Un compus macromolecular este Definiție, compoziție, caracteristici, proprietăți

2024 Autor: Angel Austin | [email protected]. Modificat ultima dată: 2024-01-02 17:54

Compușii cu greutate moleculară mare sunt polimeri care au o greutate moleculară mare. Pot fi compuși organici și anorganici. Distingeți substanțele amorfe și cristaline, care constau din inele monomerice. Acestea din urmă sunt macromolecule legate prin legături chimice și de coordonare. În termeni simpli, un compus cu moleculară mare este un polimer, adică substanțe monomerice care nu își schimbă masa atunci când aceeași substanță „grea” este atașată de ele. În caz contrar, vom vorbi despre oligomer.

Ce studiază știința compușilor macromoleculari?

Chimia polimerilor macromoleculari este studiul lanțurilor moleculare formate din subunități monomerice. Aceasta acoperă un domeniu uriaș de cercetare. Mulți polimeri au o importanță industrială și comercială semnificativă. În America, odată cu descoperirea gazelor naturale, a fost lansat un amplu proiect de construire a unei fabrici pentru producția de polietilenă. Etanul din gazul natural este transformatîn etilenă, monomerul din care se poate produce polietilena.

Un polimer ca compus macromolecular este:

• Orice clasă de substanțe naturale sau sintetice formate din molecule foarte mari numite macromolecule.
• Multe unități chimice mai simple numite monomeri.
• Polimerii formează multe materiale în organismele vii, inclusiv, de exemplu, proteine, celuloză și acizi nucleici.
• În plus, ele formează baza mineralelor precum diamantul, cuarțul și feldspatul, precum și a materialelor artificiale precum betonul, sticlă, hârtie, materiale plastice și cauciuc.

Cuvântul „polimer” denotă un număr nedefinit de unități monomer. Când cantitatea de monomeri este foarte mare, compusul este uneori denumit polimer în alt. Nu se limitează la monomeri cu aceeași compoziție chimică sau greutate moleculară și structură. Unii compuși organici naturali cu greutate moleculară mare sunt compuși dintr-un singur tip de monomer.

Cu toate acestea, majoritatea polimerilor naturali și sintetici sunt formați din două sau mai multe tipuri diferite de monomeri; astfel de polimeri sunt cunoscuți ca copolimeri.

Substanțe naturale: care este rolul lor în viața noastră?

Compușii organici organici cu greutate moleculară mare joacă un rol crucial în viața oamenilor, furnizând materiale structurale de bază și participând la procesele vitale.

• De exemplu, părțile solide ale tuturor plantelor sunt alcătuite din polimeri. Acestea includ celuloza, lignina și diverse rășini.
• Pulp estepolizaharidă, un polimer format din molecule de zahăr.
• Lignina este formată dintr-o rețea complexă tridimensională de polimeri.
• Rășinile de arbore sunt polimeri ai unei hidrocarburi simple, izoprenul.
• Un alt polimer izopren familiar este cauciucul.

Alți polimeri naturali importanți includ proteinele, care sunt polimeri ai aminoacizilor și acizii nucleici. Sunt tipuri de nucleotide. Acestea sunt molecule complexe compuse din baze care conțin azot, zaharuri și acid fosforic.

Acizii nucleici transportă informația genetică în celulă. Amidonurile, o sursă importantă de energie alimentară din plante, sunt polimeri naturali alcătuiți din glucoză.

Chimia compușilor macromoleculari eliberează polimeri anorganici. Se găsesc și în natură, inclusiv diamant și grafit. Ambele sunt fabricate din carbon. Merită să știți:

• Într-un diamant, atomii de carbon sunt conectați într-o rețea tridimensională care conferă materialului duritatea sa.
• În grafit, folosit ca lubrifiant și în „minele” de creion, atomii de carbon se leagă în planuri care pot aluneca unul peste altul.

