулоза или кожа), са съставени главно от полимери.

19 век

Противоположно на това, което може да се мисли, съставът на полимерите е неизвестен, за да се разкрие преди няколко века, когато те започват да определят как се образуват тези вещества и дори се стремят да установят някакъв метод за постигане на изкуствено производство.

За първи път терминът "полимери" е използван през 1833 г., благодарение на шведския химик Йонс Якоб Берцелиус, който го е използвал за означаване на вещества от органичен характер, които имат същата емпирична формула, но имат различни моларни маси.

Този учен също отговаряше за изработването на други термини като "изомер" или "катализа"; въпреки че е важно да се отбележи, че по това време понятието за тези изрази е било напълно различно от това, което те означават в момента.

След някои експерименти за получаване на синтетични полимери от трансформацията на естествени полимерни видове, изследването на тези съединения става все по-актуално.

Целта на тези изследвания е да се постигне оптимизиране на вече известните свойства на тези полимери и получаването на нови вещества, които биха могли да изпълнят специфични цели в различни области на науките.

20-ти век

Когато наблюдаваме, че каучукът е разтворим в разтворител от органичен характер и след това полученият разтвор показва някои необичайни характеристики, учените са нарушени и не знаят как да ги обяснят.

Чрез тези наблюдения те правят извода, че вещества като тази показват поведение, което е много различно от по-малките молекули, както биха могли да забележат, докато изучават каучука и неговите свойства.

Те отбелязаха, че изследваният разтвор има висок вискозитет, значително намаляване на точката на замръзване и осмотично налягане с малка величина; От това може да се заключи, че има няколко разтворени вещества с много висока моларна маса, но учените отказват да вярват в тази възможност.

Тези явления, които се проявяват и в някои вещества като желатин или памук, накараха учените от това време да мислят, че този тип вещества са съставени от агрегати от малки молекулни единици, като C 5 H 8 или C 10 Н 16, свързан с междумолекулни сили.

Въпреки че тази погрешна мисъл остава в продължение на няколко години, определението, което продължава до сега, е това, което е дадено от германския химик и носител на Нобелова награда по химия Херман Стаудингер.

21 век

Настоящата дефиниция на тези структури като макромолекулни вещества, свързани с ковалентни връзки, е измислена през 1920 г. от Staudinger, който настоява за разработване и провеждане на експерименти до намирането на доказателства за тази теория през следващите десет години.

Разработването на така наречената "полимерна химия" започна и оттогава тя е уловила интереса на изследователите от целия свят, като сред страниците на нейната история са включени много важни учени, сред които се открояват Джулио Ната, Карл Циглер, Charles Goodyear, наред с други, в допълнение към предишните имена.

Понастоящем полимерните макромолекули се изучават в различни научни области като полимерна наука или биофизика, където се изследват получените вещества от свързващи мономери чрез ковалентни връзки с различни методи и цели.

Разбира се, от естествени полимери като полиизопрен до тези от синтетичен произход като полистирол, те се използват много често, без да се отклонява от други видове, като силикони, съставени от мономери на основата на силиций.

Също така, много от тези съединения с естествен и синтетичен произход са съставени от два или повече различни класа мономери, като тези полимерни видове са получили името на съполимери.

полимеризация

За да се вникнем в проблема с полимерите, трябва да започнем да говорим за произхода на думата полимер, която идва от гръцките polys, което означава "много"; и просто, което се отнася до "частите" на нещо.

Този термин се използва за обозначаване на молекулни съединения, които имат структура, състояща се от много повтарящи се единици, което води до свойството на висока относителна молекулна маса и други присъщи характеристики.

По този начин единиците, съставляващи полимерите, се основават на молекулни видове, които имат относителна молекулна маса с малка величина.

В този ред на идеи, терминът полимеризация се прилага само за синтетични полимери, по-специално за процесите, използвани за получаване на този тип макромолекули.

Следователно, полимеризацията може да бъде дефинирана като химическата реакция, използвана в комбинацията от мономери (един по един) за получаване на съответните полимери от тях.

По този начин полимерният синтез се осъществява чрез два вида основни реакции: реакции на добавяне и реакции на кондензация, които ще бъдат подробно описани по-долу.

Полимеризация чрез реакции на прибавяне

Този вид полимеризация има участие на ненаситени молекули, които имат двойна или тройна връзка в тяхната структура, особено въглерод-въглерод.

В тези реакции, мономерите претърпяват комбинации един с друг без елиминирането на някой от техните атоми, където полимерните видове, синтезирани чрез счупване или отваряне на пръстена, могат да бъдат получени без генериране на елиминиране на малки молекули.

