معظم مواد البناء والأدوية والأقمشة والأدوات المنزلية والتعبئة والمواد الاستهلاكية اليوم عبارة عن بوليمرات. هذه مجموعة كاملة من المركبات التي لها سمات مميزة مميزة. يوجد الكثير منهم ، لكن على الرغم من ذلك ، يستمر عدد البوليمرات في النمو. بعد كل شيء ، يكتشف الكيميائيون التخليقيون سنويًا المزيد والمزيد من المواد الجديدة. في الوقت نفسه ، كان البوليمر الطبيعي ذا أهمية خاصة في جميع الأوقات. ما هي هذه الجزيئات المدهشة؟ ما هي خصائصها وما هي ميزاتها؟ سنجيب على هذه الأسئلة في سياق المقال
البوليمرات: الخصائص العامة
من وجهة نظر الكيمياء ، يعتبر البوليمر جزيء له وزن جزيئي ضخم: من عدة آلاف إلى ملايين الوحدات. ومع ذلك ، بالإضافة إلى هذه الميزة ، هناك العديد من المواد التي يمكن من خلالها تصنيف المواد بدقة على أنها بوليمرات طبيعية وصناعية. هذا هو:
- تكرار الوحدات الأحادية باستمرار والمتصلة من خلال تفاعلات مختلفة ؛
- يجب أن تكون درجة البوليميراز (أي عدد المونومرات) عالية جدًاعالية ، وإلا فإن المركب يعتبر قليل القسيمات ؛
- اتجاه مكاني معين لجزيء ضخم ؛
- مجموعة من الخصائص الفيزيائية والكيميائية الهامة التي تنفرد بها هذه المجموعة
بشكل عام ، من السهل جدًا تمييز مادة ذات طبيعة بوليمرية عن غيرها. على المرء فقط أن ينظر إلى صيغته لفهمها. مثال نموذجي هو البولي إيثيلين المعروف ، والذي يستخدم على نطاق واسع في الحياة اليومية والصناعة. إنه نتاج تفاعل بلمرة يدخل فيه إيثين الهيدروكربون أو الإيثيلين غير المشبع. رد الفعل بشكل عام مكتوب على النحو التالي:
nCH2=CH2→ (-CH-CH -) ، أين n هي درجة بلمرة الجزيئات ، توضح عدد الوحدات المونومرية المضمنة في تكوينها.
أيضًا ، على سبيل المثال ، يمكن للمرء أن يستشهد ببوليمر طبيعي ، وهو معروف جيدًا للجميع ، وهو النشا. بالإضافة إلى ذلك ، ينتمي الأميلوبكتين والسليلوز وبروتين الدجاج والعديد من المواد الأخرى إلى هذه المجموعة من المركبات.
التفاعلات التي يمكن أن تشكل الجزيئات الكبيرة نوعان:
- بلمرة ؛
- تكاثف متعدد.
الاختلاف هو أنه في الحالة الثانية ، تكون منتجات التفاعل ذات وزن جزيئي منخفض. يمكن أن تكون بنية البوليمر مختلفة ، فهي تعتمد على الذرات التي تشكلها. غالبًا ما توجد الأشكال الخطية ، ولكن هناك أيضًا شبكات ثلاثية الأبعاد معقدة للغاية.
إذا تحدثنا عن القوى والتفاعلات التي تربط وحدات المونومر معًا ، فيمكننا تحديد العديد من الوحدات الأساسية:
- فان دير فالالقوة ؛
- روابط كيميائية (تساهمية ، أيونية) ؛
- تفاعل كهرباء.
لا يمكن دمج جميع البوليمرات في فئة واحدة ، لأن لها طبيعة وطريقة تكوين مختلفة تمامًا وتؤدي وظائف مختلفة. خصائصهم تختلف أيضا. لذلك ، هناك تصنيف يسمح لك بتقسيم جميع ممثلي هذه المجموعة من المواد إلى فئات مختلفة. قد يكون قائما على عدة علامات.
