En makromolekylær forbindelse er Definition, sammensætning, karakteristika, egenskaber

2024 Forfatter: Angel Austin | [email protected]. Sidst ændret: 2024-01-02 17:43

Forbindelser med høj molekylvægt er polymerer, der har en høj molekylvægt. De kan være organiske og uorganiske forbindelser. Skelne mellem amorfe og krystallinske stoffer, som består af monomere ringe. Sidstnævnte er makromolekyler forbundet med kemiske og koordinationsbindinger. Enkelt sagt er en højmolekylær forbindelse en polymer, det vil sige monomere stoffer, der ikke ændrer deres masse, når det samme "tunge" stof er knyttet til dem. Ellers vil vi tale om oligomeren.

Hvad studerer videnskaben om makromolekylære forbindelser?

Kemien af makromolekylære polymerer er studiet af molekylære kæder bestående af monomere underenheder. Dette dækker et enormt forskningsområde. Mange polymerer er af betydelig industriel og kommerciel betydning. I Amerika blev der sammen med opdagelsen af naturgas iværksat et stort projekt for at bygge et anlæg til fremstilling af polyethylen. Ethan fra naturgas omdannestil ethylen, den monomer, som polyethylen kan fremstilles af.

En polymer som en makromolekylær forbindelse er:

• Enhver af en klasse af naturlige eller syntetiske stoffer, der består af meget store molekyler kaldet makromolekyler.
• Mange enklere kemiske enheder kaldet monomerer.
• Polymerer udgør mange materialer i levende organismer, herunder f.eks. proteiner, cellulose og nukleinsyrer.
• Desuden danner de basis for mineraler som diamant, kvarts og feldspat samt menneskeskabte materialer som beton, glas, papir, plast og gummi.

Ordet "polymer" betegner et ubestemt antal monomerenheder. Når mængden af monomerer er meget høj, omtales forbindelsen nogle gange som høj polymer. Det er ikke begrænset til monomerer med samme kemiske sammensætning eller molekylvægt og struktur. Nogle naturlige højmolekylære organiske forbindelser er sammensat af en enkelt type monomer.

De fleste naturlige og syntetiske polymerer er imidlertid dannet af to eller flere forskellige typer monomerer; sådanne polymerer er kendt som copolymerer.

Naturlige stoffer: hvad er deres rolle i vores liv?

Organiske organiske forbindelser med høj molekylvægt spiller en afgørende rolle i menneskers liv, de leverer grundlæggende strukturelle materialer og deltager i vitale processer.

• For eksempel består de faste dele af alle planter af polymerer. Disse omfatter cellulose, lignin og forskellige harpikser.
• Pulp erpolysaccharid, en polymer, der består af sukkermolekyler.
• Lignin er dannet ud fra et komplekst tredimensionelt netværk af polymerer.
• Træharpikser er polymerer af et simpelt carbonhydrid, isopren.
• En anden velkendt isoprenpolymer er gummi.

Andre vigtige naturlige polymerer omfatter proteiner, som er polymerer af aminosyrer, og nukleinsyrer. De er typer af nukleotider. Disse er komplekse molekyler sammensat af nitrogenholdige baser, sukkerarter og fosforsyre.

Nukleinsyrer bærer den genetiske information i cellen. Stivelse, en vigtig kilde til diætenergi fra planter, er naturlige polymerer, der består af glucose.

Kemi af makromolekylære forbindelser frigiver uorganiske polymerer. De findes også i naturen, herunder diamant og grafit. Begge er lavet af kulstof. Værd at vide:

• I en diamant er kulstofatomer forbundet i et tredimensionelt netværk, der giver materialet dets hårdhed.
• I grafit, brugt som smøremiddel og i blyant "leads", binder kulstofatomer sig i planer, der kan glide hen over hinanden.

Mange vigtige polymerer indeholder oxygen- eller nitrogenatomer såvel som carbonatomer i rygraden. Sådanne makromolekylære materialer med oxygenatomer omfatter polyacetaler.

Den enkleste polyacetal er polyformaldehyd. Den har et højt smeltepunkt, er krystallinsk, slidstærk ogopløsningsmidlers virkning. Acetalharpikser er mere metallignende end nogen anden plast og bruges til fremstilling af maskindele såsom gear og lejer.

