5. Водородные связи образуются между атомами водорода, имеющими значительный (хотя и частичный) положительный заряд, и отрицательно заряженными атомами кислорода.
Происхождение положительных и отрицательных зарядов на атомах, между которыми образуются водородные связи:
1) азотистые основания соединяются по определенному принципу, дополняя друг друга, – пиримидиновое обязательно с пуриновым и наоборот, при этом между цепями молекулы всегда находятся одинаковые ступеньки из трех гетероциклов (а не из двух и не из четырех);
2) это обеспечивает равномерность в построении всей молекулы ДНК.
Химия и биохимия белков и нуклеиновых кислот в своем развитии привели к созданию новых наук: а) биоорганической химии; б) молекулярной биологии.
84. Строение полимеров, свойства и синтез полимеров
Низкомолекулярное вещество, из которого синтезируют полимер, называется мономером. Многократно повторяющиеся в макромолекуле группы атомов называются структурными звеньями. Молекула мономера и структурное звено макромолекулы одинаковы по составу, но различны по строению:
1) в данном случае в молекуле пропилена имеется двойная связь между атомами;
2) в структурном звене полипропилена она отсутствует;
3) число n в формуле полимера показывает, сколько молекул мономера соединяется в макромолекулу. Она называется степенью полимеризации.
Макромолекулы полимеров могут иметь различную геометрическую форму:
а) линейную (зигзагообразную), когда структурные звенья соединены в длинные цепи последовательно одно за другим;
б) разветвленную (с ними мы встречались на примере крахмала);
в) пространственную, когда линейные молекулы соединены между собой химическими связями (например, в вулканизированном каучуке – резине).
Геометрическая форма полимеров существенно сказывается на их свойствах.
Свойства полимеров:
1) полимеры могут иметь кристаллическое и аморфное строение;
2) молекулярная масса для полимеров имеет некоторые особенности.
Характерные особенности молекулярной массы.
1. В процессе полимеризации в макромолекулы соединяется различное число молекул мономера в зависимости от того, когда произойдет обрыв растущей полимерной цепи.
2. При этом образуются макромолекулы разной длины и разной массы.
3. Указываемая для такого вещества молекулярная масса – это лишь ее среднее значение, от которого масса отдельных молекул существенно отклоняется в ту или иную сторону.
Например, если молекулярная масса полимера 28 000, то в нем могут быть молекулы с относительной массой 26 000, 28 000, 30 000 и т. д.
Свойства, которые вытекают из особенностей строения полимеров:
1) низкомолекулярные вещества характеризуются определенными температурами плавления, кипения и другими константами;
2) если нагревать какой-нибудь полимер линейной структуры, то будет видно, что он сначала размягчится, а потом, по мере дальнейшего повышения температуры, начнет постепенно плавиться, образуя вязкотекучую жидкость;
3) многие полимеры характеризуются плохой растворимостью;
4) вещества линейной структуры все же могут, хотя и с трудом, растворяться в тех или иных растворителях, образуя весьма вязкие растворы;
5) пространственные полимеры совершенно не растворимы.
Некоторые из них, например резина, могут только набухать в растворителях.
85. Пластмассы
Характерные особенности пластмасс:
1) пластмассами называют материалы, изготовляемые на основе полимеров, способные принимать при нагревании заданную форму и сохранять ее после охлаждения;
2) по масштабу производства они занимают первое место среди полимерных материалов;
3) в пластмассах сочетаются большая механическая прочность, малая плотность, высокая химическая стойкость, хорошие теплоизоляционные и электроизоляционные свойства и т. п.;
4) пластмассы производятся из доступного сырья, они легко поддаются переработке в самые разнообразные изделия;
5) кроме полимера (называемого часто смолой), в пластмассах почти всегда содержатся другие компоненты, придающие материалу определенные качества:
а) полимерное вещество для них является связующим;
б) в пластмассы входят:
– наполнители (древесная мука, ткань, асбест, стекловолокно и др.), снижающие стоимость материала и улучшающие его механические свойства, пластификаторы (например, высококипящие сложные эфиры), повышающие эластичность, устраняющие хрупкость, стабилизаторы (антиоксиданты, светостабилизаторы), которые способствуют сохранению свойств пластмасс в процессе их переработки и использования;
– красители, сообщающие материалу требуемую окраску, и другие вещества.
