ВЫСОКОМОЛЕКУЛЯРНЫЕ СОЕДИНЕНИЯ

Стр 1 из 7Следующая ⇒

ВЫСОКОМОЛЕКУЛЯРНЫЕ СОЕДИНЕНИЯ

Учебное пособие

Министерство образования и науки Российской Федерации

Балтийский государственный технический университет «Военмех»

Кафедра технологии конструкционных материалов

и производства ракетно-космической техники

А.А. БАРУНИН, Д.С. МАСЛОБОЕВ,
А.А. Фатина

ВЫСОКОМОЛЕКУЛЯРНЫЕ СОЕДИНЕНИЯ

Учебное пособие

Санкт-Петербург

УДК 544.2(075.8)

Б26

Барунин, А.А. Высокомолекулярные соединения: учебное пособие / А.А. Барунин, Д.С. Маслобоев, А.А. Фатина; Балт. гос. техн. ун-т. – СПб., 2015. – 59 с. ISBN 978-5-85546-867-0 Рассмотрены современные представления о строении, свойствах, синтезе и химических превращениях высокомолекулярных соединений. Приведены сведения о важнейших природных и синтетических полимерах, а также основные представления о химии, физике и механике полимеров. Предназначено для студентов различных специальностей, изучающих дисциплину «Химия».

УДК 544.2(075.8)

Р е ц е н з е н т канд. техн. наук, главный химик ЗАО
«ЭКОЛОН ПК» А.В. Ильиных

Утверждено

редакционно-издательским

советом университета

ISBN 978-5-85546-867-0 © Авторы, 2015

1. Общие сведения
о высокомолекулярных соединениях

Классификация веществ по молекулярной массе

В зависимости от величины молекулярной массы (M), химические соединения подразделяют на три группы:

1) низкомолекулярные соединения М < 10³, у.е.,

2) смолы 10³< М < 10⁴, у.е.,

3) высокомолекулярные соединения (ВМС) 10⁴< М < 10⁶, у.е.

Эти границы условны и скорее отражают порядок величины, характерной для каждой группы. Молекулы ВМС называются макромолекулами. Как правило, они состоят из большого количества повторяющихся звеньев, т.е. одинаковых групп атомов. Высокомолекулярные соединения называются полимерами, если их макромолекулы построены из повторяющихся звеньев одного типа, и сополимерами, если из нескольких звеньев. Аналогично определяются смолы как олигомеры и соолигомеры. Соединения, из которых получаются (со)полимеры и (со)олигомеры, называются мономерами, например:

СН₂= СH₂ (этилен) – мономер полиэтилена.

Корни названий взяты из греческого языка, в котором «мер» означает «часть», «поли» – «много», «олиго» – «мало», «моно» – «один». На рис. 1 представлена классификация веществ по молекулярной массе.

Характерной чертой всех полимеров является то, что при образовании их макромолекул соединяется большое число одинаковых или разных молекул низкомолекулярных веществ – мономеров. В макромолекуле составляющие ее низкомолекулярные повторяющиеся структурные единицы, или элементарные (мономерные) звенья, соединены прочными химическими связями. Сами же макромолекулы связаны между собой слабыми межмолекулярными силами.

Рис. 1. Классификация веществ по массе молекул

1.2. Классификация ВМС по происхождению
и элементарному составу

В окружающем нас мире полимеры можно расположить в ряд: природные неорганические, природные органические, синтетические (искусственные) (рис. 2).

Рис. 2. Виды полимеров

Человек давно использует природные полимерные материалы в своей жизни. Это кожа, меха, шерсть, шелк, хлопок и т.п., используемые для изготовления одежды, различные связующие (цемент, известь, глина), образующие при соответствующей обработке трехмерные полимерные тела, широко используемые как строительные материалы.

Наряду с природными человечество создает и применяет полимерные материалы, промышленное производство которых началось в начале XX в. Производство осуществляется в двух направлениях: путем переработки природных органических полимеров в искусственные полимерные материалы и путем получения синтетических полимеров из органических низкомолекулярных соединений.

