Общая характеристика синтетических высокомолекулярных соединений

Высокомолекулярные соединения, полимеры - вещества, обладающие большим молекулярным весом. К природным высокомолекулярным соединениям (биополимерам) относятся белки ,нуклеиновые кислоты ,полисахариды и т. д.

К синтетическим - различные пластмассы, синтетические каучуки и волокна.

Полимеры (от греч. polymeres - состоящий из многих частей, многообразный), химические соединения с высокой молекулярной массой (от нескольких тысяч до многих миллионов), молекулы которых (макромолекулы) состоят из большого числа повторяющихся группировок (мономерных звеньев). Атомы, входящие в состав макромолекул, соединены друг с другом силами главных и (или) координационных валентностей.

Классификация. По происхождению делятся на природные (биополимеры). Например, белки, нуклеиновые кислоты, смолы природные, и синтетические. Атомы или атомные группы могут располагаться в макромолекуле в виде: открытой цепи или вытянутой в линию последовательности циклов (линейные , например каучук натуральный); цепи с разветвлением (разветвленные П, например амилопектин); трёхмерной сетки, молекулы которых состоят из одинаковых мономерных звеньев, называются гомополимерами, например поливинилхлорид, поликапроамид, целлюлоза.

Свойства и важнейшие характеристики. Линейные полимеры обладают специфическим комплексом физико-химических и механических свойств. Важнейшие из этих свойств: способность образовывать высокопрочные анизотропные высокоориентированные волокна и плёнки; способность к большим, длительно развивающимся обратимым деформациям; способность в высокоэластическом состоянии набухать перед растворением; высокая вязкость растворов.

Полимеры могут вступать в следующие основные типы реакций: образование химических связей между макромолекулами, например при вулканизации каучуков, дублении кожи; распад макромолекул на отдельные, более короткие фрагменты; реакции боковых функциональных групп полимеров. С низкомолекулярными веществами, не затрагивающие основную цепь; внутримолекулярные реакции, протекающие между функциональными группами одной макромолекулы, например внутримолекулярная циклизация.

Некоторые свойства полимеров, например растворимость, способность к вязкому течению, стабильность, очень чувствительны к действию небольших количество примесей или добавок, реагирующих с макромолекулами.

Важнейшие характеристики полимеров - химический состав, молекулярная масса и молекулярно-массовое распределение, степень разветвлённости и гибкости макромолекул, стереорегулярность и др. Свойства существенно зависят от этих характеристик.

Получение. Природные полимеры образуются в процессе биосинтеза в клетках живых организмов. С помощью экстракции, фракционного осаждения и др. методов они могут быть выделены из растительного и животного сырья. Синтетические полимеры получают полимеризацией и поликонденсацией. Карбоцепные полимеры обычно синтезируют полимеризацией мономеров с одной или несколькими кратными углерод - углеродными связями или мономеров, содержащих неустойчивые карбоциклические группировки циклопропана. Гетероцепные полимеры получают поликонденсацией, а также полимеризацией мономеров, содержащих кратные связи углерод-элемент или непрочные гетероциклические группировки.

Применение. Благодаря механической прочности, эластичности, электроизоляционным и др. ценным свойствам изделия из полимеров. Применяют в различных отраслях промышленности и в быту. Основные типы полимерных материалов - пластические массы, резины, волокна, лаки, краски, клеи, ионообменные смолы. Значение биополимеров определяется тем, что они составляют основу всех живых организмов и участвуют практически во всех процессах жизнедеятельности.

Историческая справка. Термин "полимерия" был введён в науку И. Берцелиусом в 1833 для обозначения особого вида изомерии, при которой вещества (полимеры), имеющие одинаковый состав, обладают различной молекулярной массой, например этилен и бутилен, кислород, содержание термина не соответствовало современным представлениям о П. "Истинные" синтетические полимеры к тому времени ещё не были известны.

4. Геометрическая форма полимеров.

Линейная(зигзагообразная) - при которой структурные звенья соединены в длинные цепи последовательно одно за другим (такую структуру имеют полиэтилен и полипропилен)

Разветвленная - структура крахмала, полиэтилена высокого давления.

Пространственная - когда линейные молекулы соединены между собой химическими связями, например, резина, фенолформальдегидная смола.

Геометрическая форма полимеров существенно влияет на их свойства.

5. Физические свойства ВМС.

Полимеры бывают: кристаллические и аморфные.