Mulți polimeri importanți conțin atomi de oxigen sau azot, precum și atomi de carbon în coloana vertebrală. Astfel de materiale macromoleculare cu atomi de oxigen includ poliacetalii.

Cel mai simplu poliacetal este poliformaldehida. Are un punct de topire ridicat, este cristalin, rezistent la abraziune șiacţiunea solvenţilor. Rășinile acetalice sunt mai asemănătoare metalelor decât orice alte materiale plastice și sunt utilizate la fabricarea pieselor de mașini, cum ar fi roți dințate și rulmenți.

Substanțe obținute artificial

Compușii macromoleculari sintetici sunt produși în diferite tipuri de reacții:

1. Multe hidrocarburi simple, cum ar fi etilena și propilena, pot fi transformate în polimeri prin adăugarea unui monomer după altul în lanțul de creștere.
2. Polietilena, compusă din monomeri de etilenă care se repetă, este un polimer aditiv. Poate avea până la 10.000 de monomeri conectați în lanțuri elicoidale lungi. Polietilena este cristalină, translucidă și termoplastică, ceea ce înseamnă că se înmoaie când este încălzită. Este folosit pentru acoperiri, ambalaje, piese turnate și sticle și recipiente.
3. Polipropilena este, de asemenea, cristalină și termoplastică, dar mai dura decât polietilena. Moleculele sale pot consta din 50.000-200.000 de monomeri.

Acest compus este folosit în industria textilă și pentru turnare.

Alți polimeri aditivi includ:

• polibutadienă;
• poliizopren;
• policloropren.

Toate sunt importante în producția de cauciuc sintetic. Unii polimeri, cum ar fi polistirenul, sunt sticloși și transparenți la temperatura camerei și sunt, de asemenea, termoplastici:

1. Polistirenul poate fi vopsit în orice culoare și este utilizat la fabricarea jucăriilor și a altor materiale plasticearticole.
2. Când un atom de hidrogen din etilenă este înlocuit cu un atom de clor, se formează clorură de vinil.
3. Se polimerizează în clorură de polivinil (PVC), un material termoplastic incolor, dur, rigid, care poate fi transformat în multe forme, inclusiv spume, filme și fibre.
4. Acetatul de vinil, produs prin reacția dintre etilenă și acidul acetic, polimerizează în rășini amorfe, moi, folosite ca acoperiri și adezivi.
5. Se copolimerizează cu clorură de vinil pentru a forma o familie mare de materiale termoplastice.

Un polimer liniar caracterizat prin repetarea grupărilor esterice de-a lungul lanțului principal se numește poliester. Poliesterii cu lanț deschis sunt materiale incolore, cristaline, termoplastice. Acei compuși macromoleculari sintetici care au o greutate moleculară mare (de la 10.000 la 15.000 de molecule) sunt utilizați în producția de filme.

Polamide sintetice rare

Poliamidele includ proteinele cazeinice care se găsesc în mod natural în lapte și zeina găsite în porumb, care sunt folosite pentru a produce materiale plastice, fibre, adezivi și acoperiri. De remarcat:

• Polamidele sintetice includ rășini uree-formaldehidă, care sunt termorigide. Ele sunt folosite pentru a face obiecte turnate și ca adezivi și acoperiri pentru textile și hârtie.
• De asemenea, importante sunt rășinile poliamidice cunoscute sub numele de nailon. Suntdurabil, rezistent la căldură și abraziune, non-toxic. Ele pot fi vopsite. Cea mai faimoasă utilizare a sa este ca fibre textile, dar au multe alte utilizări.

O altă familie importantă de compuși chimici sintetici cu greutate moleculară mare constă din repetări liniare ale grupului uretan. Poliuretanii sunt utilizați la fabricarea fibrelor elastomerice cunoscute sub numele de spandex și la fabricarea straturilor de bază.