От кинетична гледна точка, тази полимеризация може да се разглежда като тристепенна реакция: иницииране, разпространение и прекратяване.

На първо място, настъпва началото на реакцията, при която се прилага нагряване към молекула, считана за инициатор (обозначена като R2), за да се генерират два радикални вида по следния начин:

R2 → 2R '

Ако за пример се използва производството на полиетилен, тогава следващата стъпка е размножаване, при което реактивният радикален образец се приближава към етиленовата молекула и се формира нов радикален вид, както следва:

R + CH2 = CH2 → R-CH2-CH2

Този нов радикал впоследствие се комбинира с друга етиленова молекула и този процес продължава последователно, докато комбинацията от два дълги верижни радикали най-накрая произведе полиетилена, в реакцията, известна като терминация.

Полимеризация чрез кондензационни реакции

В случай на полимеризация чрез кондензационни реакции, обикновено се получава комбинация от два различни мономера, в допълнение към последващото елиминиране на малка молекула, която обикновено е вода.

По подобен начин полимерите, получени чрез тези реакции, често имат хетероатоми, като кислород или азот, които са част от тяхната основна структура. Също така се случва, че повтарящата се единица, която представлява основата на неговата верига, не притежава съвкупността от атомите, които са в мономера, към който може да се деградира.

От друга страна, съществуват методи, които са разработени наскоро, сред които се откроява плазмената полимеризация, чиито характеристики не съответстват напълно на някой от описаните по-горе видове полимеризация.

По този начин, полимеризационните реакции от синтетичен произход, както добавяне, така и кондензация, могат да се получат в отсъствието или в присъствието на катализаторни видове.

Кондензационната полимеризация се използва широко в производството на много съединения, които обикновено присъстват в ежедневния живот, като например дакрон (по-известен като полиестер) или найлон.

Други форми на полимеризация

В допълнение към тези методи за синтез на изкуствени полимери има и биологичен синтез, който се определя като област на изследване, която е отговорна за изследването на биополимери, които са разделени в три основни категории: полинуклеотиди, полипептиди и полизахариди.

В живите организми синтезът може да се осъществи по естествен път, чрез процеси, които включват присъствието на катализатори, като например полимеразен ензим в производството на полимери като дезоксирибонуклеинова киселина (ДНК).

В други случаи повечето от ензимите, използвани в биохимичната полимеризация, са протеини, които са полимери, образувани на базата на аминокиселини и които са незаменими в по-голямата част от биологичните процеси.

В допълнение към биополимерните вещества, получени по тези методи, има и други, които имат голямо значение на търговско ниво, като вулканизиран каучук, който се произвежда чрез нагряване на каучук от естествен произход в присъствието на сяра.

Така, сред техниките, използвани за полимерния синтез чрез химическа модификация на полимери от естествен произход, са довършителните работи, омрежването и окислението.

Видове полимери

Видовете полимери могат да бъдат класифицирани според различни характеристики; например, те се класифицират в термопласти, термореактиви или еластомери според техния физичен отговор на нагряване.

В допълнение, в зависимост от вида на мономерите, от които те се образуват, те могат да бъдат хомополимери или съполимери.

По същия начин, в зависимост от вида на полимеризацията, с която се произвеждат, те могат да бъдат добавъчни или кондензационни полимери.

Също така могат да се получат естествени или синтетични полимери в зависимост от произхода им; или органични или неорганични в зависимост от химическия му състав.

свойства

- Най-забележителната му характеристика е повтарящата се идентичност на мономерите като основа на нейната структура.

- Електрическите му свойства варират според предназначението му.

- Те имат механични свойства като еластичност или устойчивост на сцепление, които определят тяхното макроскопско поведение.

- Някои полимери проявяват важни оптични свойства.

- Микроструктурата, която притежават, влияе директно върху другите им свойства.

- Химичните характеристики на полимерите се определят от атрактивните взаимодействия между веригите, които ги образуват.

- Транспортните му свойства са свързани със скоростта на междумолекулярното движение.

- Поведението на неговите агрегационни състояния е свързано с неговата морфология.

Примери за полимери

Сред големия брой полимери, които съществуват, са следните:

полистирол

Използва се в контейнери от различен тип, както и в контейнери, които се използват като топлинни изолатори (за охлаждане на вода или за съхранение на лед) и дори в играчки.

политетрафлуороетилен

По-известен като тефлон, той се използва като електрически изолатор, също в производството на ролки и за покриване на кухненски прибори.

Поливинилхлорид

Използван в производството на канали за стени, плочки, играчки и тръби, този полимер е търговски известен като PVC.

препратки