تصنيف البوليمرات
إذا أخذنا التركيبة النوعية للجزيئات كأساس ، فيمكن تقسيم جميع المواد قيد الدراسة إلى ثلاث مجموعات.
- عضوي - وهي تلك التي تشمل ذرات الكربون والهيدروجين والكبريت والأكسجين والفوسفور والنيتروجين. أي تلك العناصر التي هي حيوية. هناك العديد من الأمثلة: بولي إيثيلين ، بولي فينيل كلوريد ، بولي بروبيلين ، فيسكوز ، نايلون ، بوليمر طبيعي - بروتين ، أحماض نووية وما إلى ذلك.
- عنصر عضوي - تلك التي تحتوي على بعض العناصر غير العضوية وغير العضوية الدخيلة. غالبًا ما يكون من السيليكون أو الألومنيوم أو التيتانيوم. أمثلة على هذه الجزيئات الكبيرة: الزجاج العضوي ، والبوليمرات الزجاجية ، والمواد المركبة.
- غير عضوي - تعتمد السلسلة على ذرات السيليكون ، وليس الكربون. يمكن أن تكون الجذور أيضًا جزءًا من الفروع الجانبية. تم اكتشافها مؤخرًا في منتصف القرن العشرين. تستخدم في الطب والبناء والهندسة وغيرها من الصناعات. أمثلة: السيليكون ، الزنجفر.
إذا قمت بفصل البوليمرات حسب الأصل ، يمكنك ذلكحدد ثلاثة من مجموعاتهم.
- البوليمرات الطبيعية ، والتي يتم استخدامها على نطاق واسع منذ العصور القديمة. هذه هي الجزيئات الكبيرة ، التي لم يبذل الشخص أي جهد في إنشائها. إنها نتاج ردود فعل الطبيعة نفسها. أمثلة: الحرير ، الصوف ، البروتين ، الأحماض النووية ، النشا ، السليلوز ، الجلد ، القطن ، إلخ.
- مصطنعة. هذه هي الجزيئات الكبيرة التي تم إنشاؤها بواسطة الإنسان ، ولكنها تستند إلى نظائرها الطبيعية. وهذا يعني أن خصائص البوليمر الطبيعي الموجود بالفعل يتم تحسينها وتغييرها ببساطة. أمثلة: المطاط الصناعي والمطاط.
- اصطناعي - هذه هي البوليمرات التي يشارك في إنشائها فقط الشخص. لا توجد نظائرها الطبيعية. يطور العلماء طرقًا لتوليف مواد جديدة من شأنها تحسين الخصائص التقنية. هذه هي الطريقة التي تولد بها مركبات البوليمر الاصطناعية من مختلف الأنواع. أمثلة: بولي إيثيلين ، بولي بروبيلين ، فيسكوز ، ألياف أسيتات ، إلخ.
هناك ميزة أخرى تكمن وراء تقسيم المواد المدروسة إلى مجموعات. هذه هي التفاعل والاستقرار الحراري. هناك فئتان لهذه المعلمة:
- لدن بالحرارة ؛
- ثيرموسيت.
لا يزال البوليمر الطبيعي هو الأقدم والأكثر أهمية وقيمة بشكل خاص. خصائصه فريدة من نوعها. لذلك ، سننظر في هذه الفئة المعينة من الجزيئات الكبيرة.
ما هي المادة التي تعتبر بوليمر طبيعي؟
للإجابة على هذا السؤال ، دعونا أولاً ننظر حولنا. ماذا يحيط بنا؟الكائنات الحية من حولنا التي تتغذى وتتنفس وتتكاثر وتزهر وتنتج الثمار والبذور. وماذا يمثلون من وجهة نظر جزيئية؟ هذه وصلات مثل:
- بروتينات
- أحماض نووية ؛
- السكريات.
