En makromolekylær forbindelse er Definisjon, sammensetning, egenskaper, egenskaper

2024 Forfatter: Angel Austin | [email protected]. Sist endret: 2024-01-02 17:53

Forbindelser med høy molekylvekt er polymerer som har høy molekylvekt. De kan være organiske og uorganiske forbindelser. Skille mellom amorfe og krystallinske stoffer, som består av monomere ringer. Sistnevnte er makromolekyler forbundet med kjemiske og koordinasjonsbindinger. Enkelt sagt er en høymolekylær forbindelse en polymer, det vil si monomere stoffer som ikke endrer masse når det samme "tunge" stoffet er festet til dem. Ellers snakker vi om oligomeren.

Hva studerer vitenskapen om makromolekylære forbindelser?

Kjemien til makromolekylære polymerer er studiet av molekylære kjeder som består av monomere underenheter. Dette dekker et stort forskningsområde. Mange polymerer er av betydelig industriell og kommersiell betydning. I Amerika, sammen med oppdagelsen av naturgass, ble det satt i gang et stort prosjekt for å bygge et anlegg for produksjon av polyetylen. Etan fra naturgass omdannestil etylen, monomeren som polyetylen kan lages av.

En polymer som en makromolekylær forbindelse er:

• Enhver av en klasse av naturlige eller syntetiske stoffer som består av veldig store molekyler k alt makromolekyler.
• Mange enklere kjemiske enheter k alt monomerer.
• Polymerer utgjør mange materialer i levende organismer, inkludert for eksempel proteiner, cellulose og nukleinsyrer.
• I tillegg danner de grunnlaget for mineraler som diamant, kvarts og feltspat, samt menneskeskapte materialer som betong, glass, papir, plast og gummi.

Ordet "polymer" angir et ubestemt antall monomerenheter. Når mengden av monomerer er svært høy, blir forbindelsen noen ganger referert til som høy polymer. Det er ikke begrenset til monomerer med samme kjemiske sammensetning eller molekylvekt og struktur. Noen naturlige organiske forbindelser med høy molekylvekt er sammensatt av én enkelt type monomer.

De fleste naturlige og syntetiske polymerer er imidlertid dannet av to eller flere forskjellige typer monomerer; slike polymerer er kjent som kopolymerer.

Naturlige stoffer: hva er deres rolle i livene våre?

Organiske organiske forbindelser med høy molekylvekt spiller en avgjørende rolle i folks liv, og gir grunnleggende strukturelle materialer og deltar i vitale prosesser.

• For eksempel består de faste delene av alle planter av polymerer. Disse inkluderer cellulose, lignin og forskjellige harpikser.
• Pulp erpolysakkarid, en polymer som består av sukkermolekyler.
• Lignin er dannet fra et komplekst tredimensjon alt nettverk av polymerer.
• Treharpikser er polymerer av et enkelt hydrokarbon, isopren.
• En annen kjent isoprenpolymer er gummi.

Andre viktige naturlige polymerer inkluderer proteiner, som er polymerer av aminosyrer, og nukleinsyrer. De er typer nukleotider. Dette er komplekse molekyler sammensatt av nitrogenholdige baser, sukkerarter og fosforsyre.

Nukleinsyrer bærer den genetiske informasjonen i cellen. Stivelse, en viktig kilde til kostholdsenergi fra planter, er naturlige polymerer som består av glukose.

Kjemi av makromolekylære forbindelser frigjør uorganiske polymerer. De finnes også i naturen, inkludert diamant og grafitt. Begge er laget av karbon. Verdt å vite:

• I en diamant er karbonatomer koblet sammen i et tredimensjon alt nettverk som gir materialet dets hardhet.
• I grafitt, brukt som smøremiddel og i blyant "leads", binder karbonatomer seg i plan som kan gli over hverandre.

Mange viktige polymerer inneholder oksygen- eller nitrogenatomer samt karbonatomer i ryggraden. Slike makromolekylære materialer med oksygenatomer inkluderer polyacetaler.

Den enkleste polyacetalen er polyformaldehyd. Den har et høyt smeltepunkt, er krystallinsk, slitesterk ogvirkningen av løsemidler. Acetalharpikser er mer metalllignende enn noen annen plast og brukes til fremstilling av maskindeler som gir og lagre.

