Органические и неорганические полимеры. Применение неорганических полимеров

В 1833 году Й. Берцелиус ввел в обиход термин «полимерия», которым он назвал один из видов изомерии. Такие вещества (полимеры) должны были обладать одинаковым составом, но разной молекулярной массой, как например этилен и бутилен. К современному пониманию термина «полимер» умозаключение Й. Берцелиуса не соответствует, потому что истинные (синтетические) полимеры в то время еще не были известны. Первые упоминания о синтетических полимерах относятся к 1838 (поливинилиденхлорид) и 1839 (полистирол) годам.

Химия полимеров возникла только после создания А. М. Бутлеровым теории химического строения органических соединений и получила дальнейшее развитие благодаря интенсивным поискам способов синтеза каучука (Г. Бушарда, У. Тилден, К Гарриес, И. Л. Кондаков, С. В. Лебедев). С начала 20-х годов 20 века стали развиваться теоретические представления о строении полимеров.

ОПРЕДЕЛЕНИЕ

Полимеры — химические соединения с высокой молекулярной массой (от нескольких тысяч до многих миллионов) , молекулы которых (макромолекулы) состоят из большого числа повторяющихся группировок (мономерных звеньев).

Классификация полимеров

Классификация полимеров основана на трех признаках: их происхождении, химической природе и различиях в главной цепочке.

С точки зрения происхождения все полимеры подразделяют на природные (натуральные), к которым относят нуклеиновые кислоты, белки, целлюлозу, натуральный каучук, янтарь; синтетические (полученные в лаборатории путем синтеза и не имеющие природных аналогов), к которым относят полиуретан, поливинилиденфторид, фенолформальдегидные смоли и др; искусственные (полученные в лаборатории путем синтеза, но на основе природных полимеров) – нитроцеллюлоза и др.

Исходя из химической природы, полимеры делят на полимеры органической (в основе мономер – органическое вещество – все синтетические полимеры), неорганической (в основе Si, Ge, S и др. неорганические элементы – полисиланы, поликремниевые кислоты) и элементоорганической (смесь органических и неорганических полимеров – полислоксаны) природы.

Выделяют гомоцепные и гетероцепные полимеры. В первом случае главная цепь состоит из атомов углерода или кремния (полисиланы, полистирол), во втором – скелет из различных атомов (полиамиды, белки).

Физические свойства полимеров

Для полимеров характерны два агрегатных состояния – кристаллическое и аморфное и особые свойства – эластичность (обратимые деформации при небольшой нагрузке — каучук), малая хрупкость (пластмассы), ориентация при действии направленного механического поля, высокая вязкость, а также растворение полимера происходит посредством его набухания.

Получение полимеров

Реакции полимеризации – цепные реакции, представляющие собой последовательное присоединение молекул ненасыщенных соединений друг к другу с образованием высокомолекулярного продукта – полимера (рис. 1).

Рис. 1. Общая схема получения полимера

Так, например, полиэтилен получают полимеризацией этилена. Молекулярная масса молекулы достигает 1миллиона.

n CH 2 =CH 2 = -(-CH 2 -CH 2 -)-

Химические свойства полимеров

В первую очередь для полимеров будут характерны реакции, характерные для функциональной группы, присутствующей в составе полимера. Например, если в состав полимера входит гидроксо-группа, характерная для класса спиртов, следовательно, полимер будет участвовать в реакциях подобно спиртам.

Во-вторых, взаимодействие с низкомолекулярными соединениями, взаимодействие полимеров друг с другом с образованием сетчатых или разветвленных полимеров, реакции между функциональными группами, входящими в состав одного и того же полимера, а также распад полимера на мономеры (деструкция цепи).

Применение полимеров

Производство полимеров нашло широкое применение в различных областях жизни человечества — химической промышленности (производство пластмасс), машино – и авиастроении, на предприятиях нефтепереработки, в медицине и фармакологии, в сельском хозяйстве (производство гербицидов, инсектицидов, пестицидов), строительной промышленности (звуко- и теплоизоляция), производство игрушек, окон, труб, предметов быта.

Примеры решения задач

ПРИМЕР 1

ПРИМЕР 1

Задание Полистирол хорошо растворяется в неполярных органических растворителях: бензоле, толуоле, ксилоле, тетрахлориде углерода. Вычислите массовую долю (%) полистирола в растворе, полученном растворением 25 г полистирола в бензоле массой 85г. (22,73%).
Решение Записываем формулу для нахождения массовой доли:

Найдем массу раствора бензола:

m р-ра (C 6 H 6) = m(C 6 H 6)/(/100%)

НЕОРГАНИЧЕСКИЕ ПОЛИМЕРЫ

Имеют неорг. главные цепи и не содержат орг. боковых радикалов. Главные цепи построены из ковалентных или ионно-ковалентных связей; в нек-рых Н. п. цепочка ионно-ковалентных связей может прерываться единичными сочленениями координац. характера. Структурная Н. п. осуществляется по тем же признакам, что и орг. или элементоорг. полиме-ров (см. Высокомолекулярные соединения). Среди природных Н. п. наиб. распространены сетчатые, входящие в состав большинства минералов земной коры. Многие из них образуют типа алмаза или кварца. К образованию линейных Н. п. способны элементы верх. рядов III-VI гр. периодич. системы. Внутри групп с увеличением номера ряда способность элементов к образованию гомо- или гете-роатомных цепей резко убывает. Галогены, как и в орг. полимерах, играют роль агентов обрыва цепи, хотя всевозможные их комбинации с др. элементами могут составлять боковые группы. Элементы VIII гр. могут входить в главную цепь, образуя координац. Н. п. Последние, в принципе, отличны от орг. координационных полимеров, где система координац. связей образует лишь вторичную структуру. Мн. или соли металлов переменной валентности по макроскопич. св-вам похожи на сетчатые Н. п.