إذن ، كل من هذه المركبات عبارة عن بوليمر طبيعي. وهكذا ، اتضح أن الحياة من حولنا موجودة فقط بسبب وجود هذه الجزيئات. منذ العصور القديمة ، استخدم الناس الطين ومخاليط البناء والملاط لتقوية وإنشاء منزل ، ونسج خيوط من الصوف ، واستخدام القطن والحرير والصوف وجلد الحيوانات لصنع الملابس. رافقت البوليمرات العضوية الطبيعية الإنسان في جميع مراحل تكوينه وتطوره وساعدته بطرق عديدة على تحقيق النتائج التي لدينا اليوم.
أعطت الطبيعة نفسها كل شيء لجعل حياة الناس مريحة قدر الإمكان. بمرور الوقت ، تم اكتشاف المطاط وتوضيح خصائصه الرائعة. لقد تعلم الإنسان استخدام النشا للأغراض الغذائية ، والسليلوز للأغراض الفنية. الكافور هو أيضًا بوليمر طبيعي ، وهو معروف أيضًا منذ العصور القديمة. الراتنجات والبروتينات والأحماض النووية كلها أمثلة على مركبات قيد الدراسة
هيكل البوليمرات الطبيعية
ليس كل ممثلي هذه الفئة من المواد لديهم نفس البنية. وبالتالي ، يمكن أن تختلف البوليمرات الطبيعية والاصطناعية بشكل كبير. يتم توجيه جزيئاتهم بطريقة تجعل الوجود من وجهة نظر الطاقة أكثر فائدة وملاءمة. في نفس الوقت ، العديد من الأنواع الطبيعية قادرة على الانتفاخ ويتغير هيكلها في هذه العملية.هناك العديد من المتغيرات الأكثر شيوعًا لهيكل السلسلة:
- خطي ؛
- متفرعة ؛
- على شكل نجمة ؛
- شقة ؛
- شبكة ؛
- شريط ؛
- مشط
يمتلك الممثلون الاصطناعيون والاصطناعيون للجزيئات الكبيرة كتلة كبيرة جدًا ، وعددًا هائلاً من الذرات. تم إنشاؤها بخصائص محددة بشكل خاص. لذلك ، تم التخطيط لهيكلهم في الأصل من قبل الإنسان. غالبًا ما تكون البوليمرات الطبيعية إما خطية أو شبكية في الهيكل.
أمثلة على الجزيئات الكبيرة الطبيعية
البوليمرات الطبيعية والاصطناعية قريبة جدا من بعضها البعض. بعد كل شيء ، أصبح الأول أساسًا لإنشاء الثانية. هناك العديد من الأمثلة على هذه التحولات. وهنا بعض منهم.
- بلاستيك أبيض حليبي عادي منتج يتم الحصول عليه عن طريق معالجة السليلوز بحمض النيتريك مع إضافة الكافور الطبيعي. يتسبب تفاعل البلمرة في تصلب البوليمر الناتج ويصبح المنتج المطلوب. والملدّن - الكافور يجعله ينعم عند تسخينه ويغير شكله.
- خلات الحرير وألياف النحاس والأمونيا والفسكوز كلها أمثلة على تلك الخيوط والألياف التي يتم الحصول عليها من السليلوز. الأقمشة المصنوعة من القطن الطبيعي والكتان ليست متينة جدًا وليست لامعة ويمكن تجعدها بسهولة. لكن نظائرها الاصطناعية تخلو من أوجه القصور هذه ، مما يجعل استخدامها جذابًا للغاية.
- الأحجار الاصطناعية ومواد البناء والخلائط وبدائل الجلودانظر أيضًا أمثلة على البوليمرات المشتقة من المواد الخام الطبيعية.
يمكن أيضًا استخدام المادة ، وهي بوليمر طبيعي ، في شكلها الحقيقي. هناك أيضًا العديد من الأمثلة:
- الصنوبري ؛
- العنبر ؛
- نشاء ؛
- أميلوبكتين ؛
- السليلوز ؛
- فرو ؛
- صوف ؛
- قطن ؛
- حرير ؛
- اسمنت ؛
- طين ؛
- الجير ؛
- بروتينات
- أحماض نووية وهكذا
من الواضح أن فئة المركبات التي نفكر فيها كثيرة جدًا ومهمة عمليًا وهامة للناس. الآن دعونا نلقي نظرة فاحصة على العديد من ممثلي البوليمرات الطبيعية ، والتي هي مطلوبة بشدة في الوقت الحاضر.
