Лекция №3
Основные понятия в химии ВМС
Высокомолекулярные соединения (ВМС) – это
химические вещества, которые состоят из большого
числа повторяющихся группировок (мономерных
звеньев), соединенных между собой химическими
связями и обладающие особыми свойствами. ВМС, состоящие из больших молекул цепного
строения, называют полимерами (от греч. «поли» –
много, «мерос» – часть). Молекула полимера называется
макромолекулой – это молекулы, которые состоят из
огромного числа атомов, соединенных между собой
обычными ковалентными связями (от греч. «макрос» -
большой, длинный).
Пример: пропилен СH2=CH-CH3 является мономером полипропилена:
Мономер – это низкомолекулярное соединение, из которого образуются полимеры.
Полимергомологи – это полимерные соединения одинакового химического строения, отличающиеся степенью полимеризации, т.е. длиной цепи. Полимергомологический ряд – это ряд соединений, в котором каждый элемент отличается от предыдущего на элементарное звено. У целлюлозы элемент полимергомологического ряда отличается на группу C6H10O5, у природного каучука – на группу C5H8.
Элементарное (мономерное) звено – это одинаковые, многократно повторяющие группы атомов, связанных между собой химическими связями. Пример: макромолекула полиэтилена:
…-CH2-CH2-CH2-CH2-… построена из элементарных звеньев – остатков мономеров:
-CH2-CH2- Степень полимеризации называют среднее число молекул – мономеров, входящих в макромолекулу полимера.
P=M/mгде M – масса полимера, m – молекулярная масса элементарного звена. Полимеры с высокой степенью полимеризации называются высокополимерами, а с небольшой – олигомерами. Сополимеры – полимеры, макромолекулы которых построены из разных элементарных звеньев. Гомополимеры – полимеры, которые содержат в макромолекулеодинаковые элементарные звенья.
Классификация полимеров1. По происхождению:- Природные (биополимеры – полисахариды, белки, каучук и
др.);- Искусственные – полученные из природных путем
химическихпревращений (ацетатное, вискозное волокно);- Синтетические – полученные из мономеров
(синтетические каучуки,капрон, лавсан).2. По составу:- Органические;- Элементоорганические;- Неорганические.3. По структуре макромолекулы:- Линейные;- Разветвленные;- Сетчатые.4. По химическому составу:- Гомополимеры;- Гетерополимеры.
Классификация полимеров5. По составу главной цепи:
- Гомоцепные;
- Гетероцепные.
6. По пространственному строению:
- Стереорегулярные;
- Нестереорегулярные.
7. По физическим свойствам:
- Кристаллические;
- Аморфные.
8. По способу получения:
- Полимеризационные;
- Поликонденсационные.
Задание
Напишите структурные формулы
полимеров для каждой классификации.
Строение и форма макромолекул
Геометрическая форма макромолекул – это пространственная структура макромолекул в целом.
Форма
Линейная Разветвленная Сетчатая(пространственная)
Строение макромолекул
Химическое строение – последовательность химических связей
атомов в молекуле (теория Бутлерова).
Пространственное строение – определенное расположение
атомов молекулы в пространстве(геометрия молекулы).
Электронное строение – распределение на атомах молекулы
электронной плотности, зарядов, неспаренных электронов.
Химическое строение
Регулярное строение – выражается в правильно повторяющемся расположении атомов в цепи.
Присоединение может идти по типу α, α («голова к голове») и β, β («хвост к хвосту»)
Нерегулярное строение - порядок расположения атомов в цепи нарушен.
Помимо соединения по типу «голова к хвосту» появляются соединения «голова к голове», «хвост к хвосту».
Оно определяет порядок соединения структурных звеньев в цепи.
Пространственное строение
-определенное расположение в
пространстве атомов или групп атомов,
связанных с главной цепью
макромолекулы. По-другому –
стереорегулярность полимера.
1. Пространственное строение макромолекул,
образованных виниловыми мономерами CH2=CH–
R (к виниловым мономерам относят соединения,
содержащие группу винил –CH=CH2).
Если представить макромолекулу (–CH2–CHR–)n в
виде вытянутой цепи, то все атомы углерода, имеющие
тетраэдрическое строение (sp3-гибридизация), окажутся
в одной плоскости в виде зигзагообразного скелета С–С-
связей с углами 109o28'.
Группы (или заместители) R могут занимать по
отношению к этой плоскости различные положения в
пространстве. Рассмотрим это на примере отрезка цепи,
включающего 4 звена, соединенных по типу "голова-
хвост".
1. Заместители R расположены по одну сторону от плоскости главной цепи:
2. Заместители R находятся по разные стороны от главной цепи:
Полимер называется стереорегулярным, если заместители R в
основной цепи макромолекул (–CH2–CHR–)n расположены упорядоченно:
1. Находятся по одну сторону от плоскости цепи (такие
полимеры называют изотактическими)
2. Находятся строго очередно по одну и другую стороны
от этой плоскости (синдиотактические полимеры
["синдио" означает "над-под"])
3. Если боковые заместители в макромолекулах располагаются в
беспорядке относительно плоскости основной цепи, то такой полимер
является стереонерегулярным или атактическим.
2. Пространственное строение макромолекул, образованных
диеновыми мономерами. В структурном звене таких макромолекул
имеется двойная связь (например, в 1,4-полибутадиене или 1,4-
полиизопрене). В этом случае возможны цис- и транс- изомерные формы:
натуральный каучук (1,4-цис-полиизопрен)
Сополимеры – полимеры, макромолекулы которых построены изразных элементарных звеньев.
Нерегулярные сополимеры – расположение элементарных звеньев вглавной цепи без определенного порядка.
…-А-B-C-C-B-A-A-B-A-C-B-A-…
Регулярные сополимеры – расположение элементарных звеньев вглавной цепи в строгой последовательности.
…-А-B-C-A-B-C-A-B-C-A-B-C-…
«Блок» сополимеры – полимеры, построенные из элементарных звеньев только одного вида.
…-А-A-A-A-A-B-B-B-B-C-C-C-C-C-C-C-…
Физические состояния полимеров
В зависимости от строения и внешних условий полимеры могут
находится в аморфном или кристаллическом состояниях.
Аморфное состояние полимера характеризуется отсутствием
упорядоченности в расположении макромолекул.
Кристаллическое состояние возможно лишь для стереорегулярных
полимеров. Под кристалличностью полимеров понимают упорядоченное
расположение некоторых отдельных участков цепных макромолекул.
Одна и та же макромолекула может проходить через кристаллические и
аморфные участки.
Фибриллярная структура кристаллических областей характерна
для жесткоцепных, а складчатая - для гибкоцепных полимеров.
Физические состояния аморфных полимеров
Отличительные особенности ВМС
1. Особенности растворов полимеров:- Высокая вязкость раствора при малой концентрации полимера;- Растворение полимера происходит через стадию набухания.
2. Особые механические свойства:- Эластичность – способность к высоким деформациям при относительно небольшой нагрузке (каучуки);- Малая хрупкость стеклообразных и кристаллических полимеров;- Способность макромолекул к ориентации под действием направленного механического поля (используется при изготовленииволокон и пленок).
3. Особые химические свойства:- Способность резко изменять свои физико-механические свойствапод действием малых количеств реагента;- Гибкость макромолекул – это способность обратимо изменять форму.
Спасибо за внимание