Следует отметить, что на современном этапе научные исследования и промышленное производство интенсивно развиваются в направлении синтеза элементорганических и неорганических ВМС.

Основные понятия физикохимии полимеров

Физическая структура и состояния полимеров

Гибкость цепей полимеров

Взаимосвязь между физическими свойствами полимеров и их химическим строением очень сложна и проявляется, в том числе, через гибкость макромолекул, определяемую их химическим строением и длиной макроцепи. Гибкие макромолекулы способны к изменению своей геометрической формы, сворачиваясь в клубки, спирали и глобулы или складываясь с образованием фибриллярных структур (рис. 6). Это качество характерно для абсолютного большинства термопластов.

а)

б)

в)

г)

Рис. 6. Конформации линейных макромолекул: а – клубок, б – глобула,
в – фибриллярная структура, г – спираль

Гибкость полимерной цепи связана не с изменением валент-ных углов или расстояний между составляющими ее атомами, а со способностью атомов или атомных групп вращаться вокруг сое-диняющих их химических связей. Это вращение несвободно, так как положение каждого последующего звена в основной цепи оказывается зависимым от положения предыдущего. Такая затор-моженность вращения приводит к тому, что непрерывно меняется потенциальная энергия макромолекулы и каждому ее значению отвечает определенная форма макромолекулы.

Энергию, необходимую для перехода молекулы из положения с минимальным запасом потенциальной энергии в положение с максимальным ее значением, называют потенциальным барьером внутреннего вращения.

Изменение формы молекул под влиянием теплового движения (или под действием внешнего поля), не сопровождающееся раз-рывом химических связей, называют конформационным превращением, сами же новые формы молекулы – конформациями.

Тепловое движение, повороты вокруг связей в полимерах совершают не только атомы и атомные группы, но и отдельные участки макромолекул без изменения при этом расположения более отдаленных участков цепей. Таким образом, макромолекулы способны изменять свою геометрическую форму, изгибаясь, скручиваясь и разворачиваясь, в соответствии со случайными тепловыми импульсами, действующими на отдельные участки макроцепи.
Такие движения происходят, как правило, в расплавах и растворах. Размеры подвижных участков макроцепей не являются строго определенными. Среднестатистический участок макромолекулы, перемещающийся как единое целое в элементарном акте теплового движения, называют сегментом.

Рис. 7. Перемещение сегмента макромолекулы под действием направленного импульса тепло-вого движения

На рис. 7 схематически показана часть гибкой макромолекулы, к разным участкам которой приложены неодинаковые тепловые импульсы.

Незначительные внутримолекулярные взаимодействия и энергии конформационных переходов (4, 2…25, 1 кДж/моль) позволяют отнести неполярные полиэтилен, полипропилен, полиизобутилен к гибким полимерам, статистический сегмент которых составляет 10…40 элементарных звеньев. Введение в макромолекулы полярных заместителей приводит к увеличению внутри-
и межмолекулярного взаимодействия, поэтому поливинилхлорид
и поливиниловый спирт являются жесткоцепными полиме-
рами.

Статистический сегмент таких полимеров может достигать 100 и более повторяющихся звеньев. Жесткоцепными являются полиэфиры и полиамиды, а также полиимиды, целлюлоза и поли-сахара, содержащие атомы, способные образовывать водородные связи.

Жесткость цепей возрастает, если в макромолекулах содер-жатся большие по объему и массе заместители. Конформационные переходы в таких макромолекулах требуют значительной энергии и длительны по времени. При невысоких температурах они прак-тически отсутствуют, а при высоких проявляются благодаря уве-личению общей кинетической гибкости цепей.

Наличие химических связей между макромолекулами ограни-чивает их гибкость. В сетчатых полимерах с развитой прост-ранственной структурой гибкость цепей отсутствует.