Длинные гомоатомные цепи (со степенью полимеризации п >= 100) образуют лишь и элементы VI гр.-S, Se и Те. Эти цепи состоят только из основных атомов и не содержат боковых групп, но электронные структуры углеродных цепей и цепей S, Se и Те различны. Линейные углерода - кумулены =С=С=С=С= ... и кар-бин ЧС = СЧС = СЧ... (см. Углерод); кроме того, углерод образует двухмерные и трехмерные ковалентные кристаллы-соотв. графит и алмаз. Сера, и теллур образуют атомные цепочки с простыми связями и очень высокими п. Их имеет характер фазового перехода, причем температурная область стабильности полимера имеет размазанную нижнюю и хорошо выраженную верхнюю границы. Ниже и выше этих границ устойчивы соотв. циклич. октамеры и двухатомные молекулы.

Др. элементы, даже ближайшие соседи углерода по псриодич. системе-В и Si, уже неспособны к образованию гомоатомных цепей или циклич. олигомеров с п >= 20 (безотносительно к наличию или отсутствию боковых групп). Это обусловлено тем, что лишь атомы углерода способны образовывать друг с другом чисто ковалентные связи. По этой причине более распространены бинарные гетероцепные Н. п. типа [ЧМЧLЧ] n (см. табл.), где атомы М и L образуют между собой ионно-ковалентные связи. В принципе, гетероцепные линейные Н. п. не обязательно должны быть бинарными: регулярно повторяющийся участок цепи м. б. образован и более сложными комбинациями атомов. Включение в главную цепь атомов металлов дестабилизирует линейную структуру и резко снижает и.

КОМБИНАЦИИ ЭЛЕМЕНТОВ, ОБРАЗУЮЩИЕ БИНАРНЫЕ ГЕТЕРОЦЕПНЫЕ НЕОРГАНИЧЕСКИЕ ПОЛИМЕРЫ ТИПА [ЧМЧLЧ] n (ОБОЗНАЧЕНЫ ЗНАКОМ +)

* Образует также неорг. полимеры состава [ЧВЧРЧ] n .

Особенности электронной структуры главных цепей гомо-цепных Н. п. делают их весьма уязвимыми при атаке нуклеоф. или электроф. агентами. Уже по одной этой причине относительно стабильнее цепи, содержащие в качестве компонента L или др. , соседний с ним по периодич. системе. Но и эти цепи нуждаются обычно в стабилизации, к-рая в прир. Н. п. связана с образованием сетчатых структур и с очень сильным межмол. взаимод. боковых групп (включая образование солевых мостиков), в результате к-рого большинство даже линейных Н. п. не-растворимы и по макроскопич. св-вам сходны с сетчатыми Н. п.

Практич. интерес представляют линейные Н. п., к-рые в наиб. степени подобны органическим - могут существовать в тех же фазовых, агрегатных или релаксационных состояниях, образовывать аналогичные надмол. структуры и т. п. Такие Н. п. могут быть термостойкими каучуками, стеклами, волокнообразующими и т. п., а также проявлять ряд св-в, уже не присущих орг. полимерам. К ним относятся полифосфазены, полимерные оксиды серы (с разными боковыми группами), фосфаты, . Нек-рые комбинации М и L образуют цепи, не имеющие аналогов среди орг. полимеров, напр. с широкой зоной проводимости и . Широкой зоной проводимости обладает , имеющий хорошо развитую плоскую или пространств. структуру. Обычным сверхпроводником при т-ре вблизи 0 К является полимер [ЧSNЧ] х ; при повышенных т-рах он утрачивает сверхпроводимость, но сохраняет полупроводниковые св-ва. Высокотемпературные сверхпроводящие Н. п. должны обладать структурой керамик, т. е. обязательно содержать в своем составе (в боковых группах) и кислород.

Переработка Н. п. в стекла, волокна, керамику и т. п. требует плавления, а оно, как правило, сопровождается обратимой деполимеризацией. Поэтому используют обычно модифицирующие , позволяющие стабилизировать в расплавах умеренно разветвленные структуры.

Лит.: Энциклопедия полимеров, т. 2, М., 1974, с. 363-71; Бартенев Г. М., Сверхпрочные и высокопрочные неорганические стекла, М., 1974; Кор-шак В. В., Козырева Н. М., "Успехи химии", 1979, т. 48, в. 1, с. 5-29; Inorganic polymers, в кн.: Encyclopedia of polymer science and technology, v. 7, N. Y.-L.-Sydney, 1967, p. 664-91. С. Я. Френкель.


Химическая энциклопедия. - М.: Советская энциклопедия . Под ред. И. Л. Кнунянца . 1988 .