O altă clasă de polimeri sunt compuși organici-anorganici amestecați:

1. Cei mai importanți reprezentanți ai acestei familii de polimeri sunt siliconii. Compușii cu greutate moleculară mare conțin atomi alternanți de siliciu și oxigen cu grupări organice atașate la fiecare dintre atomii de siliciu.
2. Silicoanele cu greutate moleculară mică sunt uleiuri și grăsimi.
3. Speciile cu greutate moleculară mai mare sunt materiale elastice versatile care rămân moi chiar și la temperaturi foarte scăzute. De asemenea, sunt relativ stabile la temperaturi ridicate.

Polimerul poate fi tridimensional, bidimensional și unic. Unitățile care se repetă sunt adesea formate din carbon și hidrogen și uneori din oxigen, azot, sulf, clor, fluor, fosfor și siliciu. Pentru a crea un lanț, multe unități sunt legate chimic sau polimerizate împreună, modificând astfel caracteristicile compușilor cu greutate moleculară mare.

Ce caracteristici au substanțele macromoleculare?

Majoritatea polimerilor produși sunt termoplastici. Dupăse formează polimerul, poate fi încălzit și reformat din nou. Această proprietate îl face ușor de manevrat. Un alt grup de termorigide nu poate fi topit: odată ce polimerii sunt formați, reîncălzirea se va descompune, dar nu se va topi.

Caracteristicile compușilor macromoleculari ai polimerilor pe exemplul pachetelor:

1. Poate fi foarte rezistent la substanțe chimice. Luați în considerare toate lichidele de curățare din casa dvs. care sunt ambalate în plastic. A descris toate consecințele contactului cu ochii, dar pielea. Aceasta este o categorie periculoasă de polimeri care dizolvă totul.
2. În timp ce unele materiale plastice sunt ușor deformate de solvenți, alte materiale plastice sunt plasate în pachete care nu se sparg pentru solvenți agresivi. Nu sunt periculoase, dar pot dăuna doar oamenilor.
3. Soluțiile de compuși macromoleculari sunt cel mai adesea furnizate în pungi simple de plastic pentru a reduce procentul de interacțiune a acestora cu substanțele din interiorul recipientului.

Ca regulă generală, polimerii au o greutate foarte mică și un grad semnificativ de rezistență. Luați în considerare o gamă largă de utilizări, de la jucării la structura cadrului stațiilor spațiale sau de la fibră subțire de nailon în colanți până la Kevlar folosit în armurile de corp. Unii polimeri plutesc în apă, alții se scufundă. În comparație cu densitatea pietrei, betonului, oțelului, cuprului sau aluminiului, toate materialele plastice sunt materiale ușoare.

Proprietățile compușilor macromoleculari sunt diferite:

1. Polimerii pot servi ca izolatori termici și electrici: aparate, cabluri, prize electrice și cabluri care sunt fabricate sau acoperite cu materiale polimerice.
2. Aparate electrocasnice de bucătărie rezistente la căldură cu mânere pentru oale și tigăi din rășină, mânere pentru oale de cafea, spumă pentru frigider și congelator, pahare izolate, frigidere și ustensile pentru cuptorul cu microunde.
3. Lenjeria termică purtată de mulți schiori este din polipropilenă, în timp ce fibrele din jachetele de iarnă sunt din acril și poliester.

Compușii cu greutate moleculară mare sunt substanțe cu o gamă nelimitată de caracteristici și culori. Au multe proprietăți care pot fi îmbunătățite în continuare cu o gamă largă de aditivi pentru extinderea aplicației. Polimerii pot servi ca bază pentru imitarea bumbacului, mătasei și lânii, porțelanului și marmurei, aluminiului și zincului. În industria alimentară, acestea sunt folosite pentru a conferi ciupercilor proprietăți comestibile. De exemplu, brânză albastră scumpă. Poate fi consumat în siguranță datorită procesării polimerilor.