Растворы полимеров

Длительное время растворы высокомолекулярных соединений относили к лиофильным коллоидам. Это агрегатно устойчивые коллоидные системы, характеризующиеся прочностью связи меж-ду дисперсной фазой и дисперсионной средой. Для лиофильных коллоидов специфична способность дисперсных частиц удер-живать большие количества молекул растворителя (дисперсион-ной среды) в форме сольватной оболочки, развитой тем больше, чем выше лиофильность коллоида. Считалось, что дисперсная фаза таких растворов состоит из мицелл-агрегатов макромолекул. Еще в 30-е гг. XX в. немецкий химик Г. Штаудингер одним из первых указывал, что полимеры в растворах диспергированы до макромолекул.

Решающее влияние на изменение взглядов на природу ра-створов высокомолекулярных соединений оказало построение пер-вых фазовых диаграмм состояния «растворитель–полимер» и применение к ним правила фаз в работах Каргина, Папкова, Роговина. Из их опытов с очевидностью вытекало, что растворы высокомолекулярных соединений являются термодинамически обратимыми и, следовательно, истинными.

Для растворов высокомолекулярных соединений, так же как для коллоидных, характерны существенно меньшие величины ско-ростей диффузии, осмотического давления, изменения температур замерзания и кипения по сравнению с растворами низкомо-лекулярных соединений. Напротив, интенсивность светорассеяния растворов высокомолекулярных соединений и коллоидных на несколько порядков больше по сравнению с растворами низко-молекулярных веществ.

Вместе с тем растворы высокомолекулярных соединений име-ют специфические, присущие только им свойства, наиболее важны-ми из которых являются большая вязкость и наличие стадии набухания растворяемого вещества, предшествующего растворению.

Концентрацию растворов высокомолекулярных соединений обычно выражают в массовых, объемных долях или процентах
растворенного вещества, а также числом граммов полимера в
100 мл раствора.

Первая термодинамическая теория растворов полимеров была разработана независимо Флори и Хаггинсом в 40-50 гг. XX в.
Эта теория сыграла большую роль в понимании физической природы растворов полимеров, многие ее положения используются до настоящего времени.

В теории Флори–Хаггинса предполагается, что раствор явля-ется регулярным (регулярный раствор, в отличие от идеального, не является атермическим, но имеет такое же случайное распре-деление молекул растворенного вещества и растворителя), а звенья цепей распределены равномерно по всему объему. Это условие не может быть выполнено для очень разбавленных растворов, так как в таком растворе клубки разделены чистым растворителем. Поэтому, строго говоря, теория Флори–Хаггинса применима лишь к умеренно концентрированным или полуразбавленным растворам, для которых характерно заметное перекрывание клубков макромолекул.

Коллигативные свойства растворов полимеров. К колли-гативным свойствам относятся:

· снижение давления пара растворителя в растворе по срав-нению с чистым растворителем;

· понижение температуры замерзания раствора по сравнению с температурой замерзания растворителя;

· повышение температуры кипения раствора по сравнению с температурой кипения растворителя;

· осмотическое давление.

Общее определение коллигативных свойств: они являются количественной мерой химического потенциала растворителя в растворе. Другое определение – количественная мера числа частиц растворенного вещества. Под частицами в данном случае пони-маются молекулы, коллоидные частицы, макромолекулы.

Коллигативные свойства обычно используются для определе-ния молекулярной массы растворенных веществ. Значения этих свойств малы для растворов полимеров по сравнению с растворами низкомолекулярных соединений с одинаковыми массовыми кон-центрациями растворенного вещества. Однако значения осмотического давления разбавленных растворов (порядка 10 мм рт. ст.) вполне пригодны для измерения. Поэтому данный метод широко используется для нахождения среднечисленной молекулярной массы полимеров и термодинамической характеристики их растворов.

6. Полимерные материалы
и их групповая классификация

В «чистом» виде полимеры используются крайне редко. При переработке, которую проводят при повышенных температурах, в полимеры обычно вводят различные необходимые добавки. Это приводит к возникновению в полимерах надмолекулярной или новой химической, например пространственной, структуры, вид которой определяет физико-механические свойства получающихся материалов.