Смотреть что такое "НЕОРГАНИЧЕСКИЕ ПОЛИМЕРЫ" в других словарях:

    Полимеры, молекулы которых имеют неорганические главные цепи и не содержат органических боковых радикалов (обрамляющих групп). В природе широко распространены трехмерные сетчатые неорганические полимеры, которые в виде минералов входят в состав… …

    Полимеры, не содержащие в повторяющемся звене связей C C, но способные содержать органический радикал как боковые заместители. Содержание 1 Классификация 1.1 Гомоцепные полимеры … Википедия

    Полимеры, молекулы которых имеют неорганические главные цепи и не содержат органических боковых радикалов (обрамляющих групп). В природе широко распространены трёхмерные сетчатые неорганические полимеры, которые в виде минералов входят в состав… … Энциклопедический словарь

    Полимеры с неорганической (не содержащей атомов углерода) главной цепью макромолекулы (См. Макромолекула). Боковые (обрамляющие) группы обычно тоже неорганические; однако полимеры с органическими боковыми группами часто также относят к Н …

    Полимеры, макромолекулы к рых имеют неорганич. гл. цепи и не содержат боковых органич. радикалов (обрамляющих групп). Практич. значение имеет синтетич. полимер полифосфонитрилхлорид (полидихлорфссфазен) [ P(C1)2=N ]n. Из него получают др.… … Большой энциклопедический политехнический словарь

    Полимеры, молекулы к рых имеют неорганич. гл. цепи и не содержат органич. боковых радикалов (обрамляющих групп). В природе широко распространены трёхмерные сетчатые Н.п., к рые в виде минералов входят в состав земной коры (напр., кварц). В… … Естествознание. Энциклопедический словарь

    - (от поли... и греч. meros доля часть), вещества, молекулы которых (макромолекулы) состоят из большого числа повторяющихся звеньев; молекулярная масса полимеров может изменяться от нескольких тысяч до многих миллионов. По происхождению полимеры… … Большой Энциклопедический словарь

    Ов; мн. (ед. полимер, а; м.). [от греч. polys многочисленный и meros доля, часть] Высокомолекулярные химические соединения, состоящие из однородных повторяющихся групп атомов, широко применяемые в современной технике. Природные, синтетические п.… … Энциклопедический словарь

    - (от греч. polymeres состоящий из многих частей, многообразный) химические соединения с высокой молекулярной массой (от нескольких тысяч до многих миллионов), молекулы которых (макромолекулы (См. Макромолекула)) состоят из большого числа… … Большая советская энциклопедия

В природе существуют элементоорганические, органические и неорганические полимеры. К неорганическим относят материалы, главная цепь которых неорганическая, а боковые ответвления не являются углеводородными радикалами. К формированию полимеров неорганического происхождения наиболее склонны элементы III-VI групп периодической системы химических элементов.

Классификация

Органические и неорганические полимеры активно исследуются, определяются их новые характеристики, поэтому четкой классификации этих материалов еще не выработано. Впрочем, можно выделить определенные группы полимеров.

В зависимости от структуры:

  • линейные;
  • плоские;
  • разветвленные;
  • полимерные сетки;
  • трехмерные и другие.

В зависимости от атомов главной цепи, образующих полимер:

  • гомоцепные типа (-M-)n - состоят из одного вида атомов;
  • гетероцепные типа (-M-L-)n - состоят из различных видов атомов.

В зависимости от происхождения:

  • природные;
  • искусственные.

Для отнесения к неорганическим полимерам веществ, которые в твердом состоянии представляют собой макромолекулы, необходимо также наличие в них определенной анизотропии пространственного строения и соответствующих свойств.

Основные характеристики

Более распространенными являются гетероцепные полимеры, в которых происходит чередование электроположительных и электроотрицательных атомов, например B и N, P и N, Si и O. Получить гетероцепные неорганические полимеры (НП) можно с помощью реакций поликонденсации. Поликонденсация оксоанионов ускоряется в кислой среде, а поликонденсация гидратированных катионов - в щелочной. Поликонденсация может быть проведена как в растворе, так и в при наличии высокой температуры.

Многие из гетероцепных неорганических полимеров можно получить только в условиях высокотемпературного синтеза, например, непосредственно из простых веществ. Образование карбидов, которые являются полимерными телами, происходит при взаимодействии некоторых оксидов с углеродом, а также при наличии высокой температуры.

Длинные гомоцепные цепи (со степенью полимеризации n>100) образуют карбон и p-элементы VI группы: сера, селен, теллур.

Неорганические полимеры: примеры и применение

Специфика НП заключается в образовании полимерных с регулярной трехмерной структурой макромолекул. Наличие жесткого каркаса химических связей предоставляет таким соединениям значительную твердость.

Указанное свойство позволяет использовать в качестве неорганические полимеры. Применение этих материалов нашло широчайшее применение в промышленности.

Исключительная химическая и термическая стойкость НП является также ценным свойством. Например, армирующие волокна, изготовленные из органических полимеров, устойчивы на воздухе до температуры 150-220 ˚С. Между тем борное волокно и его производные остаются устойчивыми до температуры 650 ˚С. Именно поэтому неорганические полимеры являются перспективными для создания новых химически и термостойких материалов.