الحرير والصوف
صيغة بوليمر الحرير الطبيعي معقدة ، لأن تركيبتها الكيميائية يتم التعبير عنها بالمكونات التالية:
- فيبروين ؛
- سيريسين ؛
- شمع
- دهون.
البروتين الرئيسي نفسه ، فيبروين ، يحتوي على عدة أنواع من الأحماض الأمينية. إذا تخيلت سلسلة البولي ببتيد الخاصة بها ، فستبدو كما يلي: (-NH-CH2-CO-NH-CH (CH3) - CO-NH-CH2-CO -)n.وهذا جزء منه فقط. إذا تخيلنا أن جزيء بروتين سيريسين معقد بنفس القدر مرتبط بهذه البنية بمساعدة قوى فان دير فال ، ويتم خلطهما معًا في شكل واحد مع الشمع والدهون ، فمن الواضح لماذا يصعب تصوير الصيغة من الحرير الطبيعي.
لهذا اليوماليوم ، يتم توفير معظم هذا المنتج من قبل الصين ، لأنه يوجد في مساحاتها المفتوحة موطن طبيعي للمنتج الرئيسي - دودة القز. في السابق ، بدءًا من العصور القديمة ، كان الحرير الطبيعي ذو قيمة عالية. فقط النبلاء والأثرياء هم من يستطيعون شراء الملابس منه. اليوم ، تترك العديد من خصائص هذا النسيج الكثير مما هو مرغوب فيه. على سبيل المثال ، فهو ممغنط للغاية ومتجعد ، بالإضافة إلى أنه يفقد بريقه ويتلاشى من التعرض لأشعة الشمس. لذلك ، فإن المشتقات الاصطناعية القائمة عليها أكثر استخدامًا.
الصوف هو أيضًا بوليمر طبيعي ، حيث إنه منتج نفايات للجلد والغدد الدهنية للحيوانات. بناءً على هذا المنتج البروتيني ، يتم تصنيع ملابس التريكو ، والتي تعتبر ، مثل الحرير ، مادة قيمة.
النشا
نشا البوليمر الطبيعي هو منتج نفايات للنباتات. ينتجونها نتيجة لعملية التمثيل الضوئي وتتراكم في أجزاء مختلفة من الجسم. تركيبه الكيميائي:
- أميلوبكتين ؛
- أميلوز ؛
- ألفا جلوكوز.
الهيكل المكاني للنشا متفرّع للغاية ومضطرب. بفضل الأميلوبكتين المتضمن في التركيبة ، فإنه قادر على الانتفاخ في الماء ، ويتحول إلى ما يسمى بالعجينة. يستخدم هذا المحلول الغرواني في الهندسة والصناعة. الطب ، وصناعة الأغذية ، وتصنيع المواد اللاصقة للجدران هي أيضًا مجالات استخدام لهذه المادة.
من بين النباتات التي تحتوي على أكبر قدر من النشا يمكننا التمييز بين:
- ذرة ؛
- بطاطس
- أرز ؛
- قمح ؛
- كسافا ؛
- شوفان
- الحنطة السوداء
- موز ؛
- الذرة.
بناءً على هذا البوليمر الحيوي ، يتم خبز الخبز ، وتصنع المعكرونة ، ويتم طهي القبلات والحبوب وغيرها من المنتجات الغذائية.
اللب
من وجهة نظر الكيمياء ، هذه المادة عبارة عن بوليمر ، يتم التعبير عن تركيبته بالصيغة (C6H5O5 ) . الرابط الأحادي في السلسلة هو بيتا جلوكوز. المواقع الرئيسية لمحتوى السليلوز هي جدران الخلايا للنباتات. هذا هو السبب في أن الخشب هو مصدر ثمين لهذا المركب.