1. Чем выше кристалличность полимера, тем выше его прочность, однако в одной молекуле встречаются кристаллические и аморфные области. Повышение кристалличности (упорядоченности) достигается специальными мерами, такими, как вытяжка, протягивание сквозь фильеры с получением нитей.

2. Нитевидные молекулы обладают высокой гибкостью. Под воздействием теплового движения они изогнуты и сплетены в клубок. При приложении нагрузки они частично растягиваются, после снятия нагрузки тепловое движение восстанавливает исходное состояние.

3. Применение ВМС.

4. Высокомолекулярные соединения получили свое название вследствие большой величины их молекулярного веса, отличающие их от низкомолекулярных веществ, молекулярный вес которых лишь сравнительно редко достигает нескольких сотен. В настоящее время принято относить к ВМС вещества с молекулярным весом более 5000.

5. Молекулы ВМС называют макромолекулами, а химию ВМС - химией макромолекул и макромолекулярной химией.

6. Сополимеризация

Сополимеризация - полимеризация, в которой участвуют два или несколько различных мономеров. В результате сополимеризации образуются сополимеры, макромолекулы которых состоят из двух или более разнородных структурных звеньев. Сополимеризация позволяет получать высокомолекулярные вещества с разнообразными свойствами.

7. Синтез полимеров.

Реакция полимеризации, как мы уже знаем,- это процесс соединения молекул в более крупные молекулы. Этот процесс идет постепенно, часто через образование свободных радикалов, когда макромолекула от начала своего роста и до его окончания представляет собой свободный радикал, т. е. весьма реакционноспособную частицу, которая присоединяет к себе все новые и новые молекулы мономера с разрывом в них двойных связей. Чтобы началось образование свободных радикалов, к мономеру добавляют очень небольшое количество инициатора- неустойчивого соединения, способного распадаться на свободные радикалы. Когда свободный радикал сталкивается с молекулой мономера, его электрон действует на PI-связь и образует пару с одним из ее электронов; так устанавливается ковалентная связь радикала с молекулой мономера. Второй электрон PI - связи остается свободным, в результате чего вся частица становится радикалом. Образовавшийся свободный радикал подобным же способом действует на другую молекулу мономера, присоединяя ее к себе, в результате чего появляется новый радикал. Такое проследование молекул в ходе цепной реакции продолжается до тех пор, пока не произойдет обрыв цепи. В результате реакции получается полимер с молекулярной массой в несколько десятков или сотен тысяч.

Реакция поликонденсации - это процесс образования высокомолекулярных веществ из низкомолекулярных, идущий с отщеплением побочного низкомолекулярного продукта(чаще всего воды). Для этой реакции также необходимо, чтобы молекулы исходного вещества могли реагировать с двумя другими молекулами. В реакцию поликонденсации могут вступать не только вещества с различными функциональными группами в молекуле, как в случае аминокислот, но и вещества с одинаковыми функциональными группами в молекуле. Чтобы при этом осуществился процесс роста цепи, необходимо участие второго вещества, функциональные группы которого могли бы взаимодействовать с первым веществом.

8. Синтетические волокна и их получение

Изготовление волокон и тканей - вторая обширная область народнохозяйственного применения синтетических высокомолекулярных веществ. Мы уже знаем, что, кроме волокон, выпрядаемых непосредственно из природных материалов (льна, хлопка, шерсти), получают искусственные волокна. Примером их является ацетатное волокно. Но его тоже готовят из природного полимера- целлюлозы. Только ее предварительно подвергают химической обработке, чтобы сделать растворимой, а затем из раствора формируют нити.

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. В отличие от искусственных, волокна, получаемые из синтетических полимеров, называют синтетическими. Искусственные и синтетические волокна составляют одну группу химических волокон, так как при производстве тех и других используются химические методы.

9. Cинтетические каучуки

Высокомолекулярный углеводород (C5H8)n, цис- полимер изопрена; содержится в млечном соке (латексе) гевеи, кок-сагыза (разновидности одуванчика) и других растений. Растворим в углеводородах и их производных (бензине, бензоле, хлороформе, сероуглероде и т. д. ). В воде, спирте, ацетоне натуральный каучук практически не набухает и не растворяется. Уже при комнатной температуре натуральный каучук присоединяет кислород, происходит окислительная деструкция (старение каучука), при этом уменьшается его прочность и эластичность. При температуре выше 200 °C натуральный каучук разлагается с образованием низкомолекулярных углеводородов. При взаимодействии натурального каучука с серой, хлористой серой, органическими пероксидами происходит соединение через атомы серы длинных макромолекулярных связей с образованием сетчатых структур. Это придает каучуку высокую эластичность в широком интервале температур. Натуральный каучук перерабатывают в резину. В сыром виде применяют не более 1 % добываемого натурального каучука (резиновый клей). Более 60 % натурального каучука используют для изготовления автомобильных шин. В промышленных масштабах натуральный каучук производится в Индонезии, Малайзии, Вьетнаме.