Практическое значение также имеют НП, которые одновременно являются и приближающимися по свойствам к органическим, и сохраняющими свои специфические свойства. К таким относят фосфаты, полифосфазены, силикаты, полимерные с различными боковыми группами.

Полимеры углерода

Задание: «Приведите примеры неорганических полимеров», - часто встречается в учебниках по химии. Целесообразно его выполнять с упоминанием самых выдающихся НП - производных углерода. Ведь сюда входят материалы с уникальными характеристиками: алмазы, графит и карбин.

Карбин - искусственно созданный, малоизученный линейный полимер с непревзойденными показателями прочности, не уступающими, а согласно ряду исследований и превосходящими графен. Впрочем, карбин - вещество таинственное. Ведь не все ученые признают его существование как самостоятельного материала.

Внешне выглядит как металло-кристаллический черный порошок. Имеет полупроводниковые свойства. Электропроводность карбина значительно увеличивается под действием света. Он не теряет этих свойств даже при температуре до 5000 ˚С, что намного выше, чем для других материалов подобного назначения. Получен материал в 60-х В.В. Коршаком, А.М. Сладковым, В.И. Касаточкиным и Ю.П. Кудрявцевым путем каталитического окисления ацетилена. Самое сложное было определить вид связей между атомами углерода. Впоследствии было получено вещество только с двойными связями между атомами углерода в Институте элементоорганических соединений АН СССР. Новое соединение назвали поликумулен.

Графит - в этом упорядоченность распространяется только в плоскости. Его слои соединены не химическими связями, а слабыми межмолекулярными взаимодействиями, поэтому он проводит тепло и ток и не пропускает свет. Графит и его производные - достаточно распространенные неорганические полимеры. Примеры их использования: от карандашей до атомной промышленности. Окисляя графит, можно получить промежуточные продукты окисления.

Алмаз - его свойства принципиально другие. Алмаз является пространственным (трехмерным) полимером. Все атомы углерода скрепляются между собой прочными ковалентными связями. Потому этот полимер является чрезвычайно прочным. Алмаз не проводит ток и тепло, имеет прозрачную структуру.

Полимеры бора

Если вас спросят о том, какие неорганические полимеры вам известны, смело отвечайте - полимеры бора (-BR-). Это достаточно обширный класс НП, широко применяемый в промышленности и науке.

Карбид бора - его формула правильнее выглядит так (B12C3)n. Его элементарная ячейка - ромбоэдрическая. Каркас образуют двенадцать ковалентно связанных атомов бора. А в середине его - линейная группа из трех ковалентно связанных атомов углерода. В результате образуется очень прочная конструкция.

Бориды - их кристаллы образованы подобно вышеописанному карбиду. Наиболее стойкий из них HfB2, который плавится только при температуре 3250 °C. Наибольшей химической стойкостью отмечается TaB2 - на него не действуют ни кислоты, ни их смеси.

Нитрид бора - его часто называют белым тальком за сходство. Это сходство действительно лишь внешнее. Структурно он аналогичен графиту. Получают его, нагревая бор или его оксид в атмосфере аммиака.

Боразон

Эльбор, боразон, киборит, кингсонгит, кубонит - сверхтвердые неорганические полимеры. Примеры их применения: изготовление абразивных материалов, обработка металлов. Это химически инертные вещества на основе бора. По твердости ближе прочих материалов к алмазам. В частности, боразон оставляет царапины на алмазе, последний тоже оставляет царапины на кристаллах боразона.

Впрочем, эти НП имеют несколько преимуществ перед натуральными алмазами: у них большая термостойкость (выдерживают температуру до 2000 °C, алмаз же разрушается при показателях в пределах 700-800 °C) и высокая устойчивость к механическим нагрузкам (они не такие хрупкие). Боразон был получен при температуре 1350 °C и давлении 62000 атмосфер Робертом Венторфом в 1957 году. Аналогичные материалы ленинградскими учеными были получены в 1963 году.

Неорганические полимеры серы

Гомополимер - эта модификация серы имеет линейную молекулу. Вещество не является устойчивым, при колебаниях температуры распадается на октаэдрические циклы. Образуется в случае резкого охлаждения расплава серы.

Полимерная модификация сернистого ангидрида. Очень похожа на асбест, имеет волокнистую структуру.

Полимеры селена

Серый селен - полимер со спиралевидными линейными макромолекулами, вложенными параллельно. В цепях атомы селена связаны ковалентно, а макромолекулы связаны молекулярными связями. Даже расплавленный или растворенный селен не распадается на отдельные атомы.

Красный или аморфный селен тоже полимер цепной, но малоупорядоченной структуры. В температурном промежутке 70-90 ˚С он приобретает каучукоподобные свойства, переходя в высокоэластичное состояние, чем напоминает органические полимеры.

Карбид селена, или горный хрусталь. Термически и химически устойчивый, достаточно прочный пространственный кристалл. Пьезоэлектрик и полупроводник. В искусственных условиях его получили при реакции и угля в электропечи при температуре около 2000 °C.

Прочие полимеры селена:

  • Моноклинный селен - более упорядоченный, чем аморфный красный, но уступает серому.
  • Диоксид селена, или (SiO2)n - представляет собой трехмерный сетчатый полимер.
  • Асбест - полимер оксида селена волокнистой структуры.