Prelucrarea și aplicarea structurilor polimerice

Polimerii pot fi procesați în diferite moduri:

• Extrudarea permite producerea de fibre subțiri sau tuburi masive grele, filme, sticle de alimente.
• Turnarea prin injecție face posibilă crearea de piese complexe, cum ar fi părți mari ale caroseriei auto.
• Malasele pot fi turnate în butoaie sau amestecate cu solvenți pentru a deveni baze adezive sau vopsele.
• Elastomerii și unele materiale plastice sunt extensibile și flexibile.
• Unele materiale plastice se extind în timpul procesării pentru a-și menține forma, cum ar fi sticlele de apă potabilă.
• Alți polimeri pot fi spumați, cum ar fi polistirenul, poliuretanul și polietilena.

Proprietățile compușilor macromoleculari variază în funcție de acțiunea mecanică și de metoda de obținere a substanței. Acest lucru face posibilă aplicarea lor în diverse industrii. Principalii compuși macromoleculari au o gamă mai largă de scopuri decât cei care diferă prin proprietăți speciale și metode de preparare. Universal și „fantezis” „se găsesc” în sectoarele alimentare și construcții:

1. Compușii cu greutate moleculară mare sunt alcătuiți din ulei, dar nu întotdeauna.
2. Mulți polimeri sunt fabricați din unități repetate formate anterior din gaze naturale, cărbune sau țiței.
3. Unele materiale de construcție sunt fabricate din materiale regenerabile, cum ar fi acidul polilactic (din porumb sau celuloză și linters de bumbac).

Este, de asemenea, interesant că sunt aproape imposibil de înlocuit:

• Polimerii pot fi folosiți pentru a face articole care nu au alte alternative materiale.
• Sunt transformate în folii transparente impermeabile.
• PVC este folosit pentru a face tuburi medicale și pungi de sânge care prelungesc perioada de valabilitate a produsului și a derivaților acestuia.
• PVC furnizează în siguranță oxigen inflamabil tuburilor flexibile neinflamabile.
• Și materialul antitrombogen precum heparina poate fi inclus în categoria cateterelor flexibile din PVC.

Multe dispozitive medicale se concentrează pe caracteristicile structurale ale compușilor macromoleculari pentru a asigura funcționarea eficientă.

Soluții de substanțe macromoleculare și proprietățile acestora

Deoarece dimensiunea fazei dispersate este greu de măsurat, iar coloizii sunt sub formă de soluții, uneori identifică și caracterizează proprietățile fizico-chimice și de transport.

Faza coloid	Hard	Soluție curată	Indicatori dimensionali
	Dacă coloidul constă dintr-o fază solidă dispersată într-un lichid, particulele solide nu vor difuza prin membrană.	Ionii sau moleculele dizolvate vor difuza prin membrană la difuzie completă.	Din cauza excluderii dimensiunii, particulele coloidale nu pot trece prin porii membranei UF mai mici decât dimensiunea lor.
Concentrația în compoziția soluțiilor de compuși macromoleculari	Concentrația exactă a solutului real va depinde de condițiile experimentale utilizate pentru a-l separa de particulele coloidale dispersate, de asemenea, în lichid.	Depinde de reacția compușilor macromoleculari atunci când se efectuează studii de solubilitate pentru substanțe ușor hidrolizate, cum ar fi Al, Eu, Am, Cm.	Cu cât dimensiunea porilor membranei de ultrafiltrare este mai mică, cu atât concentrația este mai micăparticule coloidale dispersate rămase în lichidul ultrafiltrat.

Un hidrocoloid este definit ca un sistem coloidal în care particulele de molecule macromoleculare sunt polimeri hidrofili dispersați în apă.

