Свойства и применение высокомолекулярных соединений

Введение

Среди многочисленных веществ, встречающихся в природе, резко выделяется группа соединений, отличающихся от других особыми физическими свойствами, высокой вязкостью растворов, способностью образовывать волокна, пленки и т. д.

К этим веществам относятся целлюлоза, лигпин, пентозаны, крахмал, белки и нуклеиновые кислоты, широко распространенные в растительном и животном мире, где они образуются в результате жизнедеятельности организмов.

Высокомолекулярные соединения получили свое название вследствие большой величины их молекулярного веса, отличающие их от низкомолекулярных веществ, молекулярный вес которых лишь сравнительно редко достигает нескольких сотен. В настоящее время принято относить к ВМС вещества с молекулярным весом более 5000.

Молекулы ВМС называют макромолекулами, а химию ВМС — химией макромолекул и макромолекулярной химией.

В результате многочисленных соединений, осуществленных огромной армией химиков, физиков и технологов, было установлено не только строение некоторых природных ВМС, но и найдены пути синтеза их заменителей из доступных видов сырья. Возникли новые виды промышленности, началось производство синтетического каучука, искусственных синтетических волокон, пластических масс, лаков и красок, заменителей кожи и т. д. На первых порах синтетические материалы носили характер заменителей природных материалов. В настоящее время в результате успехов в химии и физике ВМС и усовершенствования технологий их производства, благодаря принципиальной возможности сочетать в одном веществе любые желаемые свойства, синтетические ВМС постепенно проникают во все области промышленности, где они становятся совершенно незаменимыми конструкционными и антикоррозийными материалами.

Органические и неорганические ВМС

Органические ВМС являются основой живой природы входящие в состав растений, — полисахариды, лигпин, белки, пектиновые вещества — высокомолекулярны. Ценные механические свойства древесины, хлопка, льны обусловлены значительным содержанием в них высокомолекулярного полисахарида — целлюлозы. Главной составной частью картофеля, пшеницы, ржи, овса, риса, кукурузы, ячменя являются другой высокомолекулярный полисахарид — крахмал. Торф, бурый уголь, каменные угли представляют собой продукты геологического превращения растительных тканей, главным образом целлюлозы и лигнина, а также должны быть отнесены к высокомолекулярным соединениям.

В основе живого мира также лежат ВМС — белки, являющиеся главной составной частью почти всех веществ животного происхождения. Мышцы, соединительные ткани, мозг, кровь, кожа, волосы, шерсть, рог состоят в основном из высокомолекулярных белковых веществ.

Неорганические высокомолекулярные соединения играют такую же большую роль и так же распространены в минеральном мире, как органические ВМП в живой природе.

Основная часть земной коры состоит из окислов кремния, алюминия и других многовалентных элементов, соединенных, по-видимому, в макромолекулы. Наиболее распространен среди этих окислов кремниевый ангидрид [SiO ₂] _n, являющийся, бесспорно, высокомолекулярным соединением. Более 50% всей массы земного шара состоит из кремниевого ангидрида, а в наружной части земной коры содержание его достигает 60%. Наиболее распространенной модификацией кремниевого ангидрида является кварц — важнейшая составная часть большинства горных пород и песка.

Общие свойства ВМС

Для высокомолекулярных соединений характерны некоторые общие свойства, которые позволяют выделить химию высокомолекулярных соединений в самостоятельную науку. Эти свойства не могут быть описаны с помощью представлений классической химии. Для рассмотрения свойств высокомолекулярных соединений необходимо ввести принципиально новые понятия, общие для всего класса соединений.

Молекулярный вес полимеров

Первой особенностью химии высокомолекулярных соединений является совершенно новое понятие молекулярного веса.

Для низкомолекулярных соединений величина молекулярного веса — это константа, характеризующая индивидуальность химиче­ского соединения. Изменение молекулярного веса всегда свидетельствует о переходе к другому веществу и сопровождается заметным изменением свойств. С переходом от одного представителя гомо­логического ряда к другому (т. е. с изменением величины молекулярного веса) физические свойства веществ изменяются настолько, что, пользуясь этим изменением, удается отделить гомологи друг от друга.

Молекулярный Вес

Рис. 1. Кривые распределения по молекулярным весам.

На рис. 1 показаны кривые распределения по молекулярному весу двух полимеров с одинаковой средней степенью полимеризации, но с различной полидисперсностью. Полимер, который характеризуется кривой 1, более однороден по молекулярному весу, чем полимер с кривой распределения 2.

Степень полидисперсности является не менее важной характеристикой полимера, чем средний молекулярный вес.

С изменением физических свойств по мере увеличения молекулярного веса непосредственно связана еще одна особенность высокомолекулярных соединений. С увеличением молекулярного веса давление паров химических соединений уменьшается и задолго до достижения значений молекулярных весов, характерных для высокомолекулярных соединений, падает практически до нуля. При нагревании высокомолекулярных соединений не наблюдается заметной летучести, а при определенной температуре наступает термическое разложение вещества с разрывом химических связей и перегруппировкой атомов. Высокомолекулярные соединения практически нелетучи и не могут быть переведены в газообразное состояние.

В отличие от низкомолекулярных соединений, для которых изве­стны три агрегатных состояния: твердое тело, жидкость, газ, — для высокомолекулярных соединений известны только два агрегатных состояния: твердое тело, жидкость.

Дробное поведение макромолекул

Характерной особенностью химии высокомолекулярных соединений является то, что наименьшей «частицей», участвующей в реак­ции или физико-химическом процессе, является не молекула, как в классической химии, а элементарное звено (при химических реакциях) или участок цепи (при физико-химических и физико-механических процессах).

Такое поведение молекул высокомолекулярных соединений в физико-химических и физико-механических процессах связано с гибкостью макромолекул. Молекулярные цепи разных полимеров обладают различной гибкостью, которая определяется величиной потенциального барьера свободного вращения атомов относительно друг друга. Величина потенциального барьера в свою очередь зависит от химического строения полимера и характера функциональных групп, имеющихся в цепи.

Макромолекулы линейных полимеров характеризуются высокой степенью асимметрии. Поэтому отдельные участки вытянутой молекулярной цепи настолько удалены друг от друга, что взаимное влияние становится ничтожно малым. Вследствие этого некоторые участки молекулярной цепи при растворении (когда подвижность и гибкость цепи возрастает) и в процессах деформации полимеров ведут себя как кинетически самостоятельные единицы. Такие участки моле­кулярной цепи называют сегментами. Величина участка моле­кулярной цепи, проявляющего кинетическую независимость (сегмента), не является постоянной и зависит от условий, в которых находится полимер (температура и концентрация раствора, природа растворителя, температура, величина и скорость приложения на­грузки при деформации). Это приводит к появлению некоторых осо­бенностей в свойствах растворов и в процессах деформации полимеров.

Простейшей «частицей», самостоятельно участвующей в химических реакциях, является элементарное звено макромолекулы полимера. Следовательно, реакции функциональных групп полимеров — это химические реакции элементарных звеньев.

Следует отметить, что под функциональными группами полимера обычно подразумевают функциональные группы, входящие в состав элементарных звеньев цепи. В макромолекулах большинства полимеров имеются также концевые функциональные группы, как правило отличающиеся от функциональных групп элементарных звеньев. Однако при большом молекулярном весе полимера и малом числе концевых групп реакциями концевых групп в подавляющем большинстве химических превращений полимеров можно пренебречь.