Полимеры фосфора

Существует много модификаций фосфора: белый, красный, черный, коричневый, фиолетовый. Красный - НП мелкокристаллического строения. Получается нагревом белого фосфора без доступа воздуха при температуре 2500 ˚С. Черный фосфор получен П. Бриджменом при следующих условиях: давление 200000 атмосфер при температуре 200 °C.

Фосфорнитридхлориды - соединения фосфора с азотом и хлором. Свойства этих веществ меняются с ростом массы. А именно уменьшается их растворимость в органических веществах. Когда молекулярная масса полимера достигает нескольких тысяч единиц, образуется каучукоподобное вещество. Это единственный достаточно термостойкий безуглеродный каучук. Он разрушается только при температуре свыше 350 °C.

Вывод

Неорганические полимеры в большинстве своем - вещества с уникальными характеристиками. Их применяют на производстве, в строительстве, для разработки инновационных и даже революционных материалов. По мере изучения свойств известных НП и создания новых, сфера их применения расширяется.

Полимеры – высокомолекулярные соединения, которые состоят из множества мономеров. Полимеры стоит отличать от такого понятия как олигомеры, в отличие от которых при добавлении еще одного номерного звена свойства полимера не меняются.

Связь между звеньями мономеров может осуществляться с помощью химических связей, в таком случае они называются реактопластами, или благодаря силе междумолекулярного воздействия, что характерно для так называемых термопластов.

Соединение мономеров при образовании полимера может происходить в результате реакции поликонденсации или полимеризации.

В природе встречается множество подобных соединений, наиболее известные из которых: белки, каучук, полисахариды и нуклеиновая кислота. Такие материалы называются органическими.

На сегодняшний день большое количество полимеров производятся синтетическим путем. Такие соединения называются неорганическими полимерами. Неорганические полимеры получают путем соединения природных элементов с помощью реакции поликонденсации, полимеризации и химического превращения. Это позволяет заменить дорогие или редкие природные материалы, или создать новые, не имеющие аналоги в природе. Главное условие, чтобы полимер не содержал в составе элементов органического происхождения.

Неорганические полимеры, благодаря своим свойствам, обрели широкую популярность. Спектр их использования достаточно широк, при этом постоянно находят новые сферы применения и разрабатываются новые виды неорганических материалов.

Основные характеристики

На сегодняшний день существует множество видов неорганических полимеров, как природных, так и синтетических, которые обладают различными составом, свойствами, сферой применения и агрегатного состояния.

Современный уровень развития химической промышленности позволяет производить неорганические полимеры в больших объемах. Чтобы получить такой материал нужно создать условия повышенного давления и высокой температуры. Сырьем для производства выступает чистое вещество, которое поддается процессу полимеризации.

Неорганические полимеры характерны тем, что обладают повышенной прочностью, гибкостью, тяжело поддаются воздействию химических веществ и устойчивы к высоким температурам. Но некоторые виды могут быть хрупкими и не обладать эластичностью, но при этом достаточно прочными. Наиболее известными из них считаются графит, керамика, асбест, минеральное стекло, слюда, кварц и алмаз.

Наиболее распространенные полимеры в основе имеют цепочки таких элементов, как кремний и алюминий. Это связано с распространенностью этих элементов в природе, особенно кремния. Наиболее известные среди них такие неорганические полимеры как силикаты и алюмосиликаты.

Свойства и характеристики разнятся не только в зависимости от химического состава полимера, но и от молекулярной массы, степени полимеризации, строения атомной структуры и полидисперсности.

Полидисперсность – это присутствие в составе макромолекул разной массы.

Большинство неорганических соединений характеризуются такими показателями:

  1. Эластичность. Такая характеристика, как эластичность, показывает возможность материала увеличится в размерах под воздействием сторонней силы и вернутся в изначальное состояние после снятия нагрузки. Например, каучук способен увеличиться в семь-восемь раз без изменения структуры и различных повреждений. Возврат формы и размеров возможен благодаря сохранению расположения макромолекул в составе, перемещаются лишь отдельные их сегменты.
  2. Кристаллическая структура. От расположения в пространстве составных элементов, что называется кристаллической структурой, и их взаимодействия зависят свойства и особенности материала. Исходя из этих параметров, полимеры разделяют на кристаллические и аморфные.

Кристаллические имеют стабильную структуру, в которой соблюдается определенное расположение макромолекул. Аморфные состоят из макромолекул ближнего порядка, которые только в отдельных зонах имеют стабильную структуру.

Структура и степень кристаллизации зависит от нескольких факторов, таких как температура кристаллизации, молекулярная масса и концентрированность раствора полимера.

  1. Стеклообразность. Это свойство характерно для аморфных полимеров, которые при снижении температуры или повышении давления обретают стеклообразную структуру. В таком случае прекращается тепловое движение макромолекул. Температурные интервалы, при которых происходит процесс стеклообразования, зависит от типа полимера, его структуры и свойств структурных элементов.
  2. Вязкотекучее состояние. Это свойство, при котором происходят необратимые изменения формы и объема материала под воздействием сторонних сил. В вязотекущем состоянии структурные элементы перемещаются в линейном направлении, что становится причиной изменения его формы.

Строение неорганических полимеров

Такое свойство очень важно в некоторых сферах промышленности. Наиболее часто его используют при переработки термопластов с помощью таких методов как литье под давлением, экструзия, вакуум-формирования и других. При этом полимер расплавляется при повышенных температурах и высоком давлении.