Поэтому, кроме понятия «полимеры» часто используется тер-мин полимерные материалы (ПМ) или пластмассы, который объединяет значительный по объему и чрезвычайно обширный по номенклатуре и способам применения класс синтетических ма-териалов с разнообразными физическими, технологическими, по-требительскими и эксплуатационными свойствами.

ПМ характеризуются сложным составом, обязательной частью которого, связующим, является синтетический полимер. В ПМ могут входить различные наполнители и вещества, обеспечивающие технологические и потребительские качества (текучесть, пластич-ность, плотность, прочность, долговечность, негорючесть, термостойкость, электропроводность, звукопоглощение и др.).

Групповая классификация полимерных материалов. Класси-фикация ПМ может быть основана на различных химических, физических, рецептурных, эксплуатационных, потребительских и других признаках. Поскольку ПМ состоят из полимерного связующего и комплекса гетерофазных или иных по химическому строению относительно полимера компонентов или добавок, можно предложить две группы квалификационных признаков: для полимеров и для материалов на их основе – ПМ.

По поведению при нагревании полимеры подразделяются на термопластичные (термопласты) и термореактивные (реакто-пласты).

Термопласты при нагревании сохраняют химическое стро-ение. Вследствие ослабления межмолекулярного взаимодействия они размягчаются и расплавляются. При охлаждении расплав затвердевает и полимер восстанавливает исходные физико-хими-ческие свойства, что является основой многократной термической переработки термопластов в изделия.

Реактопласты после отверждения в процессе нагревания могут размягчаться, но при дальнейшем увеличении температуры деструктируют из-за разрушения ковалентных химических связей. При этом изменяется химическое строение и состав полимера, что приводит к необратимой утрате его исходных свойств. Поэтому при получении изделий реактопласты перерабатываются (отверж-даются) однократно.

По способу синтеза разделяют полимеры, получаемые:

· по реакциям цепной полимеризации;

· по реакциям ступенчатой полимеризации;

· по реакциям поликонденсации;

· с использованием химических реакций модификации синтетических или природных полимеров;

по особенностям химизма процесса полимеризации – полу-ченные:

· радикальной полимеризацией;

· ионной полимеризацией;

· ионно-координационной полимеризацией;

· реакцией в цепях;

по способу полимеризации – полученные:

· газофазной полимеризацией в массе;

· жидкофазной гомогенной или гетерогенной полимеризацией в массе;

· полимеризацией в суспензии;

· полимеризацией в эмульсии.

Пластические массы подразделяются: по виду связующего на термопластичные (термопласты) и термореактивные (реакто-пласты);

по наличию и содержанию наполнителя:

· ненаполненные (содержат только добавки);

· низконаполненные (до 20%);

· высоконаполненные (до 95%);

по морфологии наполнителя:

· дисперснонаполненные;

· волокнонаполненные;

· армированные;

по назначению:

· общетехнические;

· инженерно-технические;

· высокопрочные конструкционные;

· пластмассы со специальными свойствами.

Предлагаемая классификация является в определенной степе-ни условной и не охватывает всё разнообразие полимерных ма-териалов.

Пластификация полимеров

Одним из способов модификации полимеров для придания определенных свойств является пластификация.

Пластификация – физико-химический процесс изменения межмолекулярного взаимодействия макроцепей вследствие запол-нения нанопространства между ними органическими веществами, называемыми пластификаторами, если они снижают силы взаимодействия, и антипластификаторами в случае противоположного воздействия. Эффект пластификации определяется не только надмолекулярной организацией полимера, но и химическими свойствами компонентов этого процесса.