Stoffer opnået kunstigt

Syntetiske makromolekylære forbindelser produceres i forskellige typer reaktioner:

1. Mange simple kulbrinter såsom ethylen og propylen kan omdannes til polymerer ved at tilføje den ene monomer efter den anden til den voksende kæde.
2. Polyethylen, sammensat af gentagne ethylenmonomerer, er en additiv polymer. Den kan have op til 10.000 monomerer forbundet i lange spiralformede kæder. Polyethylen er krystallinsk, gennemskinnelig og termoplastisk, hvilket betyder, at det bliver blødt, når det opvarmes. Det bruges til belægninger, emballage, støbte dele og flasker og beholdere.
3. Polypropylen er også krystallinsk og termoplastisk, men hårdere end polyethylen. Dens molekyler kan bestå af 50.000-200.000 monomerer.

Denne blanding bruges i tekstilindustrien og til støbning.

Andre additive polymerer omfatter:

• polybutadien;
• polyisopren;
• polychloropren.

Alle er vigtige i produktionen af syntetisk gummi. Nogle polymerer, såsom polystyren, er glasagtige og gennemsigtige ved stuetemperatur og er også termoplastiske:

1. Polystyren kan farves i alle farver og bruges til fremstilling af legetøj og andet plastikvarer.
2. Når ét hydrogenatom i ethylen erstattes af et chloratom, dannes vinylchlorid.
3. Det polymeriserer til polyvinylchlorid (PVC), et farveløst, hårdt, stift termoplastisk materiale, der kan laves i mange former, herunder skum, film og fibre.
4. Vinylacetat, fremstillet ved reaktionen mellem ethylen og eddikesyre, polymeriserer til amorfe, bløde harpikser, der bruges som belægninger og klæbemidler.
5. Det copolymeriserer med vinylchlorid for at danne en stor familie af termoplastiske materialer.

En lineær polymer karakteriseret ved gentagelsen af estergrupper langs hovedkæden kaldes en polyester. Åben kæde polyestere er farveløse, krystallinske, termoplastiske materialer. De syntetiske makromolekylære forbindelser, der har en høj molekylvægt (fra 10.000 til 15.000 molekyler), bruges til fremstilling af film.

sjældne syntetiske polyamider

Polyamider omfatter de naturligt forekommende kaseinproteiner, der findes i mælk og zein, der findes i majs, som bruges til at fremstille plast, fibre, klæbemidler og belægninger. Værd at bemærke:

• Syntetiske polyamider omfatter urea-formaldehydharpikser, som er termohærdende. De bruges til at fremstille støbte genstande og som klæbemidler og belægninger til tekstiler og papir.
• Polyamidharpikser kendt som nylon er også vigtige. De erholdbar, modstandsdygtig over for varme og slid, ikke-giftig. De kan farves. Dens mest berømte anvendelse er som tekstilfibre, men de har mange andre anvendelser.

En anden vigtig familie af syntetiske højmolekylære kemiske forbindelser består af lineære gentagelser af urethangruppen. Polyurethaner bruges til fremstilling af elastomere fibre kendt som spandex og til fremstilling af basislakker.

En anden klasse af polymerer er blandede organisk-uorganiske forbindelser:

1. De vigtigste repræsentanter for denne familie af polymerer er silikoner. Forbindelser med høj molekylvægt indeholder alternerende silicium- og oxygenatomer med organiske grupper knyttet til hvert af siliciumatomerne.
2. Silikoner med lav molekylvægt er olier og fedtstoffer.
3. Arter med højere molekylvægt er alsidige elastiske materialer, der forbliver bløde selv ved meget lave temperaturer. De er også relativt stabile ved høje temperaturer.

Polymer kan være tredimensionel, todimensionel og enkelt. De gentagne enheder består ofte af kulstof og brint, og nogle gange oxygen, nitrogen, svovl, klor, fluor, fosfor og silicium. For at skabe en kæde er mange enheder kemisk bundet eller polymeriseret sammen, hvilket ændrer egenskaberne for forbindelser med høj molekylvægt.

Hvilke egenskaber har makromolekylære stoffer?

De fleste af de fremstillede polymerer er termoplastiske. Efterpolymeren er dannet, kan den opvarmes og omdannes igen. Denne egenskab gør den nem at håndtere. En anden gruppe af hærdeplast kan ikke omsmeltes: når først polymererne er dannet, vil genopvarmning nedbrydes, men ikke smelte.

