Насилу можна уявити собі сьогоднішнє життя без полімерів - складних синтетичних речовин, які набули широкого поширення в різних областях людської діяльності. Полімери - це високомолекулярні сполуки природного або синтетичного походження, що складаються з мономерів, з'єднаних хімічними зв'язками. Мономером є повторюване ланка ланцюга, яке містить вихідну молекулу.

Органічні високомолекулярні сполуки

Завдяки своїм унікальним властивостям високомолекулярні сполуки успішно замінюють в різних сферах життєдіяльності такі натуральні матеріали, як дерево, метал, камінь, завойовуючи нові сфери застосування. Для систематизації такої великої групи речовин прийнята класифікація полімерів за різними ознаками. До них відноситься склад, спосіб отримання, просторова конфігурація і так далі.

Класифікація полімерів за хімічним складом поділяє їх на три групи:

  • Органічні високомолекулярні речовини.
  • Елементоорганіческіе з'єднання.
  • Неорганічні високомолекулярні сполуки.


  Найбільшу групу становлять органічні ВМС - смоли, каучуки, рослинні масла, тобто продукти тваринного, а також рослинного походження. Макромолекули цих речовин в головному ланцюзі поряд з атомами вуглецю мають атоми кисню, азоту та інших елементів.

  • володіють здібностями до зворотної деформації, тобто еластичність при невисоких навантаженнях;
  • при невеликій концентрації можуть утворювати в'язкі розчини;
  • змінюють фізичні і механічні характеристики під дією мінімальної кількості реагенту;
  • при механічному впливі можливо спрямоване орієнтування їх макромолекул.

елементоорганіческіе з'єднання

Елементоорганіческіе ВМС, до складу макромолекул яких входять, крім атомів неорганічних елементів - кремнію, титану, алюмінію - і органічні вуглеводневі радикали, створені штучним шляхом, і в природі їх немає. Класифікація полімерів ділить їх, в свою чергу, на три групи.

  • Перша група - це речовини, в яких головна ланцюг складена з атомів деяких елементів, оточених органічними радикалами.
  • До другої групи належать речовини з основним ланцюгом, що містить чергуються атоми вуглецю і таких елементів, як сірка, азот та інші.
  • Третя група включає речовини з органічними головними ланцюгами, оточеними різними елементоорганічні групами.

Прикладом можуть служити кремнийорганические з'єднання, зокрема силікон, що володіє високою зносостійкістю.

Неорганічні високомолекулярні сполуки в головній ланцюжку містять оксиди кремнію і металів - магнію, алюмінію або кальцію. У них немає бічних органічних атомних груп. Зв'язки в головних ланцюжках ковалентні і іонно-ковалентні, що обумовлює їх високу міцність і термостійкість. До них відносяться азбест, кераміка, силікатні скла, кварц.

Карбоцепні і гетероцепні ВМС

Класифікація полімерів за хімічним складом основний полімерного ланцюга передбачає поділ цих речовин на дві великі групи.

  • Карбоцепні, у яких основна ланцюжок макромолекули ВМС складається лише з атомів вуглецю.
  • Гетероланцюгові, в яких в головній ланцюжку знаходяться разом з атомами вуглецю інші атоми, які надають даної речовини додаткові властивості.

Кожна з цих великих груп складається з наступних підгруп, що відрізняються будовою ланцюжка, кількістю заступників, їх складом, кількістю бічних гілок:

  • з'єднання з насиченими зв'язками в ланцюгах, прикладом яких можуть служити поліетилен або поліпропілен;
  • полімери з ненасиченими зв'язками в головній ланцюга, наприклад полібутадієн;
  • галогензамещенние високомолекулярні сполуки - тефлон;
  • полімерні спирти, прикладом чого є полівініловий спирт;
  • ВМС, отримані на основі похідних спиртів, приклад - полівінілацетат;
  • з'єднання, отримані на основі альдегідів і кетонів, такі як поліакролеін;

  • полімери, отримані на основі карбонових кислот, представником яких є поліакрилова кислота;
  • речовини, отримані з нітрилів (ПАН);
  • високомолекулярні речовини, отримані з ароматичних вуглеводнів, наприклад полістирол.