Stoffer innhentet kunstig

Syntetiske makromolekylære forbindelser produseres i ulike typer reaksjoner:

1. Mange enkle hydrokarboner som etylen og propylen kan omdannes til polymerer ved å tilsette den ene monomeren etter den andre til den voksende kjeden.
2. Polyetylen, sammensatt av repeterende etylenmonomerer, er en additiv polymer. Den kan ha opptil 10 000 monomerer koblet i lange spiralformede kjeder. Polyetylen er krystallinsk, gjennomskinnelig og termoplastisk, noe som betyr at det mykner når det varmes opp. Den brukes til belegg, emballasje, støpte deler og flasker og beholdere.
3. Polypropylen er også krystallinsk og termoplastisk, men hardere enn polyetylen. Molekylene kan bestå av 50 000–200 000 monomerer.

Denne blandingen brukes i tekstilindustrien og til støping.

Andre additive polymerer inkluderer:

• polybutadien;
• polyisopren;
• polykloropren.

Alle er viktige i produksjonen av syntetisk gummi. Noen polymerer, som polystyren, er glassaktige og gjennomsiktige ved romtemperatur, og er også termoplastiske:

1. Polystyren kan farges i alle farger og brukes til fremstilling av leker og annen plastvarer.
2. Når ett hydrogenatom i etylen erstattes med et kloratom, dannes vinylklorid.
3. Det polymeriserer til polyvinylklorid (PVC), et fargeløst, hardt, stivt, termoplastisk materiale som kan lages i mange former, inkludert skum, filmer og fibre.
4. Vinylacetat, produsert ved reaksjonen mellom etylen og eddiksyre, polymeriserer til amorfe, myke harpikser som brukes som belegg og lim.
5. Den kopolymeriserer med vinylklorid for å danne en stor familie av termoplastiske materialer.

En lineær polymer karakterisert ved repetisjon av estergrupper langs hovedkjeden kalles en polyester. Åpen kjedepolyestere er fargeløse, krystallinske, termoplastiske materialer. De syntetiske makromolekylære forbindelsene som har høy molekylvekt (fra 10 000 til 15 000 molekyler) brukes i produksjon av filmer.

Sjeldne syntetiske polyamider

Polyamider inkluderer de naturlig forekommende kaseinproteinene som finnes i melk og zein som finnes i mais, som brukes til å lage plast, fibre, lim og belegg. Verdt å merke seg:

• Syntetiske polyamider inkluderer urea-formaldehydharpikser, som er varmeherdende. De brukes til å lage støpte gjenstander og som lim og belegg for tekstiler og papir.
• Polyamidharpikser kjent som nylon er også viktige. De erslitesterk, motstandsdyktig mot varme og slitasje, giftfri. De kan farges. Den mest kjente bruken er som tekstilfibre, men de har mange andre bruksområder.

En annen viktig familie av syntetiske høymolekylære kjemiske forbindelser består av lineære repetisjoner av uretangruppen. Polyuretaner brukes til fremstilling av elastomere fibre kjent som spandex og til fremstilling av grunnlakker.

En annen klasse polymerer er blandede organisk-uorganiske forbindelser:

1. De viktigste representantene for denne familien av polymerer er silikoner. Høymolekylære forbindelser inneholder alternerende silisium- og oksygenatomer med organiske grupper knyttet til hvert av silisiumatomene.
2. Silikoner med lav molekylvekt er oljer og fett.
3. Arter med høyere molekylvekt er allsidige elastiske materialer som forblir myke selv ved svært lave temperaturer. De er også relativt stabile ved høye temperaturer.

Polymer kan være tredimensjonal, todimensjonal og enkel. De repeterende enhetene består ofte av karbon og hydrogen, og noen ganger oksygen, nitrogen, svovel, klor, fluor, fosfor og silisium. For å lage en kjede er mange enheter kjemisk koblet eller polymerisert sammen, og dermed endres egenskapene til høymolekylære forbindelser.

Hvilke egenskaper har makromolekylære stoffer?

De fleste av polymerene som produseres er termoplastiske. Etterpolymeren dannes, kan den varmes opp og omdannes igjen. Denne egenskapen gjør den enkel å håndtere. En annen gruppe herdeplaster kan ikke omsmeltes: når polymerene er dannet, vil gjenoppvarming brytes ned, men ikke smelte.