Первым синтетическим каучуком, имевшим промышленное значение, был полибутадиеновый каучук, производившийся синтезом по методу С. В. Лебедева, однако из-за невысоких механических качеств нашёл ограниченное применение.

Изопреновые каучуки - синтетические каучуки, получаемые полимеризацией изопрена в присутствии катализаторов - металлического лития, перекисных соединений. В отличие от других синтетических каучуков изопреновые каучуки, подобно натуральному каучуку, обладают высокой клейкостью и незначительно уступают ему в эластичности.

Каучуки с гетероатомами в качестве заместителей или имеющими их в своём составе часто характеризуются высокой стойкостью к действию растворителей, топлив и масел, устойчивостью к действию солнечного света, но обладают худшими механическими свойствами. Наиболее массовым в производстве и применении каучуками с гетерозаместителями являются хлоропреновые каучуки - полимеры 2-хлорбутадиена

Так же каучуков изготавливаются специальные резины огромного разнообразия уплотнений для целей тепло- звуко- воздухо- гидроизоляции разъёмных элементов зданий, в санитарной и вентиляционной технике, в гидравлической, пневматической и вакуумной технике.

Каучуки применяют для электроизоляции, производства медицинских приборов и средств контрацепции.

10. Метод Лебедева

Химик-органик Сергей Васильевич Лебедев, ученик одного из крупнейших русских химиков-органиков А. Е. Фаворского, является основоположником промышленности синтетического каучука - важнейшего раздела современной химической промышленности. Возникнув в СССР, в 1930-1931 гг.

Заслуги С. В. Лебедева, однако, не ограничиваются разработкой метода производства дивинилового синтетического каучука из широко доступного этилового спирта и метода изготовления из синтетического каучука резиновых изделий. Другой цикл его работ - работ в области высоко- и низкотемпературной полимеризации изобутилена лежит в основе методов следующих производств: производства новейшей разновидности синтетического каучука, так называемого "бутилкаучука"; производства 100-октановых компонентов моторных топлив; производства загустителей смазочных масел, позволяющих маловязкие топливные фракции нефти превращать в высоковязкие авиационные смазочные масла.

Окончив в 1900 г. университет с дипломной работой, выполненной в лаборатории А. Е. Фаворского, он временно должен был прекратить исследовательскую работу в области органической химии, так как не был оставлен при университете.

С. В. Лебедев поступил работать в Комиссию по исследованию рельсовой стали при Институте инженеров путей сообщения. Там он собрал обширный материал, который был опубликован в сборнике "Труды Рельсовой комиссии при Институте инженеров путей сообщения" (1905-1906 гг. ). За эту работу жюри Международной выставки железнодорожного дела в Милане 2 марта 1907 г. присудило ему золотую медаль.

Ещё в 1902 г. С. В. Лебедев поступил лаборантом в лабораторию аналитической и технической химии Петербургского университета, но исследовательская работа у него здесь не развёртывалась до второй половины 1908 г. вследствие двукратной поездки за границу, призыва на военную службу и других причин.

Лишь в 1908 г. , уже 34 лет отроду, С. В. Лебедев приступил к исследованию полимеризации диолефиновых углеводородов, которому суждено было стать основным делом всей его жизни. Уже в 1908-1909 гг. , впервые в истории промышленности синтетического каучука, С. В. Лебедев получил каучукоподобный термополимер из дивинила. До этого были известны только синтетические каучуки из изопрена и диизопропенила. В последующие годы он провёл полимеризацию диолефиновых углеводородов иных типов и установил ряд положений, признанных теперь законами термополимеризации диолефиновых углеводородов. Итоги напряжённых четырёхлетних трудов подведены им в монографии "Исследования в области полимеризации диолефиковых углеводородов", опубликованной в 1912 г. Эту работу он защитил в 1913 г. как магистерскую диссертацию. В 1914 г. Российская Академия наук присудила ему за работу большую премию И. Д. Толстого и почётную золотую медаль.

