Полимеры - классификация, виды и основные свойства высокомолекулярных соединений

Полимеры – это вещества с высокой молекулярной составляющей. Одна большая молекула полимера содержит в каждом отдельном варианте:

• цепочку из одинаковых небольших мономеров, скрепленных в одну линию;

• несколько соединений мономеров, регулярно повторяющихся в одной цепочке.

В зависимости от того, как соединены мономеры в каждой данной макромолекуле, проявляются свойства полимера.

Что такое полимеры

Синтетические полимеры – это производные нефти. Большую часть из них получают за счет двух основных реакций – полимеризации и поликонденсации.

В реакцию полимеризации вступают вещества, которые имеют кратные связи мономеров. В итоге получают один продукт.

В реакцию поликонденсации вступают вещества, которые имеют в цепочке функциональные группы мономеров. При этом на выходе получают высокомолекулярный полимер и низкомолекулярное вещество (вода).

Полимеры являются не только искусственно созданными человеком веществами, но и природным строительным материалом для всего живого. 

К ним относятся:

• сложные углеводы – полимеры элементарных сахаров;

• белки – полимеры аминокислот;

• целлюлоза – полимер, находящийся в древесине;

• кератин – является полимером и содержится в волосах, ногтях и перьях птиц;

• хитин – полимер, скрепляющий панцири членистоногих;

• производные нуклеиновой кислоты – гетерополимеры ДНК.

Открытие полимеров

ХХ век вполне обоснованно можно назвать веком полимеров. Открытие их не было целенаправленным исследованием. Первоначально они были побочным продуктом в ходе различных экспериментов и химических реакций.

Химик Лео Бакеланд со временем обратил внимание на эти бесполезные материалы, и в ходе его экспериментальной работы была получена пластмасса - полимер, который при изменении температуры и давления может принимать различные формы. С момента изобретения бакелита (первоначальное название пластмассы) началась эра производства полимеров.

Во время Второй мировой войны для потребностей американской армии велись разработки синтетического каучука для производства резины. В ходе неудачных экспериментов так же был открыт новый полимер в виде мастики с повышенной упругостью. Это было время создания оргалитового стекла и смол на основе фенолформальдегида. В химии появилась отдельная отрасль – полимеры.

Классификация полимеров

Полимеры имеют несколько классификаций. 

В первую очередь их подразделяют по происхождению:

• природные – каучук, белки, картофельный и кукурузный крахмал, древесная целлюлоза;

• искусственные – вискоза;

• синтетические – капрон, полиуретаны.

Далее по молекулярной массе. Она указывает, насколько однородна молекула в ее химическом составе. От количества повторений одного структурного звена мономеров их построения зависит процент ее реакции и полимеризации. Поэтому в классификации большую роль играют дополнительные свойства.

Разветвленность молекулы

В зависимости от структуры полимеры обладают разными свойствами. 

Их формулы отображают разные виды и строение молекул:

• линейные – макромолекула состоит из одной цепочки мономеров;

• разветвленные – в линейной цепочке присутствуют ответвления;

• сетчатые – разветвленные макромолекулы имеют между собой связующие звенья.

Внутреннее строение мономеров

Здесь два вида:

• гомополимеры – цепочка однотипных звеньев мономера;

• сополимеры – соединенные в одну цепочку звенья различного строения и улучшающее при этом свойства продукта.

Реакция на термическую обработку

Существует два вида:

1. Термопластичные – после нагревания возвращаются в исходную форму. Могут многократно подлежать переработке.

2. Термореактивные – под воздействием высоких температур разрушаются.

В результате различных процессов переработки полученные полимеры делят на 4 основные группы:

• пластмассы – полипропилен, полистирол, поливинилхлорид, полиуретан;

• волокна – ацетатный шелк, вискоза;

• эластомеры – каучук, резина (вулканизированный каучук);

• биополимеры - углеводы, белки, нуклеиновые кислоты.

Свойства полимеров

В зависимости от того, имеют ли полимеры органический состав или являются производными неорганических соединений, проявляются их основные свойства:

• имеют высокую прочность при механическом воздействии;

• нет точно определенной температуры плавления;

• основная часть не растворима в воде;

• сохраняют способность к вязким течениям;

• не меняют своих качеств после нагревания и охлаждения;

• диэлектрики;

• пластичны, легко формуются;

• водостойкие.

Они могут быть мягкими, твердыми, гибкими, жесткими или прочными.

Применение полимеров

Без данных соединений не может развиваться и существовать современная цивилизация. Изделия, в основе которых лежит сырье с различным соединениями мономеров, необходимы как в повседневной жизни, так и для работы высокотехничных производств. 

Предлагаемая таблица только в малой степени отображает примеры их применения.

Будущее высокомолекулярных соединений

В ходе молекулярной эволюции сама природа создала новые вещества в виде различных молекулярных соединений. Двигаясь по этому пути, ученые не только разрабатывают новые соединения, но и стремятся разрешать проблемы по безопасной утилизации продукции, которая используется не только в быту. 

Опираясь за законы биологии, ученые активно работают над созданием умных высокомолекулярных соединений, получение которых сможет изменять их структуру и свойства в зависимости от окружающей среды. Ведутся разработки:

• биоразлагаемых пленок, в состав которых входит природный полимер – кукурузный крахмал;

• упаковки, которая будет менять цвет в зависимости от срока годности товара, и разлагаться без вреда для экологии;

• ведется разработка эко-почвы с гидрогелем для засушливых зон природного земледелия;

• создаются полимерные жидкости, которые будут менять свои свойства в зависимость от среды, в которой находятся (для экономии воды в нефтедобывающей отрасли);

• фармацевтической полимерной упаковки для доставки лекарственных средств непосредственно к больному органу внутри организма человека;

Человечество уже не может развиваться без полимерной продукции. Сейчас стоит вопрос о ее безопасности для экологии и переходе на новый уровень взаимодействия.