Розподіл за природою гетероатома

Класифікація полімерів може залежати і від природи гетероатомов, вона включає кілька груп:

  • з атомами кисню в головному ланцюзі - прості і складні поліефіри і перекису;
  • з'єднання з вмістом в основний ланцюжку атомів азоту - поліаміни та поліаміди;
  • речовини з атомами кисню і також азоту в головній ланцюга, прикладом яких стали поліуретани;
  • ВМС з атомами сірки в основний ланцюжку - політіоефіри і політетрасульфіди;
  • з'єднання, у яких присутні в головному ланцюзі атоми фосфору.

природні полімери

В даний час прийнята також класифікація полімерів за походженням, за хімічною природою, яка ділить їх таким чином:

  • Природні, їх називають ще биополимерами.
  • Штучні речовини, які є високомолекулярними.
  • Синтетичні сполуки.

Природні ВМС складають основу життя на Землі. Найважливішими з них є білки - «цеглинки» живих організмів, мономерами яких виступають амінокислоти. Білки беруть участь у всіх біохімічних реакціях організму, без них неможлива робота імунної системи, процеси згортання крові, утворення кісткової і м'язової тканини, робота по перетворенню енергії і багато іншого. Без нуклеїнових кислот неможливі зберігання і передача спадкової інформації.

Полісахариди - це високомолекулярні вуглеводні, які разом з білками беруть участь в обміні речовин. Класифікація полімерів за походженням дозволяє виділити природні високомолекулярні речовини в особливу групу.

Штучні і синтетичні полімери

Штучні полімери отримують з природних різними способами хімічної модифікації для додання їм необхідних властивостей. Прикладом може служити целюлоза, з якої отримують багато пластмаси. Класифікація полімерів за походженням характеризує їх як штучні речовини. Синтетичні ВМС отримують хімічним шляхом за допомогою реакцій полімеризації або поліконденсації. Їх властивості, а отже і область застосування, залежать від довжини макромолекули, тобто від молекулярної ваги. Чим він більше, тим міцніше отриманий матеріал. Дуже зручна класифікація полімерів за походженням. Приклади підтверджують це.

лінійні макромолекули

Будь-яка класифікація полімерів досить умовна, і кожна має свої недоліки, так як не може відобразити всі характеристики даної групи речовин. Проте вона допомагає якимось чином їх систематизувати. Класифікація полімерів за формою макромолекул представляє їх у вигляді наступних трьох груп:

  • лінійні;
  • розгалужені;
  • просторові, які ще називаються сітчастими.

Довгі, зігнуті або спиралеподібні ланцюжка лінійних ВМС надають речовин деякі унікальні властивості:

  • за рахунок появи міжмолекулярних зв'язків утворюють міцні волокна;
  • вони здатні до великих і тривалих, але в той же час оборотних деформацій;
  • важливою властивістю є їх гнучкість;
  • при розчиненні ці речовини утворюють розчини з високою в'язкістю.

розгалужені макромолекули

Розгалужені полімери теж мають лінійну будову, але з безліччю бічних гілок, більш коротких, ніж основна. При цьому змінюються і їх властивості:

  • розчинність у речовин з розгалуженою структурою вище, ніж у лінійних, відповідно, вони утворюють розчини меншою в'язкості;
  • при збільшенні довжини бічних ланцюгів стають слабкішими міжмолекулярні сили, що веде до збільшення м'якості і еластичності матеріалу;
  • чим вище ступінь розгалуженості, тим більше фізичні властивості такої речовини наближаються до властивостей звичайних низькомолекулярних сполук.

тривимірні макромолекули

Сітчасті високомолекулярні сполуки бувають плоскими (сходового і паркетного типу) і тривимірними. До плоским можна віднести натуральний каучук і графіт. В просторових полімери є поперечні зв'язку-«містки» між ланцюгами, що утворюють одну велику тривимірну макромолекулу, що володіє надзвичайною твердістю.

Прикладом може служити алмаз або кератин. Сітчасті високомолекулярні сполуки є основою гум, деяких видів пластмас, а також клеїв і лаків.