С. В. Лебедев считал, что решать проблему синтетического каучука следует не путём попыток синтезировать продукт, тождественный по структуре природному каучуку, а изготовлением каучука, годного для превращения в хорошую резину, из простейшего углеводорода ряда дивинила - самого дивинила.

Полимеры низкотемпературной полимеризации, по С. В. Лебедеву - изобутилена с молекулярным весом 10 000-20 000, были выпущены на рынок фирмой Standard Oil Company of New-Jersey под наименованием "паратона" - загустителя маловязких смазочных масел. Этот загуститель вскоре приобрёл весьма большое значение, давая возможность получить низкозастывающие авиационные смазочные масла. Наконец, прямым продолжением работы С. В. Лебедева является замечательное исследование Томаса, Шперка, Фролиха по низкотемпературной полимеризации изобутилена над высокоактивными катализаторами до твёрдых каучукоподобных полимеров с молекулярным весом 200 000-400 000. По существу эти полимеры являются парафиновыми углеводородами с трёхвалентными углеродами на концах цепи и, конечно, не способны вулканизоваться.

Однако при полимеризации изобутилена всего с 4-5% дивинила или изопрена получаются сополимеры, уже способные вулканизоваться с образованием, так называемого бутилкаучука. Особенно замечательным свойством этой разновидности синтетического каучука является его стойкость к озону и кислотам.

В 1925 г. , в целях подготовки для нефтеперерабатывающей промышленности квалифицированных химиков-исследователей, С. В. Лебедеву было предложено организовать в Ленинградском университете лабораторию химии нефти. С 1925 по 1928 г. им и его многочисленными учениками был выполнен ряд работ по силикатной очистке нефтепродуктов, а также по пиролизу нефтяных фракций на дивинил. В 1928 г. эта лаборатория химии нефти была преобразована в лабораторию синтетического каучука. Она сыграла важную роль в строительстве промышленности синтетического каучука в СССР.

Необходимость создания своей сырьевой базы резиновой промышленности, независимой от импорта, побудила Высший Совет народного хозяйства ещё в начале 1926 г. объявить всемирный конкурс на лучший способ получения синтетического каучука. Последний срок представления предложений был назначен на 1 января 1928 г. По условиям конкурса, кроме описания способа, требовалось представить 2 килограмма синтетического каучука и разработанную схему его заводского получения. Сырьё для синтетического каучука должно было быть доступным и дешёвым. Каучук из этого сырья обязан быть по качеству не ниже натурального каучука и не выше его по цене. С. В. Лебедев не остался безучастным к призыву правительства. С большим увлечением он с сотрудниками принялся за выполнение поставленной задачи, представлявшей значительные трудности даже и для него, подготовленного к решению этой задачи всей предшествующей своей деятельностью. Решать эту задачу пришлось в мало для этого приспособленной лаборатории Военно-медицинской академии. Сырьём для получения дивинила сначала была нефть, но вскоре перешли на спирт.

Постановлением Правительства СССР от 7 августа 1931 г. С. В. Лебедев был награждён орденом Ленина за "особо выдающиеся заслуги по разрешению проблемы получения синтетического каучука".

Ещё в 1928 г. С. В. Лебедев был избран членом-корреспондентом Академии наук СССР, a в 1928 г. - её действительным членом.

Главнейшие труды С. В. Лебедева: Исследование трихлорметил-о-метоксифенилкарбонила (дипломная работа); Исследования в области полимеризации; Исследования в области изучения каталитического действия силикатов на непредельные соединения; Исследования в области каталитической гидрогенизации непредельных соединений; Исследования в области промышленного синтеза каучука - помещены в книге: Сергей Васильевич Лебедев. Жизнь и труды, Л. , 1938.

Данная презентация может быть использована при объяснении нового материала по теме <<Синтетические высокомолекулярные соединения>>. И на уроках по обобщению знаний. В ней рассматривается строение, способы получения полимеров, физические и химические свойства. Так же раскрыты реакции: полимеризации, поликонденсации и сополимеризации, приведены примеры. Описан метод синтеза каучука, основанный химиком - органиком Сергеем Васильевичем Лебедевым. Далее даны определения ВМС, их классификации, на основе происхождения(природных и синтетических), показано применение за счет свойств, понятие мономера, полимера, структурного звена и степени полимеризации. Предложенная презентация позволяет проверить усвоение основных понятий по теме <<Синтетические высокомолекулярные соединения>>. Так же презентация содержит гиперссылки и помогает вернутся к нужному вам слайду, для лучшего закрепления материала.