Для правильного обращения с пластмассами нужно знать, термопластичными или термореактивными являются образующие их полимеры.
Термопластичные полимеры (например, полиэтилен):
1) при нагревании размягчаются и в этом состоянии легко изменяют форму;
2) при охлаждении они снова затвердевают и сохраняют приданную форму;
3) при следующем нагревании они снова размягчаются, принимают новую форму и т. д.;
4) из термопластичных полимеров посредством нагревания и давления можно формовать различные изделия и при необходимости подвергать их повторно такой же переработке.
Термореактивные полимеры:
1) при нагревании сначала становятся пластичными, но потом утрачивают пластичность, становятся неплавкими и нерастворимыми, так как в них происходит химическое взаимодействие между линейными макромолекулами, образуется пространственная структура полимера (подобно превращению каучука в резину);
2) повторно переработать такой материал в новое изделие уже невозможно: он приобрел пространственную структуру и утратил необходимое для этого свойство пластичности.
На основе приведенных общих сведений о полимерах рассмотрим некоторые наиболее распространенные пластмассы.
Пластмассы на основе полимеров являются ценными заменителями многих природных материалов (металла, дерева, кожи, клеев и т. д.).
86. Полиэтилен и полипропилен
Особенности полиэтилена и его строения:
1) структурная формула полиэтилена: (-СН2-СН2-)n;
2) это твердый, белого цвета, термопластичный, немного жирный на ощупь материал, напоминает парафин.
Это сходство можно понять, если учесть, что полимер по строению – предельный углеводород (парафин) с большой молекулярной массой.
Горючесть полиэтилена и его химическая стойкость по отношению к реагентам.
1. Полиэтилен горит голубоватым, слабо светящимся пламенем.
2. Растворы кислот, щелочей, окислителей (перманганата калия) на него не действуют.
3. Концентрированная азотная кислота разрушает полиэтилен.
Способы применения полиэтилена:
1) как хороший диэлектрик он широко используется для изоляции электропроводов и кабелей, применяемых в различных средствах связи, высокочастотных установках;
2) значительная водо– и газонепроницаемость пленок полиэтилена позволяет использовать их как упаковочный материал для различных изделий и продуктов питания;
3) в сельском хозяйстве пленки нашли применение при строительстве теплиц, для устранения фильтрационных потерь воды в каналах и водохранилищах, для укрытия плодово-ягодных культур и саженцев от заморозков и т. п.;
4) химическая стойкость полиэтилена дает возможность изготовлять из него разного рода трубы, детали в химическом аппаратостроении, емкости для хранения и перевозки химически агрессивных жидкостей. В больших количествах из полиэтилена изготовляют предметы бытового назначения: фляги, кружки, упаковочные пакеты и т. д.
Способы получения полиэтилена.
1. Полиэтилен получается в промышленности при высоком давлении (150–300 МПа, 200–280 °C) и низком давлении (0,2–2,5 МПа, 80-100 °C).
2. Полимер высокого давления не имеет строго линейной структуры, в его цепных макромолекулах образуются ответвления.
3. Полимер низкого давления в результате действия особого катализатора приобретает строго линейную структуру, поэтому молекулы его могут плотнее примыкать друг к другу (возрастает степень кристалличности), что существенно сказывается на свойствах материала.
4. При обращении с изделиями из полиэтилена следует учитывать возможные различия в свойствах, например: а) изделия из полимера высокого давления могут эксплуатироваться при температурах до 60–70 °C; б) изделия из полимера низкого давления – до 100 °C.
Полипропилен и его характерные особенности:
1) структурная формула полипропилена: (-СН2-СН(CH3)-)n;
2) он имеет много общего с полиэтиленом;
3) полипропилен – это тоже твердый, жирный на ощупь, белого цвета, термопластичный материал.
87. Поливинилхлорид и полистирол
Характерные особенности поливинилхлорида:
1) структурная формула поливинилхлорида: (-СН2-СН(Cl)-)n;
2) это термопластичный полимер, линейные макромолекулы которого построены по типу "голова – хвост" (М от 10 000 до 150 000);
3) получается он радикальной полимеризацией хлорвинила (винилхлорида) СН2=СНCl в присутствии инициаторов, которые дают при распаде свободные радикалы для начала роста цепи.
Особенности строения поливинилхлорида.
1. По составу и строению его можно рассматривать как хлорпроизводное полиэтилена.