السليلوز هو بوليمر طبيعي له بنية مكانية خطية. يتم استخدامه لإنتاج الأنواع التالية من المنتجات:
- منتجات اللب والورق ؛
- فرو صناعي
- أنواع مختلفة من الألياف الاصطناعية ؛
- قطن ؛
- بلاستيك
- بودرة بدون دخان
- شرائط فيلم وهكذا
من الواضح أن أهميتها الصناعية كبيرة. من أجل استخدام مركب معين في الإنتاج ، يجب أولاً استخراجه من النباتات. يتم ذلك عن طريق طهي الخشب على المدى الطويل في أجهزة خاصة. تختلف المعالجة الإضافية وكذلك الكواشف المستخدمة في الهضم. هناك عدة طرق:
- كبريتيت
- نترات ؛
- صوديوم
- كبريتات.
بعد هذا العلاج ، لا يزال المنتج يحتوي علىالشوائب. يعتمد على اللجنين والهيميسليلوز. وللتخلص منها يتم معالجة الكتلة بالكلور أو القلويات.
في جسم الإنسان لا توجد محفزات بيولوجية من شأنها أن تكسر هذا البوليمر الحيوي المعقد. ومع ذلك ، فقد تكيفت بعض الحيوانات (العواشب) مع هذا. لديهم بكتيريا معينة في معدتهم تقوم بذلك من أجلهم. في المقابل ، تتلقى الكائنات الحية الدقيقة الطاقة من أجل الحياة والموئل. هذا الشكل من التعايش مفيد للغاية لكلا الطرفين.
مطاط
هذا بوليمر طبيعي ذو أهمية اقتصادية قيّمة. تم وصفها لأول مرة من قبل روبرت كوك ، الذي اكتشفها في إحدى رحلاته. حدث مثل هذا. بعد أن هبط على جزيرة يسكنها مواطنون غير معروفين له ، استقبلهم بضيافة. جذب انتباهه الأطفال المحليون الذين كانوا يلعبون بأداة غير عادية. بدأ هذا الجسم الكروي عن الأرض وارتد عالياً ، ثم عاد.
بعد أن سأل السكان المحليين عما صنعت هذه اللعبة ، علم كوك أن عصير إحدى الأشجار ، الهيفيا ، يصلب بهذه الطريقة. بعد ذلك بوقت طويل ، اكتشف أن هذا هو البوليمر الحيوي المطاطي.
الطبيعة الكيميائية لهذا المركب معروفة - الايزوبرين هو الذي خضع للبلمرة الطبيعية. الصيغة المطاطية هي (С5Н8) . خصائصه التي تجعله يحظى بتقدير كبير هي كما يلي:
- مرونة ؛
- مقاومة التآكل ؛
- عزل كهربائي ؛
- مقاومة للماء.
ومع ذلك ، هناك أيضا عيوب. في البرد ، تصبح هشة وهشة ، وفي الحرارة تصبح لزجة ولزجة. هذا هو السبب في أنه أصبح من الضروري تجميع نظائرها من قاعدة اصطناعية أو اصطناعية. اليوم ، يستخدم المطاط على نطاق واسع للأغراض التقنية والصناعية. أهم المنتجات المبنية عليها:
- المطاط ؛
- يبونيت.
العنبر
هو بوليمر طبيعي ، لأنه في بنيته عبارة عن راتينج ، شكله الأحفوري. الهيكل المكاني عبارة عن إطار بوليمر غير متبلور. إنه قابل للاشتعال للغاية ويمكن إشعاله بلهب عود ثقاب. لها خصائص التلألؤ. هذه صفة مهمة وقيمة للغاية تستخدم في المجوهرات. المجوهرات المصنوعة من العنبر جميلة جدا ومطلوبة
بالإضافة إلى ذلك ، يستخدم هذا البوليمر الحيوي أيضًا للأغراض الطبية. كما أنها تستخدم في صناعة ورق الصنفرة والطلاء بالورنيش للأسطح المختلفة.