Karakteristika for makromolekylære forbindelser af polymerer på eksemplet med pakker:

1. Kan være meget modstandsdygtig over for kemikalier. Overvej alle rengøringsvæsker i dit hjem, der er pakket i plastik. Beskrev alle konsekvenserne af kontakt med øjnene, men huden. Dette er en farlig kategori af polymerer, der opløser alt.
2. Mens nogle plasttyper let deformeres af opløsningsmidler, anbringes anden plast i ubrydelige emballager til aggressive opløsningsmidler. De er ikke farlige, men kan kun skade mennesker.
3. Løsninger af makromolekylære forbindelser leveres oftest i simple plastikposer for at reducere procentdelen af deres interaktion med stoffer inde i beholderen.

Som en generel regel er polymerer meget lette i vægt med en betydelig grad af styrke. Overvej en række anvendelser, fra legetøj til rammestrukturen på rumstationer, eller fra tynd nylonfiber i strømpebukser til Kevlar, der bruges i panser. Nogle polymerer flyder i vand, andre synker. Sammenlignet med tætheden af sten, beton, stål, kobber eller aluminium er al plast lette materialer.

Egenskaberne ved makromolekylære forbindelser er forskellige:

1. Polymerer kan tjene som termiske og elektriske isolatorer: apparater, ledninger, stikkontakter og ledninger, der er fremstillet eller belagt med polymermaterialer.
2. Varmebestandige køkkenmaskiner med greb af harpiks til gryder og pander, greb til kaffekande, køle- og fryseskum, isolerede kopper, kølere og mikroovnssikre redskaber.
3. Det termiske undertøj, som mange skiløbere bærer, er lavet af polypropylen, mens fibrene i vinterjakker er lavet af akryl og polyester.

Forbindelser med høj molekylvægt er stoffer med et ubegrænset udvalg af egenskaber og farver. De har mange egenskaber, der kan forbedres yderligere med en bred vifte af additiver for at udvide anvendelsen. Polymerer kan tjene som grundlag for at efterligne bomuld, silke og uld, porcelæn og marmor, aluminium og zink. I fødevareindustrien bruges de til at give svampe spiselige egenskaber. For eksempel dyr blåskimmelost. Den kan spises sikkert takket være polymerbehandling.

Bearbejdning og påføring af polymerstrukturer

Polymerer kan behandles på forskellige måder:

• Ekstrudering tillader produktion af tynde fibre eller tunge massive rør, film, madflasker.
• Sprøjtestøbning gør det muligt at skabe komplekse dele, såsom store karosseridele.
• Plast kan støbes i tønder eller blandes med opløsningsmidler for at blive klæbende baser eller maling.
• Elastomerer og nogle plasttyper er strækbare og fleksible.
• Nogle plastik udvider sig under behandlingen for at holde deres form, såsom drikkevandsflasker.
• Andre polymerer kan opskummes, såsom polystyren, polyurethan og polyethylen.

Egenskaberne af makromolekylære forbindelser varierer afhængigt af den mekaniske virkning og metoden til at opnå stoffet. Dette gør det muligt at anvende dem i forskellige brancher. De vigtigste makromolekylære forbindelser har en bredere række af formål end dem, der adskiller sig i særlige egenskaber og fremstillingsmetoder. Universelt og "fintfuldt" "finder sig selv" i fødevare- og byggesektoren:

1. Forbindelser med høj molekylvægt består af olie, men ikke altid.
2. Mange polymerer er fremstillet af gentagne enheder, der tidligere er dannet af naturgas, kul eller råolie.
3. Nogle byggematerialer er lavet af fornyelige materialer såsom polymælkesyre (fra majs eller cellulose og bomuldslinters).

Det er også interessant, at de næsten er umulige at erstatte:

• Polymerer kan bruges til at fremstille genstande, der ikke har andre materiale alternativer.
• De er lavet til gennemsigtige vandtætte film.
• PVC bruges til at fremstille medicinske slanger og blodposer, der forlænger holdbarheden af produktet og dets derivater.
• PVC leverer sikkert brændbar ilt til ikke-brændbare fleksible slanger.
• Og anti-trombogen materiale såsom heparin kan inkluderes i kategorien af fleksible PVC-katetre.

Mange medicinsk udstyr fokuserer på strukturelle træk ved makromolekylære forbindelser for at sikre effektiv funktion.

Løsninger af makromolekylære stoffer og deres egenskaber

Fordi størrelsen af den dispergerede fase er svær at måle, og kolloider er i form af opløsninger, identificerer og karakteriserer de nogle gange fysisk-kemiske og transportmæssige egenskaber.