Виды неорганических полимеров

На сегодняшний день существуют определенные критерии, по которым классифицируются неорганические полимеры. Основные из которых:

  • природа происхождения;
  • виды химических элементов и их разнообразие;
  • количество мономерных звеньев;
  • строение полимерной цепи;
  • физические и химические свойства.

В зависимости от природы происхождения классифицируют синтетические и натуральные полимеры. Натуральные формируются в природных условиях без участия человека, а синтетические производятся и модифицируются в промышленных условиях для достижения необходимых свойств.

На сегодняшний день существует множество видов неорганических полимеров, среди которых выделяются наиболее широко используемые. К таким относится асбест.

Асбест – тонковолокнистый минерал, который относится к группе силикатов. Химический состав асбеста представлен силикатами магния, железы, натрия и кальция. Асбест обладает канцерогенными свойствами, поэтому очень опасен для здоровья человека. Он очень опасен для работников, занятых на его добычи. Но в виде готовых изделий он достаточно безопасен, так как не растворяется в различных жидкостях и не вступает с ними в реакцию.

Силикон – один из наиболее распространенных синтетических неорганических полимеров. Его легко встретить в повседневной жизни. Научное название силикона – полисилоксан. Его химический состав представляет собой связь кислорода и кремния, которая придает силикону свойства высокой прочности и гибкости. Благодаря этому, силикон способен выдержать высокие температуры и физические нагрузки не теряя прочности, сохраняя форму и структуру.

Полимеры углерода очень распространены в природе. Существует также множество видов, синтезирующихся человеком в промышленных условиях. Среди природных полимеров выделяется алмаз. Этот материал невероятно прочный и обладает кристально чистой структурой.

Карбин – это синтетический углеродный полимер, который обладает повышенными свойствами прочности, не уступающими алмазу и графену. Производится в виде черного морошка мелкокристаллической структуры. Обладает свойствами электропроводимости, которая увеличивается под воздействием света. Способен выдержать температуру в 5000 градусов не теряя свойств.

Графит – углеродный полимер, структура которого отличается плоскостной ориентацией. Из-за этого структура графита слоистая. Этот материал проводит электричество, тепло, но не пропускает свет. Его разновидностью является графен, который состоит из одного слоя молекул углерода.

Полимеры бора отличаются высокой твердостью, не сильно уступая алмазам. Способны выдержать температуру более 2000 градусов, что намного больше пограничной температуры алмаза.

Полимеры селена – довольно широкий ряд неорганических материалов. Наиболее известный из них – карбид селена. Карбид селена – прочный материал, имеющий вид прозрачных кристаллов.

Полисиланы обладают особыми свойствами, которые отличают их от других материалов. Этот вид проводит электричество и выдерживает температуру до 300 градусов.

Применение

Неорганические полимеры применяются практически во всех сферах нашей жизни. В зависимости от вида, они обладают различными свойствами. Главная их особенность в том, что искусственные материалы обладают улучшенными свойствами в сравнении с органическими материалами.

Асбест применяется в различных сферах, в основном, в строительстве. Из смесей цемента с асбестом производят шифер и различные типы труб. Также асбест применяют для снижения кислотного влияния. В легкой промышленности асбест применяется для пошива противопожарных костюмов.

Силикон применяется в различных сферах. Из него производят трубки для химической промышленной, элементы, используемые в пищевой промышленности, а также используют в строительстве в качестве герметика.

В целом, силикон один из наиболее функциональных неорганических полимеров.

Алмаз наиболее известен как ювелирный материал. Он очень дорогой благодаря своей красоте и сложности добычи. Но алмазы также используются в промышленности. Это материал необходим в режущих устройствах для распила очень прочных материалов. Он может использоваться в чистом виде как резец или в виде напыления на режущие элементы.

Графит широко используется в различных сферах, из него делают карандаши, он применяется в машиностроении, в атомной промышленности и в виде графитовых стержней.

Графен и карбин пока малоизучены, поэтому сфера их применения ограничена.

Полимеры бора используются для производства абразивных материалов, режущих элементов и . Инструменты из такого материала необходимы для обработки металла.

Карбид селена применяется для производства горного хрусталя. Его получают путем нагрева до 2000 градусов кварцевого песка и угля. Хрусталь используют для производства высококачественной посуды и предметов интерьера.