Dependența de apă	Dependență de căldură	Dependența de metoda de producție
Hidrocoloizii sunt particule coloidale dispersate în apă. În acest caz, raportul dintre cele două componente afectează forma polimerului - gel, cenușă, stare lichidă.	Hidrocoloizii pot fi ireversibili (într-o stare) sau reversibile. De exemplu, agar-agar, un hidrocoloid reversibil al extractului de alge marine, poate exista în stare gel și solidă sau poate alterna între stări cu adăugarea sau îndepărtarea căldurii.	Obținerea compușilor macromoleculari, cum ar fi hidrocoloizii, depinde de sursele naturale. De exemplu, agar-agarul și caragenanul sunt extrase din alge marine, gelatina este obținută prin hidroliza proteinelor de bovine și de pește, iar pectina este extrasă din coji de citrice și tescovină de mere.
Deserturile cu gelatina, facute din pudra, au in compozitie un hidrocoloid diferit. El este înzestrat cu mai puțin lichid.	Hidrocoloizii sunt utilizați în alimente în principal pentru a afecta textura sau vâscozitatea (de exemplu, sosul). Cu toate acestea, consistența depinde deja de metoda de tratament termic.	Pansamentele medicale pe bază de hidrocoloizi sunt folosite pentru a trata pielea și rănile. LAproducția se bazează pe o tehnologie complet diferită și se folosesc aceiași polimeri.

Alți hidrocoloizi principali sunt guma xantană, guma arabică, guma guar, guma de roșcove, derivații de celuloză precum carboximetil celuloza, alginatul și amidonul.

Interacțiunea substanțelor macromoleculare cu alte particule

Următoarele forțe joacă un rol important în interacțiunea particulelor coloidale:

• Repulsie indiferent de volum: aceasta se referă la lipsa suprapunerii dintre particulele solide.
• Interacțiune electrostatică: particulele coloidale poartă adesea o sarcină electrică și, prin urmare, se atrag sau se resping unele pe altele. Încărcarea atât a fazelor continue, cât și a celor dispersate, precum și mobilitatea fazelor, sunt factori care afectează această interacțiune.
• Forțe Van der Waals: Acest lucru se datorează interacțiunii dintre doi dipoli, care sunt fie permanenți, fie induși. Chiar dacă particulele nu au un dipol permanent, fluctuațiile densității electronilor duc la un dipol temporar în particule.
• Forțe de entropie. Conform celei de-a doua legi a termodinamicii, sistemul intră într-o stare în care entropia este maximizată. Acest lucru poate duce la crearea de forțe eficiente chiar și între sferele dure.
• Forțele sterice dintre suprafețele acoperite cu polimer sau în soluții care conțin un analog neadsorbant pot modula forțele interparticule, creând o forță de respingere sterica suplimentară careare o natură predominant entropică sau o forță de epuizare între ele.

Cel din urmă efect este căutat cu superplastifianți special formulați, menționați să mărească lucrabilitatea betonului și să reducă conținutul de apă al acestuia.

Cristale polimerice: unde se găsesc, cum arată?

Compușii cu molecule în alte includ chiar și cristale, care sunt incluse în categoria substanțelor coloidale. Aceasta este o gamă foarte ordonată de particule care se formează la o distanță foarte mare (de obicei, de ordinul câțiva milimetri până la un centimetru) și care arată similar cu omologii lor atomici sau moleculari.

Numele coloidului transformat	Exemplu de comandă	Producție
Opal prețios	Unul dintre cele mai bune exemple naturale ale acestui fenomen se găsește în culoarea spectrală pură a pietrei	Acesta este rezultatul unor nișe strânse de sfere de dioxid de siliciu coloidal amorf (SiO2)

Aceste particule sferice sunt depuse în rezervoare foarte silicice. Ele formează masive foarte ordonate după ani de sedimentare și comprimare sub acțiunea forțelor hidrostatice și gravitaționale. Rețele periodice de particule sferice submicrometrice oferă rețele interstițiale de goluri similare care acționează ca un rețea de difracție naturală pentru undele de lumină vizibilă, mai ales atunci când distanța interstițială este de același ordin de mărime cu unda luminoasă incidentă.