Kolloidfase	Hårdt	Ren løsning	Dimensionale indikatorer
	Hvis kolloidet består af en fast fase dispergeret i en væske, vil de faste partikler ikke diffundere gennem membranen.	Opløste ioner eller molekyler vil diffundere gennem membranen ved fuld diffusion.	På grund af størrelsesudelukkelse kan kolloide partikler ikke passere gennem UF-membranporer, der er mindre end deres egen størrelse.
Koncentration i sammensætningen af opløsninger af makromolekylære forbindelser	Den nøjagtige koncentration af det faktiske opløste stof vil afhænge af de eksperimentelle forhold, der bruges til at adskille det fra kolloide partikler, der også er spredt i væsken.	Afhænger af reaktionen af makromolekylære forbindelser, når der udføres opløselighedsundersøgelser for let hydrolyserede stoffer såsom Al, Eu, Am, Cm.	Jo mindre porestørrelsen på ultrafiltreringsmembranen er, jo lavere er koncentrationenspredte kolloide partikler tilbage i den ultrafiltrerede væske.

Et hydrokolloid er defineret som et kolloidt system, hvor partikler af makromolekylære molekyler er hydrofile polymerer dispergeret i vand.

Vandafhængighed	Varmeafhængighed	Afhængighed af produktionsmetode
Hydrokolloid er kolloide partikler spredt i vand. I dette tilfælde påvirker forholdet mellem de to komponenter polymerens form - gel, aske, flydende tilstand.	Hydrokolloider kan være irreversible (i én tilstand) eller reversible. For eksempel kan agar, et reversibelt hydrokolloid af tangekstrakt, eksistere i en gel og fast tilstand eller veksle mellem tilstande med tilsætning eller fjernelse af varme.	Opnåelse af makromolekylære forbindelser, såsom hydrokolloider, afhænger af naturlige kilder. For eksempel udvindes agar-agar og carrageenan fra tang, gelatine opnås ved hydrolyse af kvæg- og fiskeproteiner, og pektin udvindes fra citrusskaller og æblerester.
Gelatine-desserter, lavet af pulver, har en anden hydrokolloid i deres sammensætning. Han er udstyret med mindre væske.	Hydrokolloider bruges hovedsageligt i fødevarer for at påvirke tekstur eller viskositet (f.eks. sauce). Konsistensen afhænger dog allerede af varmebehandlingsmetoden.	Hydrokolloidbaserede medicinske forbindinger bruges til at behandle hud og sår. PÅfremstilling er baseret på en helt anden teknologi, og de samme polymerer bruges.

Andre vigtigste hydrokolloider er xanthangummi, gummi arabicum, guargummi, johannesbrødgummi, cellulosederivater såsom carboxymethylcellulose, alginat og stivelse.

Interaktion mellem makromolekylære stoffer og andre partikler

Følgende kræfter spiller en vigtig rolle i samspillet mellem kolloide partikler:

• Afvisning uden hensyn til volumen: dette refererer til manglen på overlap mellem faste partikler.
• Elektrostatisk interaktion: Kolloide partikler bærer ofte en elektrisk ladning og tiltrækker eller afviser derfor hinanden. Ladningen af både de kontinuerlige og spredte faser samt fasernes mobilitet er faktorer, der påvirker denne interaktion.
• Van der Waals-kræfter: Dette skyldes interaktionen mellem to dipoler, som enten er permanente eller inducerede. Selvom partiklerne ikke har en permanent dipol, resulterer elektrondensitetsudsving i en midlertidig dipol i partiklen.
• Entropikræfter. Ifølge termodynamikkens anden lov går systemet ind i en tilstand, hvor entropien er maksimeret. Dette kan føre til skabelse af effektive kræfter selv mellem hårde sfærer.
• Steriske kræfter mellem polymer-coatede overflader eller i opløsninger indeholdende en ikke-adsorberende analog kan modulere interpartikelkræfter, hvilket skaber en yderligere sterisk frastødende kraft, derer overvejende entropisk af natur eller en udtømningskraft derimellem.

Sidstnævnte effekt søges efter med specielt formulerede superplastificeringsmidler designet til at øge betonens bearbejdelighed og reducere dets vandindhold.

Polymerkrystaller: hvor findes de, hvordan ser de ud?

Højmolekylære forbindelser omfatter jævne krystaller, som er inkluderet i kategorien kolloide stoffer. Dette er en højordnet række af partikler, der dannes på meget stor afstand (norm alt i størrelsesordenen fra nogle få millimeter til en centimeter) og ligner deres atomare eller molekylære modstykker.