Пластификаторами в основном являются низкомолекулярные жидкие органические соединения с высокой температурой ки-пения и низким давлением паров. Они легко совмещаются с по-лимерами, не вступая с ними, как правило, в химические реакции. Молекулы пластификатора раздвигают полимерные цепи и окру-жают их, создавая промежуточный слой. Появление промежуточного слоя в полимере облегчает перемещение цепей, в результате чего всегда снижается температура плавления и увеличивается пластичность (текучесть) полимера, что облегчает технологию его переработки. Количество пластификатора, которое добавляют к полимеру, ограничивается их взаимной растворимостью. Если растворимость не ограничена, образуется термодинамически устойчивая система. Если растворимость очень мала или пластификатор вообще не совмещается с полимером, то образуется коллоидная система, способная разрушаться во времени из-за миграции («выпотевания») пластификатора на поверхность полимера.

Окружая макромолекулы, пластификатор экранирует те или иные группы в них. Это сказывается на межмолекулярном взаимодействии звеньев каждой макромолекулы, на снижении их потенциальных барьеров внутреннего вращения, что приводит к большей гибкости цепей полимера. В результате пластификации увеличивается способность материала к большим высокопластическим и вынужденно эластическим деформациям, повышается морозостойкость, но снижается модуль упругости и прочность, снижается теплостойкость и т.д.

Обычно количество пластификатора составляет несколько де-сятков процентов от массы полимера. Для большинства поли-мерных материалов одновременно применяют смеси двух-трех и более пластификаторов различных типов. К числу важнейших
пластификаторов для пластмасс относятся сложные эфиры орто-фталевой и себациновой кислот (диметил-, дибутил-, диоктилфталат, дибутилсебацинат), эфиры фосфорной кислоты (трифенилфосфат, трикрезилфосфат), полиэфиры, эпоксидированные соединения и др.

Разновидностью процесса является так называемая структур-ная пластификация, когда эффект достигается введением в полимер очень небольших количеств (до 1%) пластификатора. В этом случае его молекулы, как правило, располагаются на границах раздела надмолекулярных структур полимера, что и вызывает, как это происходит при обычной пластификации, изменение физико-механических свойств полимера.

Известен процесс так называемой антипластификации, когда введение в полимер мономера приводит к возрастанию межмо-лекулярного взаимодействия, что проявляется в некотором улучшении физико-механических свойств полимера.

Содержание различных веществ в теле человека

Тип вещества	Массовый, %
Вода	60…80
Сухой остаток:	20…40
белки	15…20
жиры	3…20
полисахариды	1…15
низкомолекулярные соединения	< 2
нуклеиновые кислоты	< 0, 1

Все живые организмы состоят из биополимеров – природных органических полимеров.

Растения содержат в своем составе полисахариды (крахмал, целлюлоза, лигнин, агар-агар и проч.) и полиизопрены (каучук), смоляные кислоты (канифоль C₂₀H₃₀O₂), растительные белки.

Животные организмы содержат полисахариды, белки и поли-нуклеиновые кислоты.

Функции биополимеров – защитная (внешняя и внутренняя), транспортная (веществ и информации), обеспечение клетки энер-гией и веществами, хранение и передача информации.

Натуральный каучук

Натуральный каучук содержится в млечном соке растения гевея и некоторых других каучуконосных растений.

Каучук – природный высокомолекулярный линейный углево-дород состава (С₅Н₈)_n, содержащий довольно большое количество двойных связей. Макромолекула состоит из звеньев 1, 4-цисизо-прена и имеет стереорегулярное строение. Число мономерных звеньев может достигать трех тысяч.

При нагревании натурального каучука с серой происходит сшивание линейных молекул серными (дисульфидными) мости-ками по месту разрыва двойных связей с образованием разветв-ленных и сетчатых структур – вулканизация (рис. 14). Так происходит формирование резины. При дальнейшей обработке резины серой число серных мостиков увеличивается с образованием густо сшитого пластика – эбонита.

а)

б)

в)

Рис. 14. Вулканизация каучука: а – макромолекулы каучука, б – разветвленная структура резины, в – сетчатая структура эбонита

Белки

К белкам (протеинам, полипептидам) относятся органические природные полимеры, образованные α -аминокислотами (рис. 18), которые соединены пептидной связью. Аминокислоты могут содержать в своем составе железо, серу, кобальт, фосфор. В состав белков входят остатки не более 22 α -аминокислот.