Kennetegn ved makromolekylære forbindelser av polymerer på eksemplet med pakker:

1. Kan være svært motstandsdyktig mot kjemikalier. Vurder alle rengjøringsvæsker i hjemmet ditt som er pakket i plast. Beskrev alle konsekvensene av kontakt med øynene, men huden. Dette er en farlig kategori av polymerer som løser opp alt.
2. Mens noen plaster lett deformeres av løsemidler, legges annen plast i uknuselige pakker for aggressive løsemidler. De er ikke farlige, men kan bare skade mennesker.
3. Løsninger av makromolekylære forbindelser leveres oftest i enkle plastposer for å redusere prosentandelen av deres interaksjon med stoffer inne i beholderen.

Som en generell regel er polymerer svært lette i vekt med en betydelig grad av styrke. Vurder en rekke bruksområder, fra leker til rammestrukturen til romstasjoner, eller fra tynn nylonfiber i tights til kevlar brukt i kroppsrustninger. Noen polymerer flyter i vann, andre synker. Sammenlignet med tettheten til stein, betong, stål, kobber eller aluminium, er all plast lette materialer.

Egenskapene til makromolekylære forbindelser er forskjellige:

1. Polymerer kan tjene som termiske og elektriske isolatorer: apparater, ledninger, stikkontakter og ledninger som er laget eller belagt med polymermaterialer.
2. Varmebestandige kjøkkenapparater med håndtak av harpiksgryte og panne, håndtak for kaffekanne, kjøle- og fryseskum, isolerte kopper, kjølere og redskaper som tåler mikrobølgeovn.
3. Termundertøyet som brukes av mange skiløpere er laget av polypropylen, mens fibrene i vinterjakker er laget av akryl og polyester.

Forbindelser med høy molekylvekt er stoffer med et ubegrenset utvalg av egenskaper og farger. De har mange egenskaper som kan forbedres ytterligere med et bredt spekter av tilsetningsstoffer for å utvide applikasjonen. Polymerer kan tjene som grunnlag for å imitere bomull, silke og ull, porselen og marmor, aluminium og sink. I næringsmiddelindustrien brukes de for å gi sopp spiselige egenskaper. For eksempel dyr blåmuggost. Den kan spises trygt takket være polymerbehandling.

Behandling og påføring av polymerstrukturer

Polymerer kan behandles på forskjellige måter:

• Ekstrudering tillater produksjon av tynne fibre eller tunge massive rør, filmer, matflasker.
• Injeksjonsstøping gjør det mulig å lage komplekse deler, for eksempel store karosserideler.
• Plast kan støpes i fat eller blandes med løsemidler for å bli limbaser eller maling.
• Elastomerer og noen plaster er strekkbare og fleksible.
• Noen plast utvider seg under bearbeiding for å holde formen, for eksempel drikkevannsflasker.
• Andre polymerer kan skummes, slik som polystyren, polyuretan og polyetylen.

Egenskapene til makromolekylære forbindelser varierer avhengig av den mekaniske virkningen og metoden for å oppnå stoffet. Dette gjør det mulig å bruke dem i ulike bransjer. De viktigste makromolekylære forbindelsene har et bredere spekter av formål enn de som er forskjellige i spesielle egenskaper og fremstillingsmetoder. Universell og "snurrig" "finner seg selv" i mat- og byggesektoren:

1. Forbindelser med høy molekylvekt består av olje, men ikke alltid.
2. Mange polymerer er laget av gjentatte enheter som tidligere er dannet av naturgass, kull eller råolje.
3. Noen byggematerialer er laget av fornybare materialer som polymelkesyre (fra mais eller cellulose og bomullslinters).

Det er også interessant at de er nesten umulige å erstatte:

• Polymerer kan brukes til å lage gjenstander som ikke har andre material alternativer.
• De er laget til gjennomsiktige vanntette filmer.
• PVC brukes til å lage medisinske slanger og blodposer som forlenger holdbarheten til produktet og dets derivater.
• PVC leverer brannfarlig oksygen trygt til ikke-brennbare fleksible slanger.
• Og antitrombogent materiale som heparin kan inkluderes i kategorien fleksible PVC-katetre.

Mange medisinske enheter fokuserer på strukturelle egenskaper ved makromolekylære forbindelser for å sikre effektiv funksjon.

Løsninger av makromolekylære stoffer og deres egenskaper

Fordi størrelsen på den dispergerte fasen er vanskelig å måle og kolloider er i form av løsninger, identifiserer og karakteriserer de noen ganger fysisk-kjemiske og transportegenskaper.