2. Атомы хлора, заместившие часть атомов водорода, прочно соединены с углеродными атомами.
3. Поливинилхлорид устойчив к действию кислот и щелочей, обладает хорошими диэлектрическими свойствами, большой механической прочностью.
4. Он практически не горит, но сравнительно легко разлагается при нагревании, выделяя при этом хлороводород.
5. На основе поливинилхлорида получаются пластмассы двух типов: а) винипласт, обладающий значительной жесткостью; б) пластикат – более мягкий материал. Для предотвращения разложения полимера в пластмассу вводятся стабилизаторы, а при получении мягкого пластиката, кроме того, пластификаторы.
6. Из винипласта готовятся химически стойкие трубы, детали химической аппаратуры, аккумуляторные банки и многое другое. Пластикат идет на изготовление линолеума, искусственной кожи, клеенки, непромокаемых плащей, используется для изоляции проводов, в том числе подводных кабелей и т. д.
Полистирол, его особенности:
1) структурная формула полистирола: (-СН2-СН(C6H5)-)n;
2) мономер данного полимера – стирол: С6Н5-CH=СН2;
3) он представляет собой сочетание непредельного углеводорода с ароматическим: это как бы этилен, в молекуле которого один атом водорода заменен ароматическим радикалом фенилом – С6Н5, или же бензол, в молекуле которого атом водорода заменен радикалом винилом СН2=СН-;
4) полистирол имеет линейную структуру, молекулярная масса его от 50 000 до 300 000;
5) получается он радикальной полимеризацией мономера в присутствии инициатора.
Свойства полистирола.
1. Это термопластичный материал, обладающий высокими диэлектрическими свойствами.
2. Химически стойкий по отношению к щелочам и кислотам, кроме азотной.
3. Полистирол при нагревании довольно легко деполимеризуется, т. е. разлагается с образованием исходного мономера.
4. Будучи материалом весьма термопластичным, полистирол легко поддается формованию.
5. Из него готовят широкий ассортимент изделий.
88. Синтетические волокна
Особенности синтетических волокон.
1. Изготовление волокон и тканей – вторая обширная область народно-хозяйственного применения синтетических высокомолекулярных веществ.
2. Кроме волокон, выпрядаемых непосредственно из природных материалов (льна, хлопка, шерсти), получаются также искусственные волокна.
3. Примером их является ацетатное волокно.
4. Производство искусственных волокон, основывающееся на переработке природных полимеров, не может покрыть все возрастающую потребность в волокнистых материалах.
Возникла необходимость получать волокна из синтетических высокомолекулярных соединений.
Искусственные и синтетические волокна составляют одну группу химических волокон, при производстве тех и других используются химические методы.
Волокно лавсан, его особенности.
1. Полимер, используемый для производства лавсана, синтезируют путем поликонденсаций двухатомного спирта этиленгликоля и двухосновной кислоты ароматического ряда терефталевой кислоты.
2. Вещества взаимодействуют между собой по типу реакции этерификации, которая, многократно повторяясь, ведет к образованию макромолекулы – полиэфира: а) волокно лавсан обладает большой прочностью, износостойкостью, свето– и термостойкостью; б) оно хороший диэлектрик, устойчиво к действию кислот и щелочей средней концентрации (концентрированные кислоты действуют на него разрушающе); в) используется лавсан в виде нитей и штапеля в смеси с другими волокнами; г) изделия из него широко известны:
– это ткани для изготовления различных видов одежды;
– трикотажные изделия, тюль;
– обивочные материалы и т. п.
Поскольку лавсан по химическому строению негигроскопичен, то при производстве тканей для одежды он используется преимущественно в смеси с другими волокнами: лавсан обеспечивает прочность, износостойкость изделия.
3. Ткани из лавсана (или с лавсаном) характеризуются несминаемостью, что повышает их потребительские качества.
4. Высокая прочность лавсана позволяет готовить из него изделия технического назначения – канаты, транспортные ленты, фильтровальные ткани.
5. Сравнительно высокая термостойкость позволяет использовать технические изделия из лавсана в довольно широких интервалах температур (от –70 до +170 °C).
Волокно капрон, его особенности.
1. Полимер, из которого получают это волокно, можно рассматривать как продукт поликонденсации аминокапроновой кислоты.
2. Как и в случае лавсана, полимер получается в виде смолы.
3. и технология формования волокон из расплава.