Рис. 18. Поликонденсация α -аминокислот с образованием пептидной связи

На поведение и биохимические свойства белков влияет как химический состав аминокислот, так и их сочетание в макро-молекулах. Разнообразие в химическом составе белков тесно свя-зано с многообразностью их функций.

Основные функции белков:

· транспортная, например гемоглобин;

· регуляторная или гормональная, например инсулин;

· каталитическая – ферменты;

· структурная, механическая, например коллаген;

· резервная – казеин;

· иммунологическая – иммуноглобулины.

Приведем некоторые примеры белков:

· гемоглобин – железосодержащий белок крови, способный обратимо связываться с кислородом. Функция гемоглобина – доставлять кислород к органам и тканям живых организмов;

· инсулин – гормон, вырабатываемый поджелудочной железой. Он оказывает влияние на обмен веществ практически во всех тканях. Основное действие инсулина – снижение концентрации глюкозы в крови;

· коллаген – основа соединительной ткани организма, обус-ловливающий ее прочность и эластичность;

· ферменты – природные катализаторы с их помощью ката-лизируются биохимические процессы в организме.

Молекулярная масса белков может достигать нескольких миллионов у.е. Одна из самых маленьких – молекула инсулина – состоит из 60 аминокислотных звеньев и весит 12000 у.е.

Макромолекулы имеют стереорегулярную структуру, что важно для проявления белками определенных биохимических свойств.

Существуют четыре уровня структурной организации белков:

· первичная структура – линейная последовательность α -ами-нокислотных звеньев (рис. 19);

· вторичные структуры: α -спираль, β -структура (складчатый лист). Вторичные структуры образуются за счет водородных свя-
зей между звеньями одной цепи (α -спираль) и межмолекулярных (β -структура) (рис. 20);

Рис. 19. Первичная структура белка

Рис. 20. Уровни структурной организации белков

· третичная структура – способ укладки макромолекул вто-ричной структуры в пространстве. α -спирали чаще образуют эллипсовидные глобулы (глобулярные белки), а β -структуры – вытянутые (фибриллярные белки) (рис. 20). Третичные структуры закрепляются как силами Ван-дер-Ваальса, так и ковалентными дисульфидными мостиками (–S–S–);

· четвертичная структура – способ укладки нескольких макромолекул белка третичной структуры в пространстве (рис. 20).

В природе существует около 10¹² всевозможных белков, обеспечивающих жизнь различных организмов, от вирусов до человека. Каждому виду присущ свой набор белков. Последовательность α -аминокислот в полипептидной цепи предопределяет информация, содержащаяся в ДНК живых организмов.

Полинуклеиновые кислоты

Полимерные нуклеиновые кислоты – дезоксирибонуклеиновая (ДНК) и рибонуклеиновая (РНК) – природные ВМС, выполняющие функцию хранения и передачи наследственной информации.

Мономерное звено нуклеиновых кислот – нуклеотиды. В состав нуклеотидов входят:

1) моносахарид – рибоза или дезоксирибоза (рис. 21);

а)

б)

Рис. 21. Моносахариды нуклеотидов: а – рибоза, б – дезоксирибоза

2) азотистое основание – пуриновое или пиримидиновое (рис. 22). Пиримидиновые основания нуклеотидов ДНК: тимин (T) и цитозин (C). Пуриновые основания нуклеотидов: гуанин (G) и аденин (A). В молекулах РНК вместо тимина присутствует урацил (У);

а)

б)

Рис. 22. Азотистые основания: а – пиримидин, б – пурин

3) остаток фосфорной кислоты (рис. 23).

Чередование фрагментов в нуклеиновых кислотах показано на рис. 24. Нуклеиновые кислоты подобно белкам имеют первичную структуру – последовательность нуклеотидов (рис. 24), вторичную структуру – две комплементарные цепи – двойная спираль ДНК, и третичную – пространственную структуру.