§ 12. ПОЛИМЕРЫ

В сознании любого человека, знающего основы естествознания, понятие «полимеры» ассоциируется с чем-то необыкновенно большим, крупным. В действительности это так и есть. Полимерами называют вещества, молекулы которых состоят из множества повторяющихся структурных звеньев, соединенных между собой химическими связями.
Повторяющийся структурный фрагмент в макромолекуле полимера называют элементарным звеном и в химической формуле записывают в круглых скобках. Число элементарных звеньев именуют степенью полимеризации. Поскольку степень полимеризации каждой конкретной молекулы полимера может варьироваться в значительных пределах, ее обозначают не числом, а подстрочным индексом n в формуле вещества. Например, химическую формулу одного из самых распространенных полимеров полиэтилена – записывают так: (–СН2–СН2–)n, где (–СН2–СН2–) – элементарное звено, n – степень полимеризации.
Вещество, из которого образуется полимер, называют мономером. По природе мономера различают неорганические и органические полимеры. Превращение мономера в полимер может осуществляться в ходе реакции полимеризации (в этом случае помимо полимера в результате реакции не образуетсяникаких других веществ) или реакции поликонденсации (в таких реакциях кроме полимера образуются также низкомолекулярные побочные продукты, например вода).
Приведем пример записи реакции полимеризации для получения полиэтилена: nСН2=СН2 → (–СН2–СН2–)n.
Примером реакции поликонденсации служит превращение моносахарида глюкозы в полисахарид крахмал:
nС6H12O6 → (C6H10O5)n + nH2O.
По происхождению различают природные полимеры, или биополимеры (те, которые создаются самой природой без участия человека), искусственные (это химически модифицированные природные полимеры) и синтетические полимеры (те, которые получают химическим путем).
«Везде пластмасса, никель – все не то…» (И.Бродский). Буквально на каждом шагу в повседневной жизни мы сталкиваемся с веществами полимерного строения: это строительные, отделочные, упаковочные, конструкционные, изоляционные материалы; детали машин и механизмов; одежда, ткани и обувь; декоративные, антикоррозионные и специальные покрытия; резинотехнические изделия, эластомеры и многое, многое другое.
Сама жизнь немыслима без природных высокомолекулярных веществ – биополимеров, к числу которых относятся белки, нуклеиновые кислоты (ДНК и РНК), полисахариды (крахмал, целлюлоза, гликоген, хитин и др.). Кратко охарактеризуем наиболее важные группы известных вам полимеров – пластмассы и волокна.
Пластмассы – это полимерные материалы, способные при нагревании приобретать заданную форму и сохранять ее после охлаждения.

Как правило, пластмасса представляет собой смесь нескольких веществ, а полимер – это лишь одно из них, но самое важное. Именно он связывает все компоненты пластмассы в единое, более или менее однородное целое. Поэтому полимер в составе пластмассы называют связующим. Понятно, что превращать в готовые изделия удобно те пластмассы, которые обратимо твердеют и размягчаются. Такие пластмассы называют термопластами, или термопластичными полимерами. К таким пластмассам относят полиэтилен, полистирол, поливинилхлорид, полиамиды. Если же в процессе формования изделия происходит сшивка макромолекул, и полимер, твердея, приобретает пространственную структуру, то такие пластмассы называют реактопластами, или термореактивными полимерами. К ним относятся фенолоформальдегидные, карбамидные и полиэфирные смолы. Обратно в вязкотекучее состояние такие полимеры вернуть нельзя.

Кроме связующего полимера, в состав пластмасс часто вводят разные добавки: наполнители, красители, а также вещества, повышающие механические свойства, термостойкость и устойчивость к старению. Наполнители не только значительно удешевляют пластмассы, но и придают им многие специфические свойства. Например, пластмассы с наполнителем в виде алмазной и карборундовой пыли – это абразивы, т.е. шлифовальный материал. Широкому применению пластмасс способствует низкая их стоимость, легкость переработки. По свойствам пластмассы часто не уступают металлам и сплавам, а иногда даже превосходят их.
Основные потребители пластмасс – это строительная индустрия, машиностроение, электротехника, транспорт, производство упаковочных материалов, товаров народного потребления (рис. 1).

Рис. 1. Области применения пластмасс
Понятие «полимеры» часто воспринимается как категория химическая, как нечто придуманное и синтезированное изобретателями-химиками. Однако многие полимеры встречаются в природе, и не в форме брошенных человеком и загрязняющих ее отработанных изделий, а как натуральные вещества, синтезированные растительными и животными организмами.
Так, растущее в Малой Азии дерево Liuamber orientalis выделяет пахучую смолу, называемую стираксом, которую еще 3000 лет назад древние египтяне использовали при бальзамировании умерших. Стиракс, так же, как и «драконова кровь», выделяемая малайской пальмой ротангом, представляет собой не что иное, как полистирол. Жук Abax ater в случае опасности выстреливает в атакующего жидкостью, состоящей, в основном, из мономерного метилметакрилата, который, полимеризуясь на теле врага, делает его неподвижным.

Основные пластмассы и области их применения приведены в таблице 1.

Пластмассы и их применение




Ко второй группе полимерных материалов относятся волокна.


Как и все полимеры, волокна бывают природные (натуральные), искусственные и синтетические .

Природные волокна по происхождению делят на растительные , животные и минеральные .

Волокна растительного происхождения можно подразделить на:

– волокна, формирующиеся на поверхности семян (хлопок);
– волокна стеблей растений – лубяные волокна (лен, джут, пенька);
– волокна оболочек плодов (копра орехов кокосовой пальмы).
Наиболее важное волокно растительного происхождения – хлопковое – обладает хорошими механическими свойствами, износоустойчивостью, термостабильностью, умеренной гигроскопичностью. Оно применяется в производстве различных тканей и трикотажа, швейных ниток, ваты. Лен применяют для изготовления бельевых, платьевых и декоративных тканей. Лубяные волокна используют в производстве тканей, из которых изготавливают тару (мешки), канаты, веревки.

К волокнам животного происхождения относят шерсть и шелк.
Натуральная шерсть характеризуется невысокой прочностью, большой эластичностью. Применяют ее для изготовления тканей бытового и технического назначения, трикотажа, валяльно-войлочных изделий.
Натуральный шелк вырабатывают многочисленные гусеницы и пауки. Самый известный шелк выделяют шелковичные черви Bombyx mori (рис. 2).


Рис. 2. Тутовый шелкопряд. На открытке:
бабочка за откладкой яиц, гусеница, кокон
и кокон в разрезе (художник Л.В.Аристов)
Китайцам шелк был известен более чем за две с половиной тысячи лет до н.э. Секрет его изготовления охранялся государством, пока в 556 г. н.э. монахи из Европы не вывезли контрабандой из Китая яйца шелковичных червей, спрятав их в полые трости. Натуральный шелк – это очень дорогое волокно.
Например, в Японии шелковое кимоно стоит около 30 000 долларов. Раньше шелк окрашивали натуральными красителями, например, кошенилью в различные цвета: пурпурные, алые, лиловые и т.д. Такой шелк использовали для пошива одежды царствующих особ, священнослужителей, светских красавиц.
…И кажется лицо бледней
От лиловеющего шелка…
А.Ахматова
Единицей измерения шелка служит мумми. Слово это не имеет ничего общего с египетскими мумиями. Оно происходит от японского «момме». Мумми – это единица массы ткани (3,75 г), соотнесенная с одним квадратным метром ткани фабричного производства. Один квадратный метр большинства сортов шелка весит 16–22 мумми, однако некоторые китайские сорта весят только 4–8 мумми.

Химические волокна получают из растворов или расплавов волокнообразующих полимеров. Их подразделяют на следующие группы:
– искусственные (вискозное, ацетатное и др.), которые получают из природных полимеров или продуктов их переработки, главным образом из целлюлозы и ее эфиров;
– синтетические (капрон, лавсан, энант, найлон), которые получают из синтетических полимеров.
Рассмотрим еще одну группу полимеров, которую в обыденном сознании редко связывают с этим понятием. Это неорганические полимеры .
Такой неорганический полимер, как сера пластическая, нетрудно получить из кристаллической серы, выливая ее расплав в холодную воду. В результате получается резиноподобное вещество, строение которого можно отобразить так:


Элементарным звеном в этом полимере являются атомы серы.
Другие неорганические полимеры, имеющие атомную структуру, – это все аллотропные видоизменения углерода (в т.ч. алмаз и графит), селен и теллур цепочечного строения, красный фосфор, кристаллический кремний. Последний обладает полупроводниковыми свойствами и используется для изготовления солнечных батарей (рис. 3).



Рис. 3. Солнечная батарея на крыше жилого дома
Мы привели примеры простых веществ, имеющих полимерную атомную структуру. Еще более разнообразна группа неорганических полимеров – сложных веществ. Это, например, оксид кремния(IV):


Разновидностями этого полимера, который образует основную массу литосферы, являются кварц, кремнезем, горный хрусталь, агат (рис. 4).


Рис.4. Агат

Не менее распространен и такой важный для литосферы полимер, как оксид алюминия. Чаще всего оба эти полимера образуют минералы, имеющие общее название алюмосиликаты. К ним относятся, например, белая глина (каолин), полевые шпаты, слюда (рис. 5).



Рис. 5. Парагонит (слюда – природный слоистый минерал)

Почти все минералы и горные породы представляют собой природные полимеры.
Среди неорганических полимеров встречаются и волокна.
К минеральным волокнам относят асбест (рис. 6), издавна известный на Руси под названием «горный лен». Из него в «Каменном поясе» (так нередко называли Уральские горы) на предприятиях промышленников и предпринимателей Демидовых готовили несгораемое белье, которое они в качестве экзотических презентов дарили знатным людям, в том числе и императрице Екатерине Великой.


Асбест в наши дни используется для производства тепло- и огнезащитных химически стойких изделий: технических тканей, шифера, труб и др.

1. Что такое полимер, мономер, элементарное звено, степень полимеризации?
2. Какие биополимеры вы знаете? Охарактеризуйте их с использованием понятий, перечисленных в первом вопросе.
3. Что такое пластмассы? На какие группы по происхождению и по отношению к нагреванию они делятся? Приведите примеры.
4. Что такое полимеризация и поликонденсация? Сравните эти процессы. Приведите примеры. При ответе на этот вопрос используйте, в том числе, и знания по общей биологии.
5. Что такое волокна? На какие группы они делятся? Приведите примеры и расскажите о значении конкретных представителей каждой группы, используя возможности Интернета.
6. Приготовьте сообщение на тему: «Синтетические материалы и их роль в современной технике» с использованием ресурсов Интернета.
7. Какие неорганические полимеры вам известны? Что общего в их строении? Какую роль они играют в неживой природе?
8. Приготовьте сообщение на тему «Полимеры – природные минералы» с использованием ресурсов Интернета.
9. Запишите структурное звено кварца. Расскажите о разновидностях природных минералов, имеющих это структурное звено.
10. Что такое полупроводники? Чем они отличаются от проводников и диэлектриков? Какое значение имеют полупроводники в современной технике? Для ответа на эти вопросы воспользуйтесь ресурсами Интернета.
11. Подготовьте сообщение на тему «Шелк: история и развитие шелковой промышленности», используя возможности Интернета.