Термопласти і реактопласти

Класифікація полімерів за походженням і по відношенню до нагрівання покликана охарактеризувати поведінку цих речовин при зміні температури. Залежно від процесів, що відбуваються при нагріванні, виходять різні результати. Якщо міжмолекулярної взаємодії слабшає і збільшується кінетична енергія молекул, то речовина розм'якшується, переходячи в в'язкий стан. При зниженні температури воно повертається в нормальний стан - його хімічна природа залишається незмінною. Такі речовини називають термопластичними полімерами, наприклад поліетилен.

Інша група сполук отримала назву термореактивних. Механізм відбуваються в них при нагріванні процесів зовсім інший. При наявності подвійних зв'язків або функціональних груп вони взаємодіють між собою, змінюючи хімічну природу речовини. Воно не може відновити свою первісну форму при охолодженні. Прикладом можуть служити різні смоли.

спосіб полімеризації

Ще одна класифікація полімерів - за способом отримання. Існують такі способи отримання ВМС:

  • Полімеризація, яка може проходити з використанням іонного механізму реакції і вільнорадикального.
  • Поліконденсація.

Полімеризацією називається процес утворення макромолекул шляхом послідовного з'єднання мономерних ланок. Ними зазвичай є низькомолекулярні речовини з кратними зв'язками і циклічними групами. Під час реакції слід розрив подвійного зв'язку або зв'язку в циклічній групі, і відбувається утворення нових між цими мономерами. Якщо в реакції беруть участь мономери одного виду, вона називається гомополімеризації. При використанні різних видів мономерів відбувається реакція кополімеризації.

Реакція полімеризації - це ланцюгова реакція, яка може протікати мимовільно, проте для її прискорення застосовуються активні речовини. При вільнорадикальних механізм процес протікає в кілька стадій:

  • Ініціювання. На даній стадії шляхом світлового, теплового, хімічного або будь-якого іншого впливу утворюються в системі активні групи - радикали.
  • Зростання довжини ланцюга. Ця стадія характеризується приєднанням наступних мономерів до радикалам з утворенням нових радикалів.
  • Обрив ланцюга виходить при взаємодії активних груп з утворенням неактивних макромолекул.

Неможливо контролювати момент обриву ланцюга, і тому утворюються макромолекули відрізняються різною молекулярною масою.

Принцип дії іонного механізму реакції полімеризації такий же, як і вільнорадикального. Але тут в якості активних центрів виступають катіони і аніони, тому розрізняють катіонну і аніонну полімеризацію. У промисловості радикальною полімеризацією отримують найважливіші полімери: поліетилен, полістирол і багато інших. Іонна полімеризація застосовується при виробництві синтетичних каучуків.

поліконденсація

Процес утворення високомолекулярного з'єднання з відділенням в якості побічного продукту якихось низькомолекулярних речовин – поліконденсація, яка відрізняється від полімеризації ще тим, що елементний склад утворюється макромолекули не відповідає складу початкових речовин, що беруть участь у реакції. В них можуть брати участь тільки з'єднання з функціональними групами, які, взаємодіючи, відщеплюють молекулу простої речовини і утворюють нову зв'язок. При поліконденсації біфункціональних сполук утворюються лінійні полімери. Коли в реакції беруть участь поліфункціональні сполуки, що утворюються ВМС з розгалуженою або навіть просторовою структурою. Утворюються в процесі реакції низькомолекулярні речовини теж взаємодіють з проміжними продуктами, викликаючи обрив ланцюга. Тому їх краще видаляти з зони реакції.

Певні полімери не можна отримати відомими способами полімеризації або поліконденсації, так як немає необхідних вихідних мономерів, здатних брати участь в них. В цьому випадку синтез полімеру ведеться за участю високомолекулярних сполук, що містять функціональні групи, які здатні реагувати один з одним.

З кожним днем ​​ускладнюється класифікація полімерів, так як з'являється все більше нових видів цих дивовижних речовин з наперед заданими властивостями, і людина вже не мислить свого життя без них. Однак виникає інша проблема, не менш важлива - можливість їх легкої і дешевої утилізації. Вирішення цієї проблеми дуже важливо для існування планети.