Рис. 23. Фосфорная кислота

Рис. 24. Чередование фрагментов в нуклеиновых кислотах

Две макромолекулы ДНК образуют двойную спираль, закру-ченную по часовой стрелке (правую спираль), и удерживаются друг с другом за счет водородных связей между азотистыми основаниями (рис. 25, 26).

Причем тот или другой пурин в одной молекуле связан во-дородными связями с тем или иным пиримидином в другой. Аде-нин связывается с тимином, а гуанин с цитозином. Такое соответствие называется комплементарным (взаимодополняющим).

Функции ДНК:

· хранение наследственной (генетической информации). Химическая база этой функции – комплементарность;

· способность к репликации (удвоению) и копированию рас-положения в цепи азотистых оснований, определяемая свойством ДНК хранить и использовать генетическую информацию;

· способность молекул ДНК управлять синтезом белков, характерных для организмов данного вида.

Рис. 25. Попарно связанные водородными связями тимин с аденином и цитозин с гуанином при образовании спирали при скручивании двух макромолекул ДНК вокруг общей оси

Рис. 26. Двойная спираль ДНК: 1 – сахар (дезоксирибоза), 2 – остаток фосфорной кислоты, 3 – водородная связь, 4 – пара оснований

Функции РНК:

· транспортная (осуществляется транспортной т-РНК) – перенос аминокислот к месту синтеза белка, в рибосомы. Рибосомы представляют собой нуклеопротеид, в составе которого находятся РНК и белок. Рибосомы служат для биосинтеза белка из ами-нокислот по заданной матрице на основе генетической информа-ции, предоставляемой матричной РНК (м-РНК). Этот процесс называется трансляцией. Трансляция (осуществляется рибосомной р-РНК) – считывание информации с м-РНК при помощи молекул т-РНК и катализ создания пептидных связей между доставленными к т-РНК α -аминокислотами;

· информационная (осуществляется матричной м-РНК) – пере-нос информации о структуре белка от ДНК к месту синтеза белка в рибосомах. М-РНК синтезируется на основе ДНК в ходе тран-скрипции;

· транскри́ пция – процесс синтеза РНК с использованием ДНК в качестве матрицы, происходящий во всех живых клетках. Другими словами, это перенос генетической информации с ДНК на РНК.

8. Неорганические
и элементорганические полимеры

Круг соединений, которые по своему строению можно отнести к высокомолекулярным, не ограничивается полимерами с угле-родными цепями. Многие неорганические природные и синтети-ческие вещества также имеют полимерное строение. В общем случае все минералы земной коры представляют собой высокомолекулярные вещества.

Асбест, базальт, кварц и песок, корунд и многие другие ми-нералы состоят из повторяющихся по составу и структуре моно-мерных звеньев, связанных в длинные, разветвленные цепочки или объемные структуры.

Диоксид кремния (кремнезем) встречается в природе в виде песка или кварца и входит в состав большинства природных минералов. Каждый атом кремния в кристаллах (SiO₂)_n окружен четырьмя атомами кислорода, каждый из которых является мостиком к следующему атому кремния (рис. 27).

Рис. 28. Поликремниевая кислота

Рис. 27. Диоксид кремния

Через общий атом кислорода тетраэдры SiO₄ под разными углами связываются друг с другом, образуя трехмерную решетку; взаимное расположение тетраэдров SiO₄ в пространстве опреде-ляет ту или иную модификацию кремнезема. Поверхностные атомы образуют Si–O–Н- или Si–O–Si-группы. Таким образом, кремнезем можно представить как поликремниевую кислоту состава n(SiO₂)∙ mН₂O (рис. 28).

Глину можно представить как смесь высокомолекулярных соединений, построенных из плоских полимерных блоков двух типов: кремнийкислородного и алюмокислородного.

В гранитах полимерная цепь построена из атомов кремния и алюминия, связанных между собою через кислородные мостики.