Astfel, s-a constatat că din cauza respingătoareInteracțiunile Coulomb, macromoleculele încărcate electric într-un mediu apos pot prezenta corelații asemănătoare cristalelor cu distanțe lungi între particule, adesea mult mai mari decât diametrul particulelor individuale.

În toate aceste cazuri, cristalele unui compus macromolecular natural au aceeași irizare strălucitoare (sau joc de culori), care poate fi atribuită difracției și interferenței constructive a undelor luminii vizibile. Ele îndeplinesc legea lui Bragg.

Un număr mare de experimente privind studiul așa-numitelor „cristale coloidale” au apărut ca urmare a unor metode relativ simple dezvoltate în ultimii 20 de ani pentru a obține coloizi monodispersi sintetici (atât polimeri, cât și minerali). Prin diferite mecanisme se realizează și se păstrează formarea unui ordin de lungă durată.

Determinarea masei moleculare

Greutatea moleculară este o proprietate critică a unei substanțe chimice, în special pentru polimeri. În funcție de materialul eșantionului, sunt selectate diferite metode:

1. Greutatea moleculară, precum și structura moleculară a moleculelor pot fi determinate folosind spectrometria de masă. Folosind metoda perfuziei directe, probele pot fi injectate direct în detector pentru a confirma valoarea unui material cunoscut sau pentru a oferi caracterizarea structurală a unui necunoscut.
2. Informația despre greutatea moleculară a polimerilor poate fi determinată folosind o metodă precum cromatografia de excludere a mărimii pentru vâscozitate și dimensiune.
3. PentruDeterminarea greutății moleculare a polimerilor necesită înțelegerea solubilității unui polimer dat.

Masa totală a unui compus este egală cu suma maselor atomice individuale ale fiecărui atom din moleculă. Procedura se efectuează după formula:

1. Determinați formula moleculară a moleculei.
2. Folosiți tabelul periodic pentru a afla masa atomică a fiecărui element dintr-o moleculă.
3. Înmulțiți masa atomică a fiecărui element cu numărul de atomi ai acelui element din moleculă.
4. Numărul rezultat este reprezentat printr-un indice lângă simbolul elementului din formula moleculară.
5. Conectează toate valorile împreună pentru fiecare atom din moleculă.

Un exemplu de calcul simplu cu greutate moleculară mică: pentru a găsi greutatea moleculară a NH_{3, primul pas este găsirea maselor atomice de azot (N) și hidrogen (H). Deci, H=1, 00794N=14, 0067.}

Apoi înmulțiți masa atomică a fiecărui atom cu numărul de atomi din compus. Există un atom de azot (nu este dat niciun indice pentru un atom). Există trei atomi de hidrogen, așa cum este indicat de indice. Deci:

• Greutatea moleculară a unei substanțe=(1 x 14,0067) + (3 x 1,00794)
• Greutăți moleculare=14,0067 + 3,02382
• Rezultat=17, 0305

Un exemplu de calcul al masei moleculare complexe Ca₃(PO₄)_{2 este o opțiune de calcul mai complexă:}

Din tabelul periodic, masele atomice ale fiecărui element:

• Ca=40, 078.
• P=30, 973761.
• O=15,9994.

Partea dificilă este să afli câți dintre fiecare atom este în compus. Există trei atomi de calciu, doi atomi de fosfor și opt atomi de oxigen. Dacă partea de îmbinare este între paranteze, înmulțiți indicele imediat după caracterul elementului cu indicele care închide parantezele. Deci:

• Greutatea moleculară a unei substanțe=(40,078 x 3) + (30,97361 x 2) + (15,9994 x 8).
• Greutate moleculară după calcul=120, 234 + 61, 94722 + 127, 9952.
• Rezultat=310, 18.

Formele complexe ale elementelor sunt calculate prin analogie. Unele dintre ele constau din sute de valori, astfel încât mașinile automate sunt acum utilizate cu o bază de date cu toate valorile g/mol.