Navn på det transformerede kolloid	Bestillingseksempel	Produktion
Precious Opal	Et af de bedste naturlige eksempler på dette fænomen findes i stenens rene spektrale farve	Dette er resultatet af tætpakkede nicher af amorfe kolloide siliciumdioxid (SiO2) kugler

Disse sfæriske partikler er aflejret i stærkt siliciumholdige reservoirer. De danner højt ordnede massiver efter år med sedimentation og kompression under påvirkning af hydrostatiske og gravitationskræfter. Periodiske arrays af submikrometer sfæriske partikler giver lignende interstitielle hulrumsarrays, der fungerer som et naturligt diffraktionsgitter for synlige lysbølger, især når interstitiel afstand er af samme størrelsesorden som den indfaldende lysbølge.

Således blev det fundet, at på grund af frastødendeCoulomb-interaktioner, elektrisk ladede makromolekyler i et vandigt medium kan udvise langtrækkende krystallignende korrelationer med afstande mellem partikler, der ofte er meget større end diameteren af individuelle partikler.

I alle disse tilfælde har krystallerne af en naturlig makromolekylær forbindelse den samme strålende iriscens (eller farvespil), som kan tilskrives diffraktion og konstruktiv interferens af synlige lysbølger. De opfylder Braggs lov.

Et stort antal eksperimenter med studiet af de såkaldte "kolloide krystaller" opstod som et resultat af relativt simple metoder udviklet over de sidste 20 år for at opnå syntetiske monodisperse kolloider (både polymere og mineralske). Gennem forskellige mekanismer realiseres og bevares dannelsen af en lang rækkefølge.

Molekylvægtbestemmelse

Molekylvægt er en kritisk egenskab ved et kemikalie, især for polymerer. Afhængigt af prøvens materiale vælges forskellige metoder:

1. Molekylvægt såvel som molekylernes molekylære struktur kan bestemmes ved hjælp af massespektrometri. Ved at bruge den direkte infusionsmetode kan prøver injiceres direkte i detektoren for at bekræfte værdien af et kendt materiale eller give strukturel karakterisering af en ukendt.
2. Molekylvægtinformationen for polymerer kan bestemmes ved hjælp af en metode såsom størrelsesudelukkelseskromatografi for viskositet og størrelse.
3. ForBestemmelse af molekylvægten af polymerer kræver forståelse af opløseligheden af en given polymer.

Den samlede masse af en forbindelse er lig med summen af de individuelle atommasser for hvert atom i molekylet. Proceduren udføres efter formlen:

1. Bestem molekylets molekylformel.
2. Brug det periodiske system til at finde atommassen af hvert grundstof i et molekyle.
3. Multipér atommassen af hvert grundstof med antallet af atomer af det grundstof i molekylet.
4. Det resulterende tal er repræsenteret med et sænket skrift ved siden af elementsymbolet i molekylformlen.
5. Forbind alle værdierne for hvert enkelt atom i molekylet.

Et eksempel på en simpel beregning med lav molekylvægt: For at finde molekylvægten af NH_{3, er det første trin at finde atommasserne af nitrogen (N) og hydrogen (H). Så H=1, 00794N=14, 0067.}

Derefter ganges atommassen af hvert atom med antallet af atomer i forbindelsen. Der er ét nitrogenatom (der er ikke angivet noget underskrift for ét atom). Der er tre brintatomer, som angivet af underskriften. Så:

• Molekylvægt af et stof=(1 x 14,0067) + (3 x 1,00794)
• Molekylvægte=14,0067 + 3,02382
• Resultat=17, 0305

Et eksempel på beregning af den komplekse molekylvægt Ca₃(PO₄)_{2 er mere kompleks beregningsmulighed:}

Fra det periodiske system, atommasserne for hvert grundstof:

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

Den vanskelige del er at finde ud af, hvor mange af hvert atom der er i forbindelsen. Der er tre calciumatomer, to fosforatomer og otte oxygenatomer. Hvis join-delen er i parentes, multiplicer du sænkningen umiddelbart efter elementtegnet med sænket skrift, der lukker parentesen. Så:

• Molekylvægt af et stof=(40,078 x 3) + (30,97361 x 2) + (15,9994 x 8).
• Molekylvægt efter beregning=120, 234 + 61, 94722 + 127, 9952.
• Resultat=310, 18.

Komplekse former af elementer beregnes analogt. Nogle af dem består af hundredvis af værdier, så automatiserede maskiner bruges nu med en database med alle g/mol værdier.