Асбесты – тонковолокнистые минералы из класса силикатов. По химическому составу асбесты представляют собой водные силикаты магния с примесями оксидов железа. Природные асбесты состоят из тонких гибких волокон. Способность асбеста к волокнообразованию позволяет использовать его для создания огнестойких тканей, шнуров и т.д.

Огнестойкие теплоизоляционные материалы также изготавли-вают из базальтового волокна, которое получают из базальта путем расплава природного минерала и последующего преобра-зования в волокно без применения химических добавок.

Природные минералы, как правило, представляют собой гете-роцепные полимеры.

К гомоцепным неорганическим полимерам относят аллотроп-ные модификации углерода, серы, селена, бора и проч.

К синтетическим неорганическим соединениям можно отнести как многочисленные силикатные строительные материалы, стекла, так и цеолиты, искусственные минералы.

Следует упомянуть неорганический каучук – полифосфо-
нитрилхлорид, негорючий аналог синтетических каучуков.

К элементорганическим относят полимеры, содержащие в эле-ментарном звене макромолекулы наряду с углеводородными груп-пами неорганические фрагменты, т.е. углерод связан с атомами, отличными от кислорода, водорода, азота, серы, галогенов.

Известны элементорганические полимеры, содержащие фос-фор, бор, кремний, алюминий, олово и проч., с широким спектром свойств. Среди них существуют термостойкие полимеры, по-лимеры с хорошей электропроводностью и полупроводнико-
выми свойствами, с высокой твердостью и эластичностью и др. Элементорганические полимеры часто используют в качестве стабилизаторов полимеров, антигрибкових и антимикробных добавок в лакокрасочные материалы.

Наибольшее применение находят кремнийорганические поли-меры – полиорганосилоксаны.

Полисилоксаны содержат в основной неорганической цепи кислород и кремний (…–Si–O–Si–O–Si–O–…). К атомам кремния присоединяются боковые органические группы. Иногда боковые группы могут соединять вместе две (или более) кремнийоргани-ческие цепи. Варьируя длину основной цепи и боковые группы, можно синтезировать полимеры с разными свойствами.

Основное применение кремнийорганические полимерные материалы находят для создания термостойких и атмосферостойких покрытий, термостойких материалов, гидрофобизирующих жидкостей, герметиков и смазок.

Вопросы для самопроверки

1. Какая кислота имеет полимерное строение?

Варианты ответов:

1) олеиновая CH₃-(CH₂)₇-CH=CH-(CH₂)₇-COOH,

2) кремниевая,

3) серная,

4) ортофосфорная.

2. Укажите структурное звено макромолекулы:

...-CH₂-CH=CH-CH₂-CH₂-CH=CH-CH₂-CH₂-CH=CH-CH₂-...

Варианты ответов:

1) -CH₂-CH=CH-,

2) -CH=CH-CH₂-CH₂-,

3) =CH-CH₂-CH₂-CH=,

4) -CH₂-CH=CH-CH₂-.

3. Степень полимеризации макромолекулы равна...

Варианты ответов:

1) отношению массы мономера к массе образовавшегося полимера,

2) выходу полимера в реакции его образования,

3) отношению молекулярной массы структурного звена к молекулярной массе макромолекулы,

4) отношению молекулярной массы макромолекулы к молекулярной массе структурного звена.

4. Чему равна молекулярная масса макромолекулы полиэти-лена, если степень полимеризации n = 1000?

Варианты ответов:

1) 140 000,

2) 42 000,

3) 28 000,

4) 10 000.

5. Какова геометрическая форма макромолекул:

Варианты ответов:

1) разветвленная,

2) линейная,

3) пространственная,

4) перпендикулярная.

6. Определите геометрическую форму макромолекул полимеров А и Б

Варианты ответов:

1) А – линейная форма, Б – пространственная форма;

2) А – линейная форма, Б – разветвленная форма;

3) А – разветвленная форма, Б – пространственная форма;

4) А – пространственная форма, Б – разветвленная форма.

А Б

12 3 4 5 6 7 Следующая ⇒