Kolloidfase	Hard	Ren løsning	Dimensjonsindikatorer
	Hvis kolloidet består av en fast fase dispergert i en væske, vil ikke de faste partiklene diffundere gjennom membranen.	Oppløste ioner eller molekyler vil diffundere gjennom membranen ved full diffusjon.	På grunn av utelukkelse av størrelse kan kolloidale partikler ikke passere gjennom UF-membranporer som er mindre enn deres egen størrelse.
Konsentrasjon i sammensetningen av løsninger av makromolekylære forbindelser	Den nøyaktige konsentrasjonen av det faktiske oppløste stoffet vil avhenge av de eksperimentelle forholdene som brukes for å skille det fra kolloidale partikler som også er spredt i væsken.	Avhenger av reaksjonen til makromolekylære forbindelser når man utfører løselighetsstudier for lett hydrolyserte stoffer som Al, Eu, Am, Cm.	Jo mindre porestørrelsen på ultrafiltreringsmembranen er, desto lavere er konsentrasjonendispergerte kolloidale partikler som er igjen i den ultrafiltrerte væsken.

Et hydrokolloid er definert som et kolloid alt system der partikler av makromolekylære molekyler er hydrofile polymerer dispergert i vann.

Vannavhengighet	Varmeavhengighet	Avhengighet av produksjonsmetode
Hydrokolloid er kolloidale partikler dispergert i vann. I dette tilfellet påvirker forholdet mellom de to komponentene polymerens form - gel, aske, flytende tilstand.	Hydrokolloider kan være irreversible (i én tilstand) eller reversible. For eksempel kan agar, et reversibelt hydrokolloid av tangekstrakt, eksistere i gel og fast tilstand, eller veksle mellom tilstander med tilsetning eller fjerning av varme.	Å oppnå makromolekylære forbindelser, som hydrokolloider, avhenger av naturlige kilder. For eksempel utvinnes agar-agar og karragenan fra tang, gelatin oppnås ved hydrolyse av storfe- og fiskeproteiner, og pektin ekstraheres fra sitrusskall og eplerester.
Gelatindesserter, laget av pulver, har en annen hydrokolloid i sammensetningen. Han er utstyrt med mindre væske.	Hydrokolloider brukes i mat hovedsakelig for å påvirke tekstur eller viskositet (f.eks. saus). Imidlertid avhenger konsistensen allerede av metoden for varmebehandling.	Hydrokolloidbaserte medisinske bandasjer brukes til å behandle hud og sår. PÅproduksjonen er basert på en helt annen teknologi, og de samme polymerene brukes.

Andre hovedhydrokolloider er xantangummi, gummi arabicum, guargummi, johannesbrødgummi, cellulosederivater som karboksymetylcellulose, alginat og stivelse.

Interaksjon mellom makromolekylære stoffer med andre partikler

Følgende krefter spiller en viktig rolle i samspillet mellom kolloidale partikler:

• Repulsion uten hensyn til volum: dette refererer til mangelen på overlapping mellom faste partikler.
• Elektrostatisk interaksjon: Kolloidale partikler bærer ofte en elektrisk ladning og tiltrekker eller frastøter hverandre derfor. Ladningen av både de kontinuerlige og spredte fasene, samt mobiliteten til fasene, er faktorer som påvirker denne interaksjonen.
• Van der Waals-krefter: Dette skyldes samspillet mellom to dipoler, som enten er permanente eller induserte. Selv om partiklene ikke har en permanent dipol, resulterer svingninger i elektrontettheten i en midlertidig dipol i partikkelen.
• Entropikrefter. I henhold til termodynamikkens andre lov går systemet inn i en tilstand der entropien er maksimert. Dette kan føre til at det skapes effektive krefter selv mellom harde sfærer.
• Steriske krefter mellom polymerbelagte overflater eller i løsninger som inneholder en ikke-adsorberende analog kan modulere interpartikkelkrefter, og skape en ekstra sterisk frastøtende kraft somer hovedsakelig entropisk i naturen, eller en uttømmingskraft i mellom.

Sistnevnte effekt søkes etter med spesialformulerte superplasticizers utviklet for å øke betongens bearbeidbarhet og redusere vanninnholdet.

Polymerkrystaller: hvor finnes de, hvordan ser de ut?

Høymolekylære forbindelser inkluderer jevne krystaller, som er inkludert i kategorien kolloidale stoffer. Dette er en høyt ordnet rekke av partikler som dannes på svært stor avstand (vanligvis i størrelsesorden noen få millimeter til én centimeter) og ligner på deres atomære eller molekylære motstykker.

