Общая характеристика Высокомолекулярных Соединений (ВМС)
Высокомолекулярные соединения (ВМС), также известные как полимеры, – это соединения, характеризующиеся очень большой молекулярной массой (от десятков тысяч до миллионов атомных единиц массы). Они состоят из многократно повторяющихся структурных звеньев (мономерных звеньев), соединенных между собой ковалентными связями.
Состав:
Основной элемент: Углерод (C), который образует основной скелет молекулы.
Другие элементы: Водород (H), кислород (O), азот (N), сера (S), галогены (F, Cl, Br, I) и другие элементы могут присутствовать в боковых группах или включаться в основной скелет.
Мономерные звенья: Повторяющиеся структурные единицы, из которых состоит полимерная цепь. Мономеры могут быть одинаковыми (гомополимеры) или разными (сополимеры).
Строение:
Строение ВМС описывается на нескольких уровнях:
Первичная структура: Последовательность мономерных звеньев в полимерной цепи. Определяет химический состав полимера.
Вторичная структура: Локальное упорядочение полимерной цепи в виде спиралей (например, α-спираль в белках), складок (например, β-складчатость в белках) или других структур. Определяется внутримолекулярными взаимодействиями (водородные связи, силы Ван-дер-Ваальса).
Третичная структура: Общая пространственная укладка полимерной цепи, определяемая взаимодействиями между различными участками цепи (боковыми группами) и окружающей средой. Определяет форму и свойства полимерной молекулы.
Четвертичная структура: Способ организации нескольких полимерных цепей в комплекс (например, гемоглобин состоит из четырех субъединиц).
Форма макромолекул:
Форма макромолекул в растворе или в твердом состоянии может быть различной:
Линейная: Полимерные цепи образуют длинные нити.
Разветвленная: Полимерные цепи имеют боковые ответвления.
Сетчатая (трехмерная): Полимерные цепи соединены между собой поперечными связями, образуя трехмерную сетку.
Циклическая: Полимерные цепи замкнуты в кольца.
Реакции, лежащие в основе получения ВМС:
Основные реакции, используемые для синтеза ВМС, – это полимеризация и поликонденсация.
Полимеризация:
Определение: Реакция соединения множества молекул мономера в полимерную цепь без выделения побочных продуктов.
Типы:
Цепная полимеризация (радикальная, ионная): Активированный центр (радикал, катион или анион) последовательно присоединяет мономеры к растущей цепи. Примеры: полиэтилен, полипропилен, поливинилхлорид, полистирол.
Радикальная полимеризация: Инициатор (например, пероксид) распадается на радикалы, которые инициируют рост цепи.
Ионная полимеризация: Используются катионные или анионные инициаторы.
Ступенчатая полимеризация (полиприсоединение): Мономеры присоединяются друг к другу ступенчато, образуя димеры, тримеры и т. д., которые затем соединяются в более длинные цепи. Примеры: полиуретаны, эпоксидные смолы.
Условия:
Наличие инициатора (для цепной полимеризации).
Определенная температура и давление.
Специальные добавки (например, стабилизаторы, ингибиторы).
Реакция цепной полимеризации:
Инициирование: I -> R* (Инициатор распадается на радикалы)
Рост цепи: R* + M -> RM* (Радикал присоединяет мономер)
Обрыв цепи: RM* + RM* -> Полимер (Два радикала соединяются) или RM* + Ингибитор -> Неактивная молекула
Поликонденсация:
Определение: Реакция соединения молекул мономера в полимерную цепь с выделением низкомолекулярных побочных продуктов (например, воды, спирта, аммиака).
Примеры: Полиамиды (нейлон, капрон), полиэфиры (лавсан), фенолформальдегидные смолы.
Условия:
Наличие мономеров, содержащих как минимум две функциональные группы.
Определенная температура и давление.
Катализатор (иногда).
Пример реакции поликонденсации (образование полиамида):
N H₂N-R-COOH -> [-HN-R-CO-]n + n H₂O (Аминокислота -> Полиамид + Вода)
Общие свойства ВМС:
Высокая вязкость растворов: Растворы ВМС обладают высокой вязкостью даже при низких концентрациях.
Эластичность и прочность: Многие ВМС обладают эластичностью и прочностью, что делает их ценными материалами для различных применений.
Способность к образованию пленок и волокон: ВМС могут образовывать тонкие пленки и прочные волокна.
Разнообразие свойств: Свойства ВМС могут быть изменены путем изменения их химического состава, структуры и молекулярной массы.
Свойства зависят от температуры: Многие ВМС претерпевают фазовые переходы при изменении температуры (например, переход из стеклообразного состояния в высокоэластичное).
В заключение:
ВМС являются важным классом соединений, обладающих уникальными свойствами и широким спектром применений. Понимание их состава, строения и методов получения необходимо для разработки новых материалов и технологий.