Navn på den transformerte kolloiden	Bestillingseksempel	Produksjon
Precious Opal	Et av de beste naturlige eksemplene på dette fenomenet finnes i den rene spektralfargen på steinen	Dette er resultatet av tettpakkede nisjer av amorfe kolloidale silisiumdioksyd (SiO2) kuler

Disse kuleformede partiklene er avsatt i reservoarer med høy kisel. De danner høyt ordnede massiver etter år med sedimentering og kompresjon under påvirkning av hydrostatiske og gravitasjonskrefter. Periodiske arrayer av submikrometer sfæriske partikler gir lignende interstitielle hulromsarrayer som fungerer som et naturlig diffraksjonsgitter for synlige lysbølger, spesielt når interstitiell avstand er av samme størrelsesorden som den innfallende lysbølgen.

Dermed ble det funnet at på grunn av frastøtendeCoulomb-interaksjoner, elektrisk ladede makromolekyler i et vandig medium kan vise lang rekkevidde krystalllignende korrelasjoner med avstander mellom partikler ofte mye større enn diameteren til individuelle partikler.

I alle disse tilfellene har krystallene til en naturlig makromolekylær forbindelse den samme strålende iriseringen (eller fargespillet), som kan tilskrives diffraksjon og konstruktiv interferens av synlige lysbølger. De tilfredsstiller Braggs lov.

Et stort antall eksperimenter på studiet av de såk alte "kolloidale krystallene" oppsto som et resultat av relativt enkle metoder utviklet de siste 20 årene for å oppnå syntetiske monodisperse kolloider (både polymere og mineralske). Gjennom ulike mekanismer realiseres og bevares dannelsen av en lang rekkevidde.

Besettelse av molekylvekt

Molekylvekt er en kritisk egenskap til et kjemikalie, spesielt for polymerer. Avhengig av materialet i prøven, velges forskjellige metoder:

1. Molekylvekt så vel som molekylstrukturen til molekyler kan bestemmes ved hjelp av massespektrometri. Ved å bruke den direkte infusjonsmetoden kan prøver injiseres direkte inn i detektoren for å bekrefte verdien av et kjent materiale eller gi strukturell karakterisering av en ukjent.
2. Molekylvektinformasjonen til polymerer kan bestemmes ved hjelp av en metode som størrelseseksklusjonskromatografi for viskositet og størrelse.
3. ForÅ bestemme molekylvekten til polymerer krever forståelse av løseligheten til en gitt polymer.

Den totale massen til en forbindelse er lik summen av de individuelle atommassene til hvert atom i molekylet. Prosedyren utføres i henhold til formelen:

1. Bestem molekylformelen til molekylet.
2. Bruk det periodiske systemet for å finne atommassen til hvert grunnstoff i et molekyl.
3. Multipiser atommassen til hvert grunnstoff med antall atomer til det elementet i molekylet.
4. Det resulterende tallet er representert med et senket skrift ved siden av elementsymbolet i molekylformelen.
5. Koble alle verdiene sammen for hvert enkelt atom i molekylet.

Et eksempel på en enkel beregning med lav molekylvekt: For å finne molekylvekten til NH_{3, er det første trinnet å finne atommassene til nitrogen (N) og hydrogen (H). Så, H=1, 00794N=14, 0067.}

Deretter multipliser atommassen til hvert atom med antall atomer i forbindelsen. Det er ett nitrogenatom (ingen subskript er gitt for ett atom). Det er tre hydrogenatomer, som indikert av underskriften. Så:

• Molekylvekt av et stoff=(1 x 14,0067) + (3 x 1,00794)
• Molekylvekter=14,0067 + 3,02382
• Resultat=17, 0305

Et eksempel på beregning av den komplekse molekylvekten Ca₃(PO₄)_{2 er et mer komplekst beregnings alternativ:}

Fra det periodiske system, atommassene til hvert grunnstoff:

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

Den vanskelige delen er å finne ut hvor mange av hvert atom som er i forbindelsen. Det er tre kalsiumatomer, to fosforatomer og åtte oksygenatomer. Hvis sammenføyningsdelen er i parentes, multipliser det senkede skriftet umiddelbart etter elementtegnet med det sænkede skriftet som lukker parentesene. Så:

• Molekylvekt av et stoff=(40,078 x 3) + (30,97361 x 2) + (15,9994 x 8).
• Molekylvekt etter beregning=120, 234 + 61, 94722 + 127, 9952.
• Resultat=310, 18.

Komplekse former for elementer beregnes analogt. Noen av dem består av hundrevis av verdier, så automatiserte maskiner brukes nå med en database med